الreliefs الحرارية من النحاس الثقيل: الحرب بين الأمبير واللحام

تقضي أسابيع في التخطيط. تم التحقق من المخطط، والنصوص في Altium نظيفة، وطبقات الطاقة عبارة عن كتل ضخمة من النحاس بوزن 3 أوقية مصممة لنقل 100 أمبير بدون عناء. على الشاشة، تبدو وكأنها تحفة فنية من التوجيه ذو المقاومة المنخفضة. الشبكات متصلة بالكامل، والأسلاك الهوائية اختفت، ويظهر المحاكاة مسارًا جميلًا وأزرقًا باردًا للتيار الخاص بك.

ثم تعود اللوحات من المصنع، وتصبح طوبًا.

تنكسر الموصلات لأنها اللحام بارد ومتفتت. تفشل ترانزستورات القدرة في الميدان لأنها لم تبلل أبدًا إلى اللوحة، مما يخلق اتصال مقاوم عالٍ يسخن ويتشقق في النهاية. أنت لم تصمم دائرة، بل تصمم مبرد حرارة ابتلعت كامل الطاقة الحرارية لفرن إعادة التشكيل.

هذه هي الصراع الأساسي في تصميم لوحات الدوائر ذات القدرة العالية. غالبًا ما تكون هندسة النحاس المطلوبة لنقل التيارات الكبيرة هي ذاتها التي تمنع اتصال اللحام الموثوق. الفيزياء لا تهتم بتوصيل الشبكة الخاص بك. إذا لم تتمكن من جعل اللحام يتدفق، فليس لديك لوحة.

الثرموديناميكا لطوب البناء

توقف عن التفكير كمهندس كهربائي وابدأ في التفكير كسباك يتعامل مع تدفق الحرارة. عندما تضع لوحة مكون مباشرة على سطح نحاسي كبير (خصوصًا واحدًا بوزن 2 أوقية، 3 أوقية، أو أكثر)، فإنك تربط بركة صغيرة من المعدن المصهور بمخزن حراري ضخم.

عندما يلمس فرن إعادة التشكيل أو مسمار اللحام تلك اللوحة، فإنه يحاول زيادة درجة الحرارة المحلية إلى درجة حرارة انصهار اللحام — عادة حوالي 217°C لـ SAC305. ومع ذلك، النحاس موصل استثنائي. يعمل سطح الأرض الضخم هذا كطريق سريع، ويجرف الطاقة الحرارية بعيدًا عن اللوحة بسرعة أكبر مما يمكن لمصدر الحرارة تزويده. إنه كأنك تحاول ملء دلو بواسطة خرطوم مياه يتدفق من الأسفل. يمكنك زيادة درجة حرارة مسمار اللحام الخاص بك إلى 450°C وخطر تلف الشريط اللاصق الذي يثبت النحاس على الـ FR-4، لكنه لن يهم. الحرارة لا تبقى عند الوصلات، بل تتشتت في اللوحة.

النتيجة هي 'وصلة باردة'. قد يذوب اللحام على رجل المكون، لكنه يتجمد على الفور عند ملامسته للوحة النحاس. يتجمع في كرة، جالسًا على السطح مثل حبة الزئبق بدلاً من التدفق إلى حافة ناعمة. إذا حاول فني إجبار ذلك ببقاء المسمار لمدة 45 ثانية، فعادةً ما يقوم فقط بتفكيك اللوحة أو حرق التدفق قبل أن يتم التبليل. غالبًا ما يلوم الناس أدواتهم، معتقدين أنهم بحاجة إلى مسمار ذات قدرة أعلى. لكن حتى جهاز Metcal MX-500 بنصله الثقيل لا يمكنه مقاومة سطح 4 أوقية دون مساعدة. الكتلة الحرارية تفوز دائمًا.

خرافة "الاتصال المباشر"

خرافي مستمر في إلكترونيات القدرة يدعي أن المسارات ذات التيار العالي يجب استخدم مضلعات التوصيل المباشر. المنطق يبدو صحيحًا: أي قيد في مسار النحاس يزيد المقاومة، مما يزيد من الحرارة. لذلك، لتقليل الحرارة، يجب علينا تعظيم اتصال النحاس.

