أسطورة "260°C": لماذا تفشل الموصلات عالية الحرارة في إعادة التدفق

أغلى رقم في ورقة بيانات الموصل غالبًا ما يكون تصنيف درجة الحرارة. ترى "260°C لمدة 10 ثوانٍ" وتفترض الأمان. هذا يشير إلى أنه إذا بلغ ذروة ملف إعادة التدفق الخاص بك 245°C، فلديك هامش أمان قدره خمسة عشر درجة.

هذه خرافة خطيرة. هذا التصنيف يضمن فقط أن البلاستيك لن يتحول إلى بركة سائلة على الحزام. لا يعد بأن يبقى الغلاف مسطحًا بما يكفي للحام بشكل صحيح، ولا يأخذ في الاعتبار الصراع الحراري العنيف الذي يحدث بين جسم الموصل ولوحة الدوائر المطبوعة الخاصة بك.

عندما يفشل الموصل في الميدان — أو الأسوأ، في نهاية الخط أثناء اختبار الدائرة — نادرًا ما يكون السبب هو ذوبان البلاستيك. السبب هو أن الغلاف انحنى أو تقوس أو التوى بما يكفي لرفع دبوس عن الوسادة. في عالم الصناعة عالي التنوع، نرى هذا باستمرار: موصل يبدو جديدًا يختبر كـ "مفتوح" لأن الدبابيس المركزية تطفو على بعد عشرة ميكرونات فوق معجون اللحام. لم يذوب المكون، لكنه فشل في فيزياء عملية التجميع. لفهم السبب، يجب تجاهل نقاط التسويق والنظر في الميكانيكا الحرارية للمواد المعنية.

فيزياء لوحة "الموز"

إعادة التدفق ليست مجرد عملية تسخين؛ إنها حدث ميكانيكي ديناميكي. عندما تدخل لوحة الدوائر المطبوعة الفرن، يبدأ ركيزة FR4 في التمدد. مع ارتفاع درجة الحرارة نحو مرحلة السائل من لحام SAC305 (حوالي 217°C)، تنمو اللوحة في محوري X و Y. الموصل الموضوع فوقها يتمدد أيضًا، لكنه بالتأكيد بمعدل مختلف.

هذا هو اختلاف معامل التمدد الحراري (CTE). إذا كان الموصل طويلًا — مثل رأس 100 دبوس أو موصل حافة PCIe — فإن الفرق في التمدد بين الغلاف البلاستيكي ولوحة الألياف الزجاجية يخلق إجهاد قص كبير على وصلات اللحام قبل أن تتصلب حتى.

يظهر هذا الإجهاد في تأثير "الموز". إذا كانت اللوحة رقيقة (0.8 مم أو 1.0 مم) وكان الموصل صلبًا، ستنحني اللوحة لاستيعاب رفض الموصل للتمدد. وعلى العكس، إذا كانت اللوحة سميكة وكان غلاف الموصل مصنوعًا من بلاستيك أقل استقرارًا، سينحني الغلاف لأعلى في الوسط، رافعًا دبابيس الإشارة.

هذا هو السبب الجذري لعيب "الرأس في الوسادة" المخيف. تذوب كرة اللحام ويسخن الدبوس، لكنهما لا يندمجان أبدًا في لحام واحد لأنهما كانا منفصلين ماديًا خلال مرحلة الترطيب الحرجة. يمكنك التحديق في الأشعة السينية طوال اليوم ملامًا فتحة القالب، لكن إذا رفع الغلاف البلاستيكي الدبوس بمقدار 0.15 مم خلال منطقة النقع، فلن يصلح أي تعديل في معجون اللحام الوصلة.

المتغير الخفي: الرطوبة

حتى إذا طابقت معاملات التمدد الحراري (CTEs) تمامًا، يمكن لمتغير صامت أن يدمر التوازي: الماء. البلاستيك الهندسي مثل النايلون (PA66، PA46) والبولي فثالاميد (PPA) يمتص الرطوبة — يحب الماء. إذا تُركت حقيبة الموصلات مفتوحة في مستودع رطب لمدة أسبوع، فإن تلك الأغلفة تمتص الرطوبة من الهواء.

عندما تصل تلك الرطوبة إلى ذروة 240°C في فرن إعادة التدفق الخالي من الرصاص، لا يتبخر الماء داخل البلاستيك فقط؛ بل يتحول فجأة إلى بخار. هذا الضغط الداخلي يبحث عن مخرج، مما يسبب انفجارات دقيقة داخل مصفوفة البوليمر.

في الحالات القصوى، يظهر ذلك على شكل بثور مرئية أو "فرقعة الذرة" على السطح. لكن الفشل الأكثر خفاءً هو تشوه طفيف لا يمكن رؤيته بالعين المجردة. ضغط البخار يشوه السطح المستوي لمقعد الموصل، مما يلتوي بما يكفي لإفساد مواصفة التوازي.

لهذا السبب، الالتزام بمستويات حساسية الرطوبة IPC/JEDEC J-STD-020 (MSL) ليس اختيارياً بالنسبة للموصلات. إذا كنت تستخدم أجزاء مصنوعة من النايلون أو PPA، يجب خبزها إذا تجاوزت فترة حياتها على الأرض. العديد من مصانع التجميع تتخطى هذه الخطوة للموصلات، معتقدة أن تصنيفات MSL تنطبق فقط على رقائق BGA. هذا خطأ، وهذا الافتراض يؤدي إلى خسائر إنتاج "غامضة" تختفي بمجرد تحميل بكرة جديدة وجافة.

