اللحام على لوحات الدوائر المطبوعة السيراميكية

النقاط الرئيسية

الإدارة الحرارية حاسمة: تبدد الركائز الخزفية (الألومينا، نيتريد الألومنيوم) الحرارة بسرعة، مما يتطلب مدخلات طاقة أعلى أثناء اللحام مقارنة بـ FR4.
تحسين الملف الشخصي: من الضروري وجود ملف حراري وإعادة تدفق متخصص للسيراميك لمنع الصدمة الحرارية وضمان التبلل المناسب.
الانتهاء السطحي مهم: يؤثر اختيار الطلاء (ENIG, EPEP, Ag) بشكل مباشر على تكوين المركبات المعدنية البينية وموثوقية الوصلة.
عدم تطابق معامل التمدد الحراري (CTE): يحتوي السيراميك على معامل تمدد حراري (CTE) منخفض؛ يجب أن تستوعب سبائك اللحام الإجهاد بين المكون واللوحة.
التحكم في الفراغات: تطبيقات الطاقة العالية على السيراميك حساسة لفراغات اللحام؛ فحص الأشعة السينية هو خطوة تحقق إلزامية.
قيود إعادة العمل: إعادة عمل لوحات الدوائر المطبوعة الخزفية (PCBs) أمر صعب بسبب الموصلية الحرارية العالية؛ إنجازها بشكل صحيح من المرة الأولى أمر ضروري.
التحقق من العملية: اختبار القص والدورات الحرارية هي المقاييس الأساسية لتأهيل عملية التجميع.

ماذا يعني اللحام على لوحات الدوائر المطبوعة الخزفية (PCBs) حقًا (النطاق والحدود)

يعد فهم الفيزياء الأساسية للركيزة الخطوة الأولى لإتقان اللحام على لوحات الدوائر المطبوعة السيراميكية (PCB). على عكس لوحات الألياف الزجاجية FR4 القياسية، تُصنع لوحات الدوائر المطبوعة السيراميكية من مواد مثل الألومينا (Al2O3) أو نيتريد الألومنيوم (AlN). تُختار هذه المواد خصيصًا لموصليتها الحرارية الاستثنائية وعزلها الكهربائي. ومع ذلك، فإن هذه الخصائص نفسها تجعل عملية التجميع صعبة. عند تطبيق الحرارة على وسادة لحام على لوحة سيراميكية، تعمل الركيزة كمشتت حراري قوي، وتسحب الطاقة الحرارية بعيدًا عن الوصلة على الفور تقريبًا.

في APTPCB (مصنع APTPCB للوحات الدوائر المطبوعة)، لا نعرّف هذه العملية على أنها مجرد صهر للمعادن، بل على أنها إدارة لتوازن حراري دقيق. يغطي نطاق هذا الدليل تجميع المكونات على ركائز سيراميكية من النحاس المربوط مباشرة (DBC) أو النحاس المطلي مباشرة (DPC). يشمل ذلك تقنية التثبيت السطحي (SMT)، واللحام اليدوي للموصلات المتخصصة، والوصلات البينية ذات الصلة على مستوى الشريحة.

يستثني هذا الدليل تقنيات تجميع FR4 القياسية ما لم تُستخدم للمقارنة. يركز بشكل كبير على قطاعات الموثوقية العالية مثل وحدات الطاقة للسيارات، وأجهزة استشعار الفضاء الجوي، ومصفوفات LED عالية الطاقة. يتطلب التنفيذ الناجح رؤية شاملة تدمج علم المواد مع تحديد دقيق للملامح الحرارية.

المقاييس المهمة (كيفية تقييم الجودة)

بمجرد تحديد النطاق، يجب على المهندسين وضع مقاييس قابلة للقياس الكمي للحكم على نجاح عملية اللحام.

