أنماط معجون لوحات التدفئة QFN نظيفة عند إعادة العمل

إعادة عمل مجموعة فاشلة من حزمة QFN على لوحة تناظرية كثيفة لا ينبغي أن يعرض لخطر تدمير التجميع بأكمله. غالبًا ما يحدث ذلك. المجرم هو قالب الرصيف الحراري المصمم فقط للتجميع الأولي، وليس لواقع استبدال المكونات. قد يتسبب الفتحة الصلبة التي ترسي طبقة سميكة من المعجون في إنشاء رابطة حرارية قوية أثناء الإنتاج، لكن تلك الكتلة من اللحام تصبح مصدرًا للمقاومة الحرارية خلال إعادة التصنيع. فهي تنتشر الطاقة الحرارية الضارة عبر المكونات المحشوة بشكل محكم، مما يحول عملية الإصلاح البسيطة إلى سلسلة من الإخفاقات. على اللوحات ذات القيمة العالية حيث تفصل المكونات بيضات من المليمتر، يمكن لمحاولة واحدة لإعادة العمل أن تتسبب في تشكيل فقاعات دقيقة، أو جسور من اللحام، أو صدمة حرارية للأجهزة الدقيقة المجاورة، مما يؤدي إلى إتلاف اللوحة بأكملها.

ليس من الثانوي أن تكون قابلية إعادة العمل مصدر قلق؛ إنها مدخل تصميم حرج يجب أن يشكل هندسة القوالب من البداية. المفتاح لإعادة العمل النظيفة هو نمط يقلل عمدًا من حجم معجون الرصيف الحراري. تصاميم فتحات النافذة تخلق مسارات حرارية مفضلة، تركّز الطاقة الحرارية على المكون المستهدف بدلاً من تفريغها في اللوحة المحيطة. تعني هذه المقاربة قبول تقليل معتدل في حجم اللحام الأولي. هذا ليس تنازلًا - إنه تحسين لطول دورة حياة التجميع الكاملة، حيث أن القدرة على استبدال جزء واحد بدون تلف جانبي تستحق أكثر من مكاسب هامشية في التوصيل الحراري.

تصميم القالب الذي يحقق هذا ليس معقدًا، لكنه متعمد. فهو يجمع بين أنماط فتحة النافذة الزجاجية - التي تقسم الرصيف الحراري إلى شبكة من جزر اللحام المنفصلة - مع قالب أرق بسماكة 4 إلى 5 ميل. تختار هذه الخيارات تحويل معادلة الكتلة الحرارية لصالح وصول إعادة العمل مع الحفاظ على تغطية لحام أكثر من كافية للأداء الحراري في معظم التطبيقات التناظرية. الروابط الناتجة مُهندسة لتعكس قابلية العكس.

الأمر الملح لإعادة التصنيع للتجميعات التناظرية الكثيفة

على لوحات التناظرية الحديثة، إعادة العمل مسألة فيزياء، ليست مجرد مهارة فني. عندما تحيط وحدة QFN بمكونات تمرير على بعد 0.5 مم، فإن الطاقة الحرارية اللازمة لإعادة تدفق روابط اللحام لا تبقى في مكانها أبداً. تتسرب الحرارة عبر اللوحة، وقناع اللحام، والأهم من ذلك عبر الكتلة اللحامية للرصيف الحراري نفسه. إذا كانت تلك الكتلة اللحامية كبيرة، فإنها تعمل كمخزون حراري يجب أن يُصل إلى درجة إعادة التدفق قبل أن يتمكن الرقاقة من الإزالة. الطاقة اللازمة لتسخين ذلك المخزون هي نفس الطاقة التي تتلف المكونات المحيطة.

النتيجة الاقتصادية بسيطة: محاولة إعادة العمل التي تتسبب في ترابط اللحام بجانب مكون دقيق التدوير، أو تتسبب في صدمة حرارية لمرجع جهد دقيق في الانحراف، يحول فشلًا واحدًا إلى لوحة مُلقاة في سلة المهملات. في النماذج الأولية أو الإنتاج منخفض الحجم، حيث تكون تكاليف اللوح عالية وأوقات الانتظار طويلة، فإن ذلك غير مقبول. تكلفة تصميم القالب لمنع ذلك ضئيلة مقارنة بالقيمة الإجمالية لكل لوحة تدمر خلال إعادة العمل.

