تحديد الخصائص الحرارية للوحات ذات الكتلة العالية

تحديد الملف الحراري للوحات ذات الكتلة العالية هو العملية الحاسمة لإدارة امتصاص الحرارة في لوحات الدوائر المطبوعة الثقيلة أثناء التجميع. على عكس لوحات الدوائر المطبوعة القياسية (PCBs)، فإن لوحات الكتلة العالية —التي تتميز بطبقات نحاسية سميكة، أو نوى معدنية، أو عدد طبقات كبير— تمتلك قصورًا حراريًا كبيرًا. يتسبب هذا القصور في تسخينها وتبريدها ببطء شديد مقارنة بالمكونات المثبتة عليها. إذا لم يتم تصميم الملف الحراري بعناية، يواجه المصنعون خطرين متعارضين: وصلات لحام باردة على المستويات الأرضية الثقيلة أو مكونات محترقة وتالفة على السطح.

يغطي هذا الدليل سير العمل الكامل المطلوب لتحقيق وصلة لحام مثالية في التجميعات ذات الكتلة الحرارية العالية.

النقاط الرئيسية

القصور الحراري: تمتص لوحات الكتلة العالية الحرارة ببطء؛ وستؤدي الملفات القياسية إلى وصلات لحام باردة.
أهمية منطقة النقع: وقت نقع أطول ضروري لمعادلة درجات الحرارة عبر التجميع قبل إعادة التدفق.
إدارة فرق درجة الحرارة (Delta T): يجب تقليل فرق درجة الحرارة بين الأجزاء الأكثر سخونة والأكثر برودة في اللوحة.
وضع المزدوجات الحرارية: يجب وضع المستشعرات على كل من الكتلة الحرارية الأثقل والمكون الأكثر حساسية.
التحقق: فحص الأشعة السينية والتقطيع العرضي لا غنى عنهما للتحقق من وصلات اللحام المخفية.
خصائص المواد: تتطلب لوحات السيراميك واللوحات ذات النواة المعدنية استراتيجيات تحديد ملفات حرارية مميزة مقارنة بلوحات FR4.
التحكم في العملية: يعد التنظيف المتسق وإعداد السطح من المتطلبات الأساسية للترطيب الناجح على الأسطح ذات الكتلة العالية.

ماذا يعني حقًا تحديد الملف الحراري للوحات ذات الكتلة العالية (النطاق والحدود)

يعد فهم التعريف الأساسي لهذه العملية هو الخطوة الأولى نحو إتقان التحديات المحددة لتجميع لوحات الدوائر المطبوعة الثقيلة.

تحديد الملف الحراري للوحات ذات الكتلة العالية هو معايرة فرن إعادة التدفق (reflow oven) أو آلة لحام الموجة (wave soldering machine) لاستيعاب لوحات الدوائر المطبوعة ذات السعة الحرارية العالية. تتضمن اللوحة "ذات الكتلة العالية" عادةً ميزات مثل النحاس الثقيل (من 3 أونصات إلى 20 أونصة)، أو النوى المعدنية (قاعدة من الألومنيوم أو النحاس)، أو الركائز الخزفية، أو عدد الطبقات الكبير (أكثر من 20 طبقة).

التحدي الأساسي هو "التأخر الحراري". عندما تدخل لوحة ذات كتلة عالية الفرن، تعمل مستويات النحاس الثقيل كمشتتات حرارية. إنها تسحب الطاقة الحرارية من وسادات اللحام. إذا كانت إعدادات الفرن تستند إلى لوحة قياسية، فقد لا تصل عجينة اللحام على الوسادات الثقيلة أبدًا إلى درجة حرارة السيولة (liquidus)، حتى لو كانت درجة حرارة الهواء صحيحة. على العكس من ذلك، إذا قمت ببساطة بزيادة الحرارة للتعويض، فإنك تخاطر بقلي المكونات الحساسة المثبتة على السطح قبل أن تصل اللوحة إلى درجة حرارة إعادة التدفق.

في APTPCB (مصنع APTPCB للوحات الدوائر المطبوعة)، لا نعرّف التنميط الناجح بمجرد ذوبان اللحام، بل بتحقيق توازن حراري موحد عبر التجميع بأكمله. وهذا يضمن أن مكثف 0402 صغير وترانزستور طاقة ضخم يعاد تدفقهما في وقت واحد.

المقاييس المهمة (كيفية تقييم الجودة)

بمجرد تحديد النطاق، يجب على المهندسين الاعتماد على مقاييس محددة وقابلة للقياس الكمي للحكم على نجاح الملف الحراري.