تسلسل المواد

في النهاية، تعتمد الموثوقية على الراتنج. ليست كل البلاستيكيات "عالية الحرارة" متساوية، وهنا غالباً ما يخفي ورقة البيانات الحقيقة. السوق مليء بالنايلونات "المعدلة" أو "المملوءة بالزجاج" التي تدعي مقاومة حرارية عالية. بينما قد تصمد في الفرن دون أن تذوب، فإن درجة انتقال الزجاج (Tg) — النقطة التي يتحول فيها المادة من صلب صلب إلى حالة مطاطية ناعمة — قد تكون خطيرة وقريبة جداً من درجات حرارة التشغيل أو إعادة التدفق.

البوليمر الكريستالي السائل (LCP) هو المعيار الذهبي لسبب وجيه. لديه معدل امتصاص رطوبة منخفض بطبيعته، والأهم من ذلك، معامل تمدد حراري (CTE) قريب جداً من النحاس وFR4. يبقى صلباً ومسطحاً حتى خلال ذروة إعادة التدفق. إذا كنت تصمم مسار إشارة حرج أو موصل بدقة دقيقة (أقل من 0.8 مم)، غالباً ما يكون LCP هو الخيار المسؤول الوحيد.

البولي فثالاميد (PPA) هو البديل "الاقتصادي" الشائع. إنه نايلون عالي الحرارة ويؤدي أداءً جيداً هل وهو جاف. ومع ذلك، فإن استقراره البُعدي أقل من LCP، ويعتمد بشكل كبير على ملء الزجاج للصلابة. هو مقبول لرؤوس الطاقة أو الأجزاء ذات الدقة الأكبر، لكنه يقدم مخاطرة في التطبيقات ذات الدقة الدقيقة.

نايلون 46 / 6T: هذه نايلونات عالية الحرارة قديمة. هي قوية ورخيصة لكنها تمتص الرطوبة كالإسفنج. سترى هذه في العديد من نسخ الموصلات العامة. غالباً ما تعتمد على "الملاحظة 3" في ورقة البيانات — قيود صغيرة على عدد دورات إعادة التدفق التي يمكنها تحملها. كن حذراً من المتغيرات "العضوية" لهذه البلاستيكات التي تدخل السوق؛ رغم استدامتها، لا تزال البيانات طويلة الأمد حول استقرارها في دورات صناعية قاسية (الصدمات الحرارية) قيد الكتابة.

فرق التكلفة بين رأس نايلون عام ونسخة LCP قد يكون بنسات. لكن عليك موازنة ذلك مع تكلفة الجودة الرديئة (COPQ). إذا تشوه رأس نايلون وتسبب في معدل خسارة 2% على لوحة $500، فإن تلك البنسات التي وفرتها في قائمة المواد كلفتك آلافاً في الخردة وعمل إعادة العمل.

الدفاعات الميكانيكية

لا يمكنك الاعتماد فقط على وصلة اللحام لمقاومة القوى الميكانيكية. إذا كان الموصل مرتفعاً أو ثقيلاً، فإن العزم الذي يمارسه على وسادات اللحام أثناء الاهتزاز أو التمدد الحراري هائل. الموصلات SMT التي تثبت فقط بواسطة دبابيس الإشارة تشكل خطراً في البيئات الصناعية. تحتاج إلى تثبيتات ميكانيكية — ألسنة معدنية أو أوتاد بلاستيكية تثبت الغلاف على لوحة الدوائر.

هذا صحيح بشكل خاص إذا كنت تحاول عملية Pin-in-Paste (إعادة تدفق تدخلية)، حيث يتم إعادة تدفق الموصلات ذات الثقوب. حساب حجم المعجون هنا حاسم، لكن الاستقرار الميكانيكي للغلاف أثناء مرور الفرن أهم. إذا كان الموصل يطفو أو يميل لأنه يفتقر إلى التثبيتات، سينتهي بك الأمر بجزء مائل لا يمكن توصيله.

بالنسبة للأجزاء التي تُركب على السطح فقط، تأكد من أن تصميم القالب الخاص بك يأخذ في الاعتبار "تحرك" المكون. أحيانًا، تقليل فتحة الوسادات المركزية لموصل كبير يمكن أن يمنع الجزء من التأرجح على وسادة من اللحام المنصهر، مما يسمح للوسادات الخارجية بالجلوس بإحكام.

الحساب النهائي

الهدف من اختيار الموصل ليس العثور على أرخص جزء يناسب البصمة. بل هو العثور على الجزء الذي يصمد أمام الفيزياء القاسية للتصنيع وطول فترة التشغيل في الميدان. تصنيف ورقة البيانات عند 260 درجة مئوية هو نقطة بداية، وليس ضمانًا.

عند اختيار مكون، انظر إلى تركيب المادة. اطلب بيانات الراتنج. إذا لم يستطع البائع إخبارك إذا كان LCP أو نايلون 6T، ابتعد. فيزياء التمدد الحراري وامتصاص الرطوبة لا تُهزم. يمكنك إما احترامها باختيار المادة المستقرة والتصميم الميكانيكي الصحيح، أو يمكنك دفع ثمنها لاحقًا في مختبر تحليل الفشل.