تعزز التصاميم التناظرية الكثيفة من تحدي عدم وجود هامش حراري. يمكن لوحدة QFN للطاقة المنفصلة على جزء معزول من اللوحة أن تتسامح مع تسخين غير دقيق لأنها لا تحتوي على شيء حيوي بالقرب منها. أما وحدة QFN المدمجة ضمن سلسلة إشارات مزدحمة، محاطة بشبكات مقاومات متطابقة ومضخمات تيار منخفضة الإزاحة، فهي غير قادرة على ذلك. الفرق ليس في أداة إعادة العمل أو العامل؛ إنه في الكتلة الحرارية التي وضعها تصميم القالب على اللوحة. عادة، الرصيف الحراري هو أكبر وصلة لحام واحدة، وغالبًا يحمل 40 إلى 60 بالمائة من إجمالي اللحام للمكون. يجبر فتحة الصلبة محطة إعادة العمل على إذابة تلك الكمية بأكملها مرة واحدة، مما يخلق طلب حراري لا تلبّيه الأدوات القياسية محليًا. يُجبر المشغلون على زيادة درجة حرارة تدفق الهواء أو زمن التوقف، وكلاهما يوسع البصمة الحرارية ويضمن تلفًا جانبيًا. الحل ليس أداة أفضل؛ إنه تقليل الكتلة الحرارية التي يجب على الأداة مقاومته.

كيف يضر حجم المعجون المفرط بإعادة العمل

يؤدي معجون الرصيف الحراري المفرط إلى فشلات متوقعة. هذه ليست مخاطر مجردة؛ إنها النتيجة المباشرة لتفاعل هندسة اللحام مع حرارة أداة إعادة العمل. يخلق قالب الصلبة فتحة لحام ذات كتلة حرارية عالية. بالرغم من أن ذلك قد يبدو مثاليًا أثناء الإنتاج الأولي — حيث يوفر ترطيبًا كاملًا والتصاقًا قويًا — فإنه يصبح مصدرًا لآليات فشل متعددة أثناء إعادة العمل.

المشكلة الأولى هي احتباس الحرارة. اللحام موصل حراري ضعيف مقارنة بالنحاس، لكنه أفضل بكثير من الهواء. عندما تطبق أداة إعادة العمل حرارة، تمتص وتوزع وصلة اللحام الصلبة الكبيرة هذه تلك الطاقة على نطاق واسع قبل أن تصل إلى نقطة ذوبانها. هذا عكس ما يتطلبه إعادة العمل. تعتمد فعالية إعادة العمل على تدرج حراري متمركز شديد، يذيب اللحام عند اتصال المكون دون إحداث حرارة زائدة على اللوحة المحيطة. تعيق وصلة اللحام الضخمة ذلك، لأنها تعمل كمخزون حراري، مما يجبر العملية على تسخين مساحة أكبر لإنجاز المهمة. يؤدي ذلك إلى نتيجتين ضارتين محددتين: إنشاء فراغات ونقل اللحام.

الفراغ الناتج عن غازات التدفق المحتجزة

تشكل الفراغات عندما يتم احتجاز غاز، من الداخل بشكل أساسي من التدفق المتبخر، في اللحام المتصلب. في وصلة مصممة بشكل جيد، يفرّ الهباء قبل تجمد اللحام. ولكن في لوحة حرارية كبيرة وصلبة، فإن الهندسة تعمل ضد ذلك. مع إعادة تدفق المعجون، يُولد التدفق المتبخر ضغطًا. إذا كانت الوصلة عبارة عن شبكة من جزر أصغر (نمط زجاج النافذة)، يمكن للغاز أن يهاجر بسهولة إلى الحواف ويجبُر على ذلك. في كتلة كبيرة ومستمرة، فإن الطريق إلى الحافة طويل جدًا. يُحتجز ضغط سطح اللحام المصهور الغاز، الذي يُكوّن الفراغات عند تبريد الوصلة.

إعادة العمل تجعل هذه المشكلة أسوأ. تم إجراء دورة إعادة تدفق على وصلة سابقًا، مما استنفد جزءًا كبيرًا من التدفق. عند إعادة تسخينه، ينشط التدفق المتبقي، ولكن هناك أقل منه للمساعدة في تماسك اللحام وإطلاق الغاز المحتجز. كما أن تسخين إعادة العمل أسرع وأقل اتساقًا من إعادة التدفق الإنتاجي، مما يخلق تدرجات حرارية تزيد من احتجاز الغاز. والنتيجة هي مزيد من التخلّص من الفراغات.