يوضح الجدول التالي نقاط البيانات الهامة المطلوبة لتحديد الملف الحراري للوحات ذات الكتلة العالية.

المقياس	لماذا هو مهم	النطاق النموذجي / العوامل	كيفية القياس
وقت النقع	يسمح لقلب لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) بالوصول إلى درجة حرارة السطح.	60-120 ثانية (أطول للكتلة الأعلى).	الوقت المستغرق بين تنشيط التدفق وبدء إعادة التدفق (عادةً 150 درجة مئوية - 200 درجة مئوية).
معدل الارتفاع (صعودًا)	يتحكم في الصدمة الحرارية وتبخر التدفق.	0.5 درجة مئوية إلى 2.0 درجة مئوية في الثانية. أبطأ للسيراميك.	ميل منحنى درجة الحرارة خلال مرحلة التسخين.
الوقت فوق نقطة السيولة (TAL)	يحدد جودة الرابطة المعدنية البينية.	45-90 ثانية. غالبًا ما تحتاج اللوحات ذات الكتلة العالية إلى الحد الأعلى.	الوقت الذي تظل فيه وصلة اللحام فوق نقطة انصهار السبيكة (مثل 217 درجة مئوية لـ SAC305).
درجة الحرارة القصوى	يضمن التبلل الكامل دون تلف المكونات.	235 درجة مئوية - 250 درجة مئوية.	أقصى درجة حرارة سجلها أي مستشعر حراري (ثيرموكوبل).
دلتا T (ΔT)	يشير إلى التجانس الحراري عبر اللوحة.	أقل من 10 درجات مئوية مثالي؛ أقل من 15 درجة مئوية مقبول للكتل العالية جدًا.	الفرق بين أحر وأبرد مستشعر حراري عند ذروة إعادة التدفق.
ميل التبريد	يؤثر على التركيب الحبيبي لوصلة اللحام.	2 درجة مئوية إلى 4 درجات مئوية في الثانية.	ميل المنحنى بعد درجة الحرارة القصوى.

إرشادات الاختيار حسب السيناريو (المقايضات)

مع تحديد المقاييس، يجب عليك تكييف استراتيجيتك بناءً على البناء الفيزيائي المحدد للوحة الدوائر المطبوعة (PCB).

تتطلب التصميمات المختلفة ذات الكتلة العالية مقايضات مختلفة. فيما يلي سيناريوهات شائعة تواجهها APTPCB.

1. لوحات الطاقة النحاسية الثقيلة (4 أوقية+)

التحدي: تمتص الطبقات الداخلية كميات هائلة من الحرارة.
المقايضة: تحتاج إلى وقت نقع طويل جدًا.
المخاطرة: قد ينفد التدفق (يجف) قبل إعادة التدفق إذا كان وقت النقع طويلاً جدًا.
الحل: استخدم معجون لحام بفلوريد عالي النشاط مصمم لملفات تعريف ممتدة.

2. لوحات الدوائر المطبوعة ذات القلب المعدني (MCPCB)

التحدي: تبدد الطبقة الخلفية من الألومنيوم أو النحاس الحرارة بسرعة.
المقايضة: يتطلب إدخال طاقة عالية ولكن سرعة الناقل السريعة غالبًا ما تكون مستحيلة.
المخاطرة: تعمل اللوحة كمبرد، مما يبرد اللحام قبل أن يتبلل.
الحل: التسخين من الجانب السفلي أمر بالغ الأهمية. تأكد من أن لوحة الدوائر المطبوعة ذات القلب المعدني لا تلامس قضبان الناقل مباشرة إذا كانت تعمل كمشتتات حرارة.

3. الركائز الخزفية

التحدي: السيراميك هش وحساس للصدمات الحرارية.
المقايضة: يتطلب إعادة التدفق والملف الحراري للسيراميك معدل ارتفاع بطيء جدًا (<1 درجة مئوية/ثانية).
المخاطرة: تشقق الركيزة أو رفع الوسادات.
الحل: قم بتمديد طول الملف الإجمالي بشكل كبير. تجنب التبريد السريع.

4. اللوحات الخلفية الكبيرة

التحدي: تسبب المساحة السطحية الهائلة تسخينًا غير متساوٍ (تظليل).
مفاضلة: سرعة الهواء العالية تساعد على نقل الحرارة ولكن يمكن أن تحرك المكونات الخفيفة.
مخاطرة: فرق درجة حرارة (Delta T) عالٍ بين مركز اللوحة وحوافها.
حل: خفض سرعة الناقل للسماح بالتشبع الحراري.