المقياس	الأهمية	النطاق النموذجي أو العوامل المؤثرة	كيفية القياس
قوة القص	تحدد السلامة الميكانيكية للمفصل ضد الإجهاد الفيزيائي.	> 1.5 كجم/مم² (تختلف حسب حجم المكون).	جهاز اختبار قص القوالب أو اختبار الدفع.
نسبة الفراغات	تقلل الجيوب الهوائية من انتقال الحرارة والقوة الميكانيكية.	< 5% للطاقة العالية؛ < 25% للفئة العامة IPC Class 2.	فحص بالأشعة السينية (2D أو 3D CT).
زاوية التبلل	يشير إلى مدى انتشار اللحام على سطح الوسادة.	< 90° يشير إلى تبلل جيد؛ < 60° مثالي.	الفحص البصري (AOI) أو التقطيع العرضي.
سمك الطبقة البينية المعدنية	طبقة IMC رقيقة تثبت الترابط الكيميائي؛ السميكة جدًا تسبب الهشاشة.	1 ميكرومتر – 4 ميكرومتر هو النطاق المستهدف العام.	تحليل المقطع العرضي باستخدام SEM.
الموصلية الحرارية	يضمن أن واجهة اللحام ليست عنق زجاجة حراريًا.	50–60 واط/م كلفن (SAC305) مقابل 24 واط/م كلفن (SnPb).	طريقة الوميض الليزري أو جهاز اختبار العابر الحراري.
النظافة (الأيونية)	يمكن أن تسبب بقايا التدفق التآكل أو تيارات التسرب.	< 1.56 ميكروجرام/سم² مكافئ كلوريد الصوديوم.	اختبار ROSE (مقاومة مستخلص المذيب).
تكوير اللحام	يشير إلى ملف تعريف إعادة تدفق غير صحيح أو أكسدة المعجون.	0 كرات مسموح بها وفقًا لمعايير IPC Class 3.	الفحص البصري (تكبير 10x-40x).

إرشادات الاختيار حسب السيناريو (المقايضات)

توفر المقاييس البيانات، لكن سياق التطبيق يحدد التنازلات المقبولة عند إجراء اللحام على لوحات الدوائر المطبوعة السيراميكية (PCB).

السيناريو 1: مصفوفات LED عالية الطاقة

الأولوية: النقل الحراري.
المفاضلة: استخدام سبائك لحام عالية الأداء (مثل AuSn) التي تكون باهظة الثمن وأصعب في المعالجة، بدلاً من SAC305 القياسية.
الإرشادات: تقليل الفراغات بدقة. حتى الفراغات الصغيرة تخلق نقاطًا ساخنة تدمر مصابيح LED.

السيناريو 2: وحدات الطاقة للسيارات (IGBTs)

الأولوية: موثوقية الدورة الحرارية.
المفاضلة: استخدام معجون التلبيد بدلاً من اللحام التقليدي. يوفر التلبيد موثوقية فائقة ولكنه يتطلب ضغطًا عاليًا ومعدات متخصصة.
الإرشادات: التركيز على عدم تطابق معامل التمدد الحراري (CTE) بين قالب السيليكون الكبير والسيراميك.

السيناريو 3: دوائر الترددات الراديوية/الميكروويف

الأولوية: سلامة الإشارة وفقدان منخفض.
المفاضلة: استخدام ربط الأسلاك على السيراميك بدلاً من اللحام لمسار الإشارة الرئيسي لتقليل الحث.
الإرشادات: يقتصر اللحام على المستويات الأرضية وخطوط التحيز للتيار المستمر. الطلاء بالذهب إلزامي.

السيناريو 4: مستشعرات الفضاء الجوي (بيئة قاسية)

الأولوية: مقاومة الاهتزاز.
المفاضلة: استخدام لحامات قائمة على الرصاص (نقطة انصهار عالية) إذا كانت معفاة، أو سبائك الإنديوم المتخصصة للمرونة.
الإرشادات: قد يتطلب الأمر استخدام مادة التعبئة السفلية (underfill) لدعم المكونات الثقيلة ضد الاهتزاز، مما يضيف خطوات إلى العملية.

السيناريو 5: الأجهزة الطبية القابلة للزرع

الأولوية: التوافق الحيوي والتصغير.
المقايضة: تثبيت القالب على الركائز الخزفية باستخدام الإيبوكسي الموصل بدلاً من اللحام لتجنب بقايا التدفق تمامًا.
الإرشاد: النظافة هي الأولوية القصوى المطلقة؛ نادرًا ما يكون التدفق "بدون تنظيف" مقبولاً.