هذه ليست مجرد عيب تجميلي. في اللوحة الحرارية، تقلل الفراغات من التوصيل الحراري، مما يزيد المقاومة الحرارية بين المكون واللوحة. بالنسبة للمكونات مثل MOSFETs ذات التيار العالي أو الدوائر التناظرية الدقيقة التي تعتمد على اللوحة الحرارية للتبريد، يمكن أن يتجاوز ذلك درجة حرارة الوصلة الحد الآمن للتشغيل. المفارقة أن الفتحة الصلبة، التي تم اختيارها لتعظيم الأداء الحراري، يمكن أن تضعف أدائها في النهاية من خلال تعزيز الفراغات.

تطاير المايكرو-كرات ونقل المعجون

النتيجة الرئيسية الأخرى لكمية المعجون الزائدة هي الإزاحة العرضية للحام المصهور. يظهر هذا على شكل تطاير المايكرو أو خرزات اللحام في المنطقة المحيطة بالمكون. عندما يتم اهتزاز الحوض الكبير للحام المصهور—عن طريق ضغط من فوهة إعادة العمل أو إطلاق غازات التدفق المحتجزة بعنف—يمكن أن تُطرد أجزاء منه من الوصل. في تجميع كثيف، تهبط هذه اللحامات المطرّية على قناع اللحام أو بين وسادات المكون، وتتماسك إلى كرات رقيقة وموصلة.

قالب سميك، مثل واحد يبلغ سمكه 6 ميل، مع فتحة صلبة يجعل ذلك حتميًا. قد يتجاوز حجم اللحام المودع المنطقة القابلة للبلل على اللوحة، خاصة إذا كانت المنطقة محددة بقناع اللحام مع تثبيت غير مثالي. أثناء إعادة التدفق، يتجمع هذا اللحام الزائد على حواف الوصلة. أثناء إعادة العمل، يكون أول مادة تذوب وأرجح لنقله. بالنسبة للوحة تناظرية مع مقاومات دقيقة أو عقد منخفضة التسرب بجانب QFN، يمكن لكرّة لحام واحدة أن تخلق قصرًا أو مسار تسرب يدمر الوظيفة.

يمكن أن يعمل التدفق نفسه كآلية نقل. عند درجات حرارة إعادة التدفق، يتحول التدفق إلى سائل منخفض اللزوجة يمكنه حمل جزيئات اللحام المصهور معه أثناء انتشاره. يتسلل إلى الفجوات الضيقة بين الوسادات، ويحمل معه اللحام الدقيق، ويترك تلوثًا موصلًا عند تبريده.

أنماط فتحات نافذة الزجاج: الحل الاستراتيجي

فتحة زجاج النافذة ليست توازنًا؛ إنها إعادة تكوين استراتيجي للوصلة اللحامية. بدلاً من فتحة كبيرة واحدة، يتم تقسيم فتحة القالب إلى شبكة من الفتحات الصغيرة، مما يخلق جزر لحام متميزة تفصلها فواصل خالية من اللحام. النتيجة هي وصلة سلسلة من الاتصالات المعزولة، وليست كتلة واحدة متجانسة.

هذه الهندسة تواجه مباشرة أنماط فشل المعجون المفرط. الفواصل بين جزر اللحام تؤدي وظيفتين: فهي توفر لغازات التدفق المتبخرة مخرجًا سهلاً، مما يقلل بشكل كبير من الفرج، وتقلل من الكتلة الحرارية الإجمالية للوِصلة. هذا التخفيض في الكتلة الحرارية هو الذي يُمكن إعادة العمل النظيف. وصلة تغطي 50 بالمائة من اللحام تتطلب طاقة حرارية تقرب من نصف طاقة إعادة التدفق. يُترجم ذلك مباشرة إلى ملف تعريف حراري أكثر إحكامًا أثناء إعادة العمل، مما يقيّد الحرارة على المكون المستهدف ويحمي الجيران.

الفرق واضح أثناء عملية إعادة العمل. جزر اللحام في نمط زجاج النافذة تصل إلى درجة حرارة إعادة التدفق بسرعة وبتجانس أكثر. تتيح الفتحات للهواء الساخن من أداة إعادة العمل أن يتغلغل أقرب إلى اللوحة، مما يحسن انتقال الحرارة. مع وجود كمية أقل من اللحام للتسخين، يكون وقت الإقامة لإعادة العمل أقصر، مما يقلل التعرض للحرارة ويقلل من خطر الضرر الجانبي لجميع التجميع.