5. تقنية مختلطة (كتلة عالية + مكونات صغيرة)

تحدي: لحام مشتت حراري ثقيل بجانب مقاومة 0201.
مفاضلة: ستسخن المقاومة 0201 بشكل زائد قبل أن يصبح المشتت الحراري جاهزًا.
مخاطرة: ظاهرة "التومبستونينغ" (Tombstoning) للأجزاء الصغيرة أو احتراق الموصلات البلاستيكية.
حل: استخدم لحام الطور البخاري (vapor phase soldering) أو اللحام الانتقائي (selective soldering) بدلاً من إعادة التدفق الحراري بالحمل الحراري القياسي إذا كان فرق درجة الحرارة (Delta T) غير قابل للإدارة.

6. الفضاء الجوي عالي الموثوقية

تحدي: عدم التسامح مطلقًا مع الفراغات (voiding).
مفاضلة: إعادة التدفق بالمكنسة الكهربائية (vacuum reflow) يقلل الفراغات ولكنه يضيف وقتًا للدورة.
مخاطرة: مواد متطايرة محاصرة في اللوحات السميكة.
حل: تحسين النقع قبل إعادة التدفق لضمان إطلاق الغازات المتطايرة بالكامل.

من التصميم إلى التصنيع (نقاط فحص التنفيذ)

بعد اختيار الاستراتيجية الصحيحة لسيناريوك، يجب عليك تنفيذ عملية التنميط بشكل منهجي.

اتبع نقاط الفحص هذه لتطبيق التنميط الحراري للوحات ذات الكتلة العالية على خط الإنتاج.

تثبيت المزدوج الحراري (Thermocouple): لا تستخدم شريط كابتون (Kapton tape) وحده. استخدم لحامًا عالي الحرارة أو إيبوكسي موصلًا لتثبيت المزدوجات الحرارية على وصلات اللحام الفعلية للمكونات الأثقل.
فحص قدرة الفرن: تحقق من أن فرن إعادة التدفق الخاص بك يحتوي على مناطق تسخين كافية (8 كحد أدنى، ويفضل 10+) للتحكم في مرحلة النقع بدقة.
التنظيف وتحضير السطح: يتأكسد النحاس الثقيل بسهولة. يعد التنظيف وتحضير السطح المناسبان أمرًا حيويًا. تأكد من أن الفوط خالية من الأكاسيد للسماح للحام بالتبلل بسرعة، مما يقلل من الطلب الحراري.
تعديل منطقة النقع: اضبط ملف تعريف نقع "مسطح" (على سبيل المثال، الحفاظ على درجة حرارة 180 درجة مئوية لمدة 90 ثانية) للسماح لطبقات النحاس الثقيل بالوصول إلى التوازن مع مكونات السطح.
سرعة الناقل: ابدأ بسرعة أبطأ. تحتاج اللوحات ذات الكتلة العالية إلى "وقت في المنطقة" لامتصاص الطاقة.
بيئة النيتروجين: بالنسبة لـ لوحات الدوائر المطبوعة النحاسية الثقيلة، استخدم إعادة التدفق بالنيتروجين (N2). إنه يحسن التبلل ويوسع نافذة العملية، مما يسمح بدرجات حرارة ذروة أقل قليلاً.
إدارة منحدر التبريد: تحتفظ اللوحات ذات الكتلة العالية بالحرارة. إذا تم تبريدها ببطء شديد، تصبح حبيبات اللحام خشنة (هشة). إذا تم تبريدها بسرعة كبيرة، تتشوه اللوحة. اهدف إلى تبريد متحكم فيه.
فحص المقال الأول (FAI): قم بتشغيل "لوحة ذهبية" مزودة بمزدوجات حرارية. لا تعتمد على المحاكاة وحدها.
التحقق بالأشعة السينية: استخدم فحص الأشعة السينية للتحقق من امتلاء البرميل في الأجزاء ذات الفتحات ووجود فراغات تحت BGAs أو QFNs الكبيرة.
التقطيع العرضي: للتشغيلات الحرجة، قم بإجراء اختبارات تدميرية (تقطيع عرضي) للتحقق من سمك المركب المعدني البيني (IMC).

أخطاء شائعة (والنهج الصحيح)

حتى مع وجود قائمة مرجعية، غالبًا ما يقع المهندسون في فخاخ تعرض موثوقية التجميعات ذات الكتلة العالية للخطر.

تجنب هذه الأخطاء المتكررة عند تحديد ملفك الحراري.