السيناريو 6: محولات الجهد العالي

الأولوية: العزل الكهربائي ومسافة الزحف.
المقايضة: تباعد أكبر بين الوسادات لمنع حدوث تقوس، مما يزيد من حجم اللوحة.
الإرشاد: يجب أن تكون حشوات اللحام ناعمة لتجنب "النقاط" التي تركز المجالات الكهربائية.

من التصميم إلى التصنيع (نقاط فحص التنفيذ)

مع اختيار السيناريو، يتحول التركيز إلى التنفيذ خطوة بخطوة لعملية التجميع.

1. تحسين تصميم الوسادة

التوصية: استخدام وسادات NSMD (Non-Solder Mask Defined) لتحسين التصاق النحاس.
المخاطر: يمكن أن ترتفع الوسادات الخزفية إذا كانت قوة ربط النحاس منخفضة.
القبول: فحص بصري لملفات Gerber مقابل إرشادات DFM.

2. اختيار التشطيب السطحي

التوصية: ENIG (النيكل الكيميائي بالذهب الغاطس) أو EPEP (البلاديوم الكيميائي).
المخاطر: متلازمة الوسادة السوداء مع ENIG الضعيف؛ الأكسدة مع OSP.
القبول: قياس سمك الذهب بواسطة XRF.

3. تصميم الاستنسل

التوصية: استخدام استنسلات مشكلة كهربائيًا بسمك 100 ميكرومتر إلى 120 ميكرومتر.
المخاطر: الكثير من المعجون يؤدي إلى الجسور؛ القليل جدًا يؤدي إلى وصلات مفتوحة.
القبول: قياس حجم SPI (فحص معجون اللحام).

4. اختيار معجون اللحام

التوصية: استخدم مسحوق من النوع 4 أو النوع 5 للمسافات الدقيقة؛ ضع في اعتبارك سبائك مقاومة لظاهرة "tombstoning".
المخاطرة: قد لا تتم طباعة جزيئات المسحوق الكبيرة بشكل جيد على الفوط الخزفية الصغيرة.
القبول: فحص اللزوجة واختبار جودة الطباعة.

5. وضع المكونات

التوصية: قلل ضغط الوضع. السيراميك هش.
المخاطرة: تشقق الركيزة أو المكون أثناء الوضع.
القبول: فحص بصري للشقوق الدقيقة.

6. الفحص قبل إعادة التدفق (Pre-Reflow)

التوصية: الفحص البصري الآلي (AOI) قبل الفرن.
المخاطرة: تحرك المكونات على السطح الخزفي الزلق.
القبول: التحقق من دقة الموضع.

7. تحديد ملف إعادة التدفق (Reflow Profiling)

التوصية: تطوير ملف إعادة تدفق وحراري مخصص للسيراميك. تمديد منطقة النقع (60-90 ثانية) للسماح لكتلة السيراميك بالتسخين.
المخاطرة: صدمة حرارية تؤدي إلى تشقق السيراميك إذا كان معدل الارتفاع > 2 درجة مئوية/ثانية.
القبول: تحديد الملف الحراري باستخدام المزدوجات الحرارية على لوحة حية.

8. مرحلة التبريد

التوصية: تبريد متحكم فيه (< 3 درجات مئوية/ثانية).
المخاطرة: التبريد السريع يسبب تشققات إجهاد CTE في وصلة اللحام.
القبول: فحص بصري لهيكل الحبيبات (لامع مقابل باهت).

9. تنظيف التدفق (Flux Cleaning)

التوصية: تنظيف مائي متواصل باستخدام مواد صابونية.
المخاطر: التدفق المحبوس تحت المكونات منخفضة الارتفاع يسبب التسرب.
القبول: اختبار التلوث الأيوني.

10. التحقق بالأشعة السينية

التوصية: فحص 100% بالأشعة السينية لمكونات الطاقة.
المخاطر: الفراغات المخفية التي تسبب الفشل في الميدان.
القبول: حساب نسبة الفراغات (الهدف < 5%).