هندسة الفتحة وتوزيع الحرارة

الفجوات في نمط زجاج النافذة هي قنوات مصممة للحرارة والغاز. أثناء إعادة العمل، تسمح هذه الفجوات الهوائية للهواء المسخن بالوصول أعمق إلى واجهة المكون-اللوحة، مما يحسن كفاءة العملية.

يجب أن يكون عرض الفجوة كبيرًا بما يكفي للسماح بتدفق الهواء، ولكنه ضيق بما يكفي لمنع تلاحم جزر اللحام أثناء إعادة التدفق. عادةً ما يكون فجوة تتراوح بين 0.5 مم و1.0 مم مناسبة لـ QFN في النطاق من 5 مم إلى 7 مم. غالبًا ما تكون جزر اللحام الفردية مربعة أو مستطيلة موحدة، مما يبسط تصميم القالب ويضمن إفراجًا متساويًا عن المعجون. المتغير الرئيسي في التصميم هو نسبة التغطية الإجمالية — نسبة مساحة اللحام إلى إجمالي مساحة الوسادة. يُعتبر التغطية بين 50 و70 بالمئة شائعًا للتصاميم ذات إعادة العمل الأمثل. نمط 50 بالمئة يضاعف الكتلة الحرارية، مما يوفر أقصى إمكانيات لإعادة العمل. أما نمط 70 بالمئة فيوفر فائدة إعادة عمل أكثر تحفظًا ولكنه يحفظ أكثر من التوصيل الحراري الأصلي. يعتمد الاختيار على الاحتياجات الحرارية للمكون وكثافة التخطيط المحيط.

ومع ذلك، فإن نمط زجاج النافذة المُنفذ بشكل سيء يمكن أن يفشل. الخطأ الأكثر شيوعًا هو جعل الفجوات ضيقة جدًا، مما يسمح للحام أن يتجاوز الجزر ويعيد تشكيل وصلة صلبة. أخطاء أخرى تشمل قياس الجزر بشكل غير منتظم، مما قد يسبب تسخين غير متساوٍ، أو عدم احتساب تقوّس المعجون مع القوالب الرقيقة. يجب تنفيذ النمط بدقة ليعمل بشكل صحيح.

اختيار سمك قالب القالب للحفاظ على توافقية إعادة التصنيع

يحدد نمط الفتحات مكان وضع المعجون؛ سمك الستنسل يحدد كم. يجب اختيار المتغيرين معًا. للتصاميم التي يتم تحسينها لإعادة العمل، يوفر الستنسل الأرق في نطاق 4 إلى 5 ميل تقليلًا كبيرًا في حجم المعجون بدون التأثير على موثوقية الوصل في معظم التطبيقات.

عادةً ما تكون قوالب الإنتاج القياسية سميكتها من 5 إلى 6 ميل. الانتقال إلى ستنسل 5 ميل من واحد بسمك 6 ميل يقلل حجم المعجون بنسبة تقارب 20 في المئة. يترجم هذا الحجم المفقود مباشرة إلى كتلة حرارية أقل، مما يقصر وقت إعادة العمل ويقلل من التعرض الحراري للمكونات المجاورة.

المقايضة هي إمكانية عدم كفاية المعجون على الأطراف الدقيقة ذات النمط المحيط. يجب أن يكون نسبة العرض إلى السماكة للفتح (نسبة الجانب إلى السماكة) عالية بما فيه الكفاية لضمان إطلاق موثوق للمعجون. لقيادة بحجم 0.5 مم مع فتحة بعرض 0.25 مم، يعطي الستنسل 5 ميل نسبة بعد 2:1، وهي على الحد. يحسن الستنسل 4 ميل النسبة إلى 2.5:1، مما يعزز إطلاق المعجون. يمكن أن تحسن الستنسلات الأرق جودة الطباعة على الأطراف الدقيقة وتقلل في الوقت ذاته من حجم معجون الوسادات الحرارية — وهو مزيج يناسب بدقة التجميعات التناظرية الكثيفة.