التسخين السريع جدًا:
- الخطأ: زيادة الحرارة بسرعة لتوفير الوقت.
- النتيجة: الصدمة الحرارية تلحق الضرر بالمكثفات السيراميكية؛ وتطاير المذيبات يسبب كرات اللحام.
- التصحيح: حافظ على منحنى التسخين المسبق أقل من 2 درجة مئوية/ثانية.
قياس الهواء بدلاً من الكتلة:
- الخطأ: وضع المزدوجات الحرارية (thermocouples) معلقة في الهواء أو على حافة لوحة الدوائر المطبوعة (PCB).
- النتيجة: يبدو الملف جيدًا، لكن مركز اللوحة بارد.
- التصحيح: قم بتضمين المزدوجات الحرارية في مستوى الأرض المركزي أو تحت أكبر BGA.
وقت النقع غير الكافي:
- الخطأ: استخدام ملف "خيمة" قياسي (منحنى خطي إلى الذروة).
- النتيجة: فرق درجة حرارة (Delta T) عالٍ. الأجزاء الصغيرة تنصهر، والأجزاء الثقيلة تؤدي إلى لحام بارد.
- التصحيح: استخدم ملفًا شبه منحرف مع هضبة نقع مميزة.
تجاهل مواصفات المكونات:
- الخطأ: تجاوز الحد الأقصى لدرجة الحرارة المقدرة للموصلات لإذابة اللحام على اللوحة الثقيلة.
- النتيجة: أجسام بلاستيكية ذائبة أو قوالب داخلية تالفة.
- التصحيح: استخدم دروعًا حرارية أو مثبتات لحماية المكونات الحساسة.
إهمال التبريد:
- الخطأ: ترك اللوحة الثقيلة تخرج من الفرن وهي ساخنة.
النتيجة: تبقى وصلات اللحام سائلة أثناء تحرك اللوحة، مما يسبب وصلات مضطربة.
التصحيح: تأكد من أن ناقل الخروج يحتوي على مراوح تبريد كافية أو قم بتوسيع منطقة التبريد.
إعادة استخدام الملفات التعريفية القياسية:
- الخطأ: تطبيق ملف تعريف FR4 قياسي على لوحة PCB خزفية.
- النتيجة: كسر الركيزة بسبب عدم تطابق التمدد الحراري.
- التصحيح: قم بإنشاء ملف تعريف مخصص من البداية لكل NPI ذي كتلة عالية.

الأسئلة الشائعة

تتناول هذه الأسئلة الفروق الدقيقة المحددة التي غالبًا ما تنشأ أثناء تحديد ملفات تعريف اللوحات الثقيلة.

1. ما هو أقصى دلتا T مقبول للوحات ذات الكتلة العالية؟ من الناحية المثالية، حافظ عليها أقل من 10 درجات مئوية. ومع ذلك، بالنسبة للوحات النحاسية الثقيلة للغاية، غالبًا ما يتم قبول ما يصل إلى 15 درجة مئوية، بشرط أن تصل الوصلة الأكثر برودة إلى نقطة الانصهار (liquidus) وأن يظل المكون الأكثر سخونة آمنًا.

2. لماذا يوصى بالنيتروجين (N2) لتحديد ملفات تعريف الكتلة العالية؟ يمنع النيتروجين الأكسدة أثناء أوقات النقع وإعادة التدفق الطويلة المطلوبة لهذه اللوحات. إنه يحسن قوى التبلل، مما يسمح للحام بالتدفق بشكل أفضل حتى لو كانت درجة الحرارة أقل قليلاً.

3. كيف أقوم بتحديد ملف تعريف لوحة ذات قلب ألومنيوم سميك؟ يجب أن تأخذ في الاعتبار فقدان الحرارة السريع. غالبًا ما تتطلب هذه اللوحات درجات حرارة منطقة أعلى من FR4. تأكد من تثبيت المزدوجة الحرارية (thermocouple) بإحكام على قاعدة الألومنيوم لمراقبة تأخر درجة حرارتها.

4. هل يمكنني استخدام لحام الموجة للوحات ذات الكتلة العالية؟ نعم، لكن التسخين المسبق حاسم. يجب أن تدخل اللوحة الموجة وهي ساخنة (110 درجة مئوية - 130 درجة مئوية من الجانب العلوي) لمنع الصدمة الحرارية وضمان تدفق اللحام عبر الأسطوانة.

5. كيف يختلف "إعادة التدفق والملف الحراري للسيراميك" عن FR4؟ يتميز السيراميك بتمدد حراري أقل ولكنه هش. يجب أن تكون معدلات الارتفاع والانخفاض في درجة الحرارة أبطأ بكثير لمنع تشقق السيراميك بسبب الإجهاد الحراري.