11. ربط الأسلاك (إذا كان قابلاً للتطبيق)

التوصية: إذا كنت تستخدم ربط الأسلاك على السيراميك، فتأكد من أن خشونة السطح أقل من 0.5 ميكرومتر.
المخاطر: رفع الرابطة بسبب السطح الخشن أو التلوث.
القبول: اختبار سحب السلك.

12. الاختبار الوظيفي النهائي

التوصية: الاختبار عند درجة حرارة التشغيل.
المخاطر: قد تفشل الوصلات التي تجتاز الاختبار في درجة حرارة الغرفة عندما يسخن السيراميك.
القبول: معايير وظيفية للنجاح/الفشل.

الأخطاء الشائعة (والنهج الصحيح)

حتى مع وجود قائمة مرجعية، غالبًا ما يواجه المهندسون مآزق محددة عند إجراء اللحام على لوحات الدوائر المطبوعة السيراميكية.

1. معاملة السيراميك مثل FR4

الخطأ: استخدام ملف تعريف إعادة التدفق القياسي لـ FR4.
النتيجة: وصلات لحام باردة لأن السيراميك يمتص الحرارة المخصصة للحام.
التصحيح: زيادة وقت النقع ومدة ذروة درجة الحرارة.

2. تجاهل الصدمة الحرارية

الخطأ: رفع درجة الحرارة بسرعة كبيرة (> 3 درجات مئوية/ثانية).
النتيجة: يتشقق الركيزة السيراميكية بسبب التمدد غير المتكافئ.
التصحيح: الالتزام الصارم بملف تعريف رفع بطيء.

3. الاستخدام المفرط للتدفق

خطأ: إضافة تدفق سائل إضافي أثناء إعادة العمل اليدوية.
النتيجة: ينحصر التدفق تحت المكونات ولا يمكن تنظيفه، مما يؤدي إلى التآكل.
التصحيح: استخدم سلك لحام محشو بالتدفق وأقل قدر ممكن من التدفق الخارجي؛ نظف فورًا.

4. طرف مكواة اللحام الخاطئ لإعادة العمل

خطأ: استخدام طرف رفيع للحام اليدوي على مستوى أرضي سيراميكي كبير.
النتيجة: يلتصق الطرف باللوحة؛ ولا يذوب اللحام أبدًا.
التصحيح: استخدم طرف إزميل كبير ولوحة تسخين مسبق مضبوطة على 100 درجة مئوية - 120 درجة مئوية.

5. إهمال عدم تطابق معامل التمدد الحراري (CTE)

خطأ: لحام مكونات سيراميكية كبيرة على لوحة سيراميكية بدون أطراف مرنة.
النتيجة: إجهاد اللحام وتشققه بعد الدورات الحرارية.
التصحيح: استخدم وصلات بينية مرنة أو سبائك عالية الموثوقية.

6. سوء تخزين الركائز

خطأ: ترك لوحات الدوائر المطبوعة السيراميكية (PCBs) معرضة للهواء لأسابيع.
النتيجة: أكسدة النحاس/الطلاء، مما يؤدي إلى عدم التبلل.
التصحيح: تخزينها في أكياس محكمة الغلق بالمكنسة الكهربائية مع مادة مجففة؛ خبزها قبل الاستخدام إذا لزم الأمر.

7. التغاضي عن الفراغات في تثبيت الشريحة

خطأ: افتراض أن الطباعة القياسية بالاستنسل كافية لـ تثبيت الشريحة على الركائز السيراميكية.
النتيجة: ارتفاع درجة حرارة الشريحة بسبب ضعف الواجهة الحرارية.
التصحيح: استخدم لحام إعادة التدفق بالمكنسة الكهربائية لإزالة الفراغات.

8. التسخين المسبق غير الكافي

خطأ: لمس لوحة سيراميكية باردة بمكواة لحام بدرجة حرارة 350 درجة مئوية.
النتيجة: تشققات دقيقة موضعية في مادة السيراميك.
تصحيح: قم دائمًا بتسخين التجميع بأكمله مسبقًا قبل اللحام الموضعي.

الأسئلة الشائعة

تساعد الإجابة على الأسئلة الأكثر شيوعًا في توضيح الفروق الدقيقة للأخطاء المذكورة أعلاه.