نطاقات السماكة الموصى بها:

• لتصاميم معنية بإعادة العمل (50-70% نافذة): سمك من 4 إلى 5 مل.
• للأداء الحراري العالي مع إمكانية إعادة العمل بعض الشيء (مصاصة صلبة): سمك من 3 إلى 4 مل، يتطلب تحكمًا أدق في العملية.
• لزمنة الإنتاج القياسية (إعادة العمل ليست أولوية): سمك من 5 إلى 6 مل.

هذه الإستراتيجية أكثر حيوية مع سبائك اللحام غير الرصاصية مثل SAC305. ارتفاع درجات حرارة إعادة التدفق (240-250 درجة مئوية) يزيد من الطاقة الحرارية اللازمة لإعادة العمل، مما يُضخم مشكلة الكتلة الحرارية. بالنسبة للوح ذات خلو من الرصاص، فإن فوائد تقليل حجم المعجون بواسطة أنماط النوافذ والأقراص الرقيقة تزداد وضوحًا.

موازنة الأداء الحراري مقابل واقع إعادة التصنيع

تصميم قالب مساند حراري هو توازن: زيادة المعدن لحساسيته للموصلية الحرارية، أو تقليله للوصول إلى إعادة العمل. في بعض التطبيقات ذات القدرة العالية، تكون المطالب الحرارية مطلقة، وأي تقليل في التوصيل غير مقبول. في تلك الحالات، يجب أن يركز التصميم على الأداء الحراري وتقبل إعادة العمل الصعبة أو يشمل استراتيجيات إدارة حرارية أخرى مثل الثقوب الحرارية أو معالجات حرارية خارجية.

بالنسبة لمعظم QFN التناظرية، فإن المتطلبات الحرارية ليست مطلقة. الوصل اللحامي هو واحد من عدة مقاومات حرارية في مسار الانتقال من اتحاد السيليكون إلى الهواء المحيط، وغالبًا ليس المهيمن. المقاومة بين الاتحاد وحالة المكون، ومن اللوح إلى الهواء، غالبًا أكبر. في هذه الأنظمة، قد يؤدي تقليل تغطية اللحام من 100 في المئة إلى 60 في المئة إلى زيادة مقاومة حرارية للوصل، لكن التأثير على المقاومة الحرارية الكلية للنظام قد يكون فقط بين 10 إلى 20 في المئة. وغالبًا ما يكون هذا صفقة مقبولة تمامًا لضمان إعادة العمل.

نسبة تغطية اللحام هو المعامل الذي يتحكم في هذا التوازن. يوفر نمط التغطية بنسبة 50 في المئة أقصى فائدة لإعادة العمل عن طريق تقليل الكتلة الحرارية إلى النصف. يوفر نمط التغطية بنسبة 70 في المئة توازنًا أكثر تحفظًا، مع الاحتفاظ بمعظم الأداء الحراري مع إنشاء مسارات هروب للغاز وقطوع في كتلة اللحام. يجب أن يكون الاختيار الصحيح مستندًا إلى التحليل الحراري.

التحقق من الأداء الحراري دون التنازل عن إعادة العمل

يمكن إجراء التحقق الحراري من خلال المحاكاة أو الاختبار التجريبي. يمكن لأدوات المحاكاة نمذجة تدفق الحرارة وتوقع درجة حرارة الوصلة مع نسب تغطية لحام مختلفة، مما يقيّم تأثير نمط لوح النافذة.

بالنسبة للفرق teams بدون أدوات محاكاة، فإن الاختبار التجريبي هو بديل موثوق. قم بتجميع نماذج أولية بنمط لوح النافذة المقترح، وزود المكون بالطاقة، وقس حرارته باستخدام مقاييس الحرارة أو كاميرا الأشعة تحت الحمراء. إذا كانت درجات الحرارة المقاسة ضمن الحدود المحددة للمكون في ظروف التشغيل الأسوأ (أقصى طاقة، أعلى درجة حرارة محيطة)، فإن التصميم يكون قد تم التحقق منه. إذا لم يكن كذلك، يمكن زيادة تغطية اللحام أو استكشاف استراتيجيات حرارية أخرى.

الهدف هو التأكد من أن نمط المعجون المخفض يوفر أداءً حراريًا كافيًا عبر جميع نطاقات ظروف التصنيع والتشغيل. عدم أخذ الصراع بين الاحتياجات الحرارية وإعادة العمل بعين الاعتبار غير مقبول. الكشف عن أن لوحاتك تتعرض للتلف أثناء إعادة العمل هو فشل مكلف ويمكن تجنبه تمامًا.