6. ماذا لو احترق تدفقي قبل إعادة التدفق؟ يحدث هذا إذا كانت فترة النقع طويلة جدًا أو ساخنة جدًا. انتقل إلى معجون لحام بتركيبة تدفق "عالية الكتلة" أو "مضادة للترهل" مصممة للملفات الشخصية الممتدة.

7. كم عدد المزدوجات الحرارية التي يجب أن أستخدمها؟ بالنسبة لـ NPI عالي الكتلة، استخدم 5 إلى 7 على الأقل. ضعها على: الحافة الأمامية، الحافة الخلفية، المركز، المكون الأثقل، المكون الأخف، وركيزة لوحة الدوائر المطبوعة نفسها.

8. ما هو دور "التنظيف وتحضير السطح" في تحديد الملف الشخصي؟ تتطلب الفوط المتسخة المزيد من الطاقة الحرارية للترطيب. من خلال ضمان الأسطح النظيفة، فإنك تقلل من حاجز الترطيب، مما يجعل الملف الحراري أكثر فعالية عند درجات الحرارة القياسية.

مسرد المصطلحات (المصطلحات الرئيسية)

للتواصل بفعالية مع مصنع التجميع الخاص بك، تعرف على هذه المصطلحات الفنية.

المصطلح	التعريف
الكتلة الحرارية	قدرة المادة (أو لوحة الدوائر المطبوعة) على امتصاص وتخزين الطاقة الحرارية.
منطقة النقع	الجزء من ملف إعادة التدفق حيث يتم الحفاظ على درجة الحرارة ثابتة لمعادلة اللوحة.
درجة حرارة السيولة	درجة الحرارة التي يصبح عندها سبيكة اللحام سائلة بالكامل (على سبيل المثال، 217 درجة مئوية لـ SAC305).
دلتا تي (ΔT)	أقصى فرق في درجة الحرارة بين أي نقطتين على لوحة الدوائر المطبوعة في وقت معين.
التبلل	قدرة اللحام المنصهر على الانتشار والالتصاق بالوسادة المعدنية.
وصلة لحام باردة	عيب حيث لم يذوب اللحام بالكامل أو لم يبلل الوسادة، غالبًا بسبب عدم كفاية الحرارة.
تأثير الشاهدة	عيب حيث يقف المكون على أحد طرفيه بسبب قوى التبلل غير المتساوية.
صدمة حرارية	ضرر ناتج عن تغير سريع في درجة الحرارة (معدل الارتفاع مرتفع جدًا).
يوتكتي	تركيبة سبيكة تنصهر عند درجة حرارة واحدة ومحددة.
تنشيط التدفق	نطاق درجة الحرارة الذي يقوم فيه التدفق بتنظيف الأكاسيد من الأسطح المعدنية.
تكون الفراغات	جيوب هوائية أو غازية محاصرة داخل وصلة اللحام المتصلبة.
مزدوج حراري	مستشعر يستخدم لقياس درجة الحرارة في نقاط محددة على لوحة الدوائر المطبوعة.

الخلاصة (الخطوات التالية)

تحديد الملف الحراري للوحات ذات الكتلة العالية ليس مجرد إعداد آلة؛ بل هو تخصص هندسي يوازن بين الفيزياء والكيمياء وعلوم المواد. يتطلب التجميع الناجح للوحات النحاس الثقيل، أو اللوحات ذات القلب المعدني، أو اللوحات متعددة الطبقات المعقدة، الابتعاد عن إجراءات التشغيل القياسية. يتطلب ذلك أوقات نقع ممتدة، وإدارة دقيقة لـ Delta T، وتحققًا صارمًا من خلال الأشعة السينية والتقطيع العرضي. إذا كنت تصمم جهازًا عالي الطاقة أو عالي الموثوقية، فإن التعاون المبكر مع الشركة المصنعة أمر ضروري. عند طلب عرض أسعار أو مراجعة DFM (التصميم للتصنيع) من APTPCB، يرجى تقديم:

ملفات Gerber تشير إلى أوزان النحاس (الطبقات الداخلية والخارجية).
تفاصيل التراص (سمك اللب، أنواع المواد اللاصقة المسبقة).
ورقة بيانات المكونات لأي أجزاء كبيرة أو حساسة للحرارة.
متطلبات اختبار محددة (مثل، IPC Class 3، حدود نسبة الفراغات).

من خلال معالجة التحديات الحرارية للتصاميم ذات الكتلة العالية مقدمًا، فإنك تضمن عملية تصنيع قوية ومنتجًا نهائيًا موثوقًا به.