س1: هل يمكنني استخدام مكواة لحام قياسية للوحات الدوائر المطبوعة الخزفية؟ نعم، ولكنك ستحتاج بالتأكيد تقريبًا إلى سخان مسبق من الجانب السفلي. يتبدد الحرارة من السيراميك بسرعة كبيرة بحيث لا تستطيع مكواة اللحام القياسية وحدها الحفاظ على درجة حرارة الانصهار دون إتلاف الطرف أو اللوحة.

س2: ما هي أفضل سبيكة لحام للوحات الدوائر المطبوعة الخزفية؟ SAC305 (Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5) هو المعيار الصناعي للحام الخالي من الرصاص. لزيادة الموثوقية في الدورات الحرارية القاسية، تُستخدم أحيانًا سبائك تحتوي على الإنديوم أو الأنتيمون (مثل SnSb) لتحسين الليونة.

س3: لماذا تبدو لحاماتي محببة على السيراميك؟ يشير هذا غالبًا إلى "وصلة باردة" حيث كانت الحرارة غير كافية، أو كان التبريد بطيئًا جدًا، مما يسمح بتكوين هياكل حبيبية كبيرة. يمكن أن ينتج أيضًا عن الأكسدة إذا احترق التدفق بسرعة كبيرة.

س4: هل الترابط السلكي (wire bonding) أفضل من اللحام للسيراميك؟ يُعد الترابط السلكي على السيراميك متفوقًا لتطبيقات الترددات اللاسلكية عالية التردد ووصلات الرقائق العارية لأنه يزيل حث الأسلاك. ومع ذلك، فإن اللحام أكثر قوة للموصلات الميكانيكية ومكونات الطاقة الثقيلة.

س5: كيف أمنع السيراميك من التشقق أثناء إعادة التدفق؟ تحكم في معدل الارتفاع الحراري. حافظ على زيادة درجة الحرارة أقل من 2 درجة مئوية في الثانية. تأكد من التحكم في مرحلة التبريد بنفس القدر. س6: هل يمكنني غسل لوحات الدوائر المطبوعة السيراميكية بالماء؟ نعم، بشرط أن تكون المكونات قابلة للغسل. السيراميك نفسه غير منفذ للماء، ولكن يجب التأكد من أن عملية التجفيف شاملة لأن السيراميك يمكن أن يحتفظ بالحرارة، مما يسبب بقع الماء إذا لم يتم تجفيفه بسكاكين الهواء.

س7: ما الفرق بين DBC و DPC للحام؟ DBC (النحاس المربوط مباشرة) يحتوي على نحاس أكثر سمكًا وهو أفضل لإلكترونيات الطاقة. DPC (النحاس المطلي مباشرة) يتميز بخصائص أرق وأكثر دقة. يعتبر DPC أسهل بشكل عام في لحام المكونات ذات الخطوة الدقيقة، بينما يتطلب DBC طاقة حرارية أكبر.

س8: لماذا تعتبر الفراغات أكثر خطورة على السيراميك من FR4؟ يستخدم السيراميك خصيصًا للحرارة العالية. إذا سد فراغ مسار الحرارة، فإن المكون يسخن بشكل أسرع بكثير مما لو كان على لوحة FR4 ذات طاقة أقل. هامش الخطأ أصغر.

س9: هل أحتاج إلى تدفق خاص للسيراميك؟ تعمل التدفقات القياسية التي لا تحتاج إلى تنظيف أو القابلة للذوبان في الماء، ولكن يجب تنشيطها في درجة الحرارة الصحيحة. نظرًا لأن ملفات تعريف السيراميك أطول، فأنت بحاجة إلى تدفق لا "يحترق" قبل ذروة إعادة التدفق.

س10: كيف تتعامل APTPCB مع تجميع السيراميك؟ تستخدم APTPCB أفران إعادة التدفق الفراغية ومعدات فحص متخصصة مصممة خصيصًا للركائز السيراميكية لضمان وصلات خالية من الفراغات وسلامة هيكلية.

للمساعدة بشكل أكبر في مشروعك، استخدم هذه الموارد من نظامنا البيئي.

خدمات تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) – استكشف قدراتنا في تصنيع لوحات الألومينا ونيتريد الألومنيوم.
مواد Rogers للوحات الدوائر المطبوعة (PCB) – قارن الخيارات الخزفية مع الرقائق عالية التردد.
إرشادات DFM – قم بتنزيل قواعد التصميم لضمان قابلية تصنيع تصميمك الخزفي.
احصل على عرض سعر – أرسل ملفات Gerber الخاصة بك لتحليل تكلفة مفصل.

مسرد المصطلحات (المصطلحات الرئيسية)

التعريفات حاسمة لضمان التواصل الواضح بين المصممين والمصنعين.

المصطلح	التعريف
Al2O3 (الألومينا)	المادة الأكثر شيوعًا للركائز الخزفية، وتوفر توصيلًا حراريًا جيدًا وتكلفة منخفضة.
AlN (نيتريد الألومنيوم)	ركيزة خزفية عالية الأداء ذات توصيل حراري أعلى 7-8 مرات من الألومينا.
CTE (معامل التمدد الحراري)	المعدل الذي تتمدد به المادة عند تسخينها. تتميز السيراميك بمعامل تمدد حراري منخفض، يتطابق مع السيليكون.
DBC (النحاس المربوط مباشرة)	عملية يتم فيها ربط النحاس بالسيراميك عند درجات حرارة عالية؛ مثالية للتيار العالي.
DPC (النحاس المطلي مباشرة)	عملية رش وتصفيح للسيراميك، تسمح بخطوط وفتحات دقيقة.
لحام يوتكتيكي	سبيكة تنصهر وتتجمد عند نقطة حرارة واحدة (مثل Sn63Pb37).
تدفق (Flux)	عامل تنظيف كيميائي يستخدم لإزالة الأكسدة من الأسطح المعدنية أثناء اللحام.
IMC (مركب بين معدني)	الطبقة المتكونة بين اللحام ولوحة النحاس؛ ضرورية للالتصاق ولكنها هشة إذا كانت سميكة جدًا.
ملف تعريف إعادة التدفق	منحنى درجة الحرارة مقابل الزمن المحدد المستخدم في فرن اللحام.
منطقة النقع	الجزء من ملف تعريف إعادة التدفق حيث يتم الحفاظ على درجة الحرارة ثابتة لتسوية الحرارة عبر اللوحة.
تأثير الشاهدة	عيب حيث يقف المكون على أحد طرفيه بسبب قوى التبلل غير المتساوية.
إعادة التدفق الفراغي	عملية لحام تتم في غرفة مفرغة لإزالة الفراغات الغازية من وصلة اللحام.
التبلل	قدرة اللحام المنصهر على الانتشار والالتصاق بسطح صلب.
ربط الأسلاك	طريقة لإنشاء توصيلات بين دائرة متكاملة ولوحة الدوائر المطبوعة باستخدام أسلاك رفيعة.

الخلاصة (الخطوات التالية)

يتطلب الأداء الناجح لـ لحام لوحات الدوائر المطبوعة السيراميكية تحولًا في طريقة التفكير عن تجميع الإلكترونيات القياسي. يتطلب تركيزًا صارمًا على الإدارة الحرارية، وتحديد ملفات تعريف دقيقة، ومقاييس تحقق صارمة. سواء كنت تستخدم ربط الأسلاك على السيراميك لإشارات التردد اللاسلكي أو تدير ملف تعريف إعادة التدفق والحرارة لوحدات الطاقة السيراميكية، يجب أن تحدد فيزياء الركيزة عمليتك. لنقل مشروعك من النموذج الأولي إلى الإنتاج، توصي APTPCB بإعداد حزمة بيانات كاملة. يجب أن تتضمن هذه الحزمة ملفات Gerber الخاصة بك، وتصميم طبقات مفصل يحدد نوع السيراميك (Al2O3 أو AlN)، ومعايير القبول الخاصة بك للفراغات وقوة القص.

هل أنت مستعد للتحقق من صحة تصميمك؟ قم بزيارة صفحة عروض الأسعار الخاصة بنا لبدء عملية المراجعة الهندسية اليوم.