هذا المنطق خطير لأنه يتجاهل أرضية التصنيع. الاتصال المباشر الذي يؤدي إلى اتصال لحام بارد سيكون لديه مقاومة اتصال أعلى بشكل ملحوظ من وصلة مبللة بشكل صحيح موصولة عبر أضلاع تخفيف حراري. هذا الاتصال البارد هو قنبلة موقوتة. تحت دورة حرارية—مثل سخونة وتبريد محرك، تتشقق البنية الحبيبية للحام البارد. بمجرد تشققه، ترتفع المقاومة، يسخن الاتصال، وفي النهاية تحصل على دائرة مفتوحة كارثية أو حريق.

هذا لا يقتصر على الموصلات الكبيرة، أيضًا. نفس عدم التوازن الحراري يسبب ظاهرة التوقف على القبر على العناصر السلبية الصغيرة. إذا كان لديك مكثف 0603 يربط مسار إشارة بالطبقة الأرضية وتستخدم وصلة مباشرة على الجانب الأرضي، يذوب اللحام على الجانب الإشاري أولًا. الشد السطحي يسحب المكون إلى وضع قائم، وواقفًا على طرفه. يسخن فرن إعادة التدفق اللوحة بشكل متساوٍ، لكن اللوحة لا يقبل الحرارة بالتساوي. إلا إذا كنت تعمل على التردد الراديوي حيث تكون تغيرات المعاوقة حرجة، أو تتعامل مع تيارات نبضية عالية جدًا لدرجة أنها ستتبخر أحد الأذرع على الفور، فإن الوصلة المباشرة على طوابق الطاقة عادةً ما تكون عيب تصميم يتنكر كتحسين.

حساب التسوية

أدخل التخفيف الحراري: تلك الأذرع العجلية التي تربط الوسادة بالطبقة. فهي تعمل كسد حراري، وتقييد تدفق الحرارة بما يكفي للسماح للوسادة بالوصول إلى درجة الحرارة خلال نافذة إعادة التدفق التي تمتد من 60 إلى 90 ثانية.

ها هو حيث يبدأ الخوف. إذا جعلت الأذرع رقيقة جدًا، فإنها تتحول إلى فيوزات.

الإعدادات الافتراضية في CAD ستقتلك هنا. القواعد القياسية في KiCad أو Eagle غالبًا ما تكون مضبوطة لطبقات الإشارة، مما يُنتج أذرع بسمك 10 ميل التي تتبخر في لحظة دفع 20 أمبيرًا من خلالها. عليك حساب عرض الذراع استنادًا إلى الحمل الفعلي. إنه مقابلة: قدر ما يكفي من النحاس لنقل التيار، ولكن قليل بما يكفي لعرقلة الحرارة.

ابدأ بالأساسيات. حدد التيار لكل دبوس. إذا كان دبوس موصل ينقل 40 أمبير، لا تفترض أن الأذرع بحاجة لنقل 40 أمبير فقط. عادةً يكون الدبوس نفسه هو الحد الأقصى، ولكن لنفترض أنك بحاجة لدعم ذلك الحمل. استخدم معيار IPC-2152 لتحديد عرض المسار المطلوب لارتفاع درجة الحرارة المعينة. إذا كنت بحاجة إلى 100 ميل من عرض النحاس لتحمل ذلك التيار مع ارتفاع 10°C و لديك أربعة أذرع، كل ذراع يحتاج ليكون عرضه 25 ميل.

لكن انتظر. ذراع بعرض 25 ميل على نحاس بسمك 3 أونصات لا يزال أنبوبًا حراريًا كبيرًا. قد يكون أكثر موصلية حرارية من اللازم لملف إعادة تدفق قياسي. قد تحتاج إلى تقليل عدد الأذرع إلى ذراعين أوسع، أو زيادة طول الذراع لإنشاء مسار حراري أطول. إنها عملية تكرارية. أنت توازن بين خطر التصاق الذراع (فشل كهربائي) وخطر عدم تبلل اللحام أبدًا (فشل ميكانيكي).

هناك عدم يقين هنا. معايير IPC محافظة، وأداء العالم الحقيقي يعتمد على تدفق الهواء والموصلية الحرارية لركيبتك المحددة. لكن من الأفضل أن تثق في حسابات أداة Saturn PCB بدلاً من التخمين. وعلى الرغم من أن بعض المصممين يحاولون الغش من خلال خياطة الثقوب حول الوسادة لزيادة تدفق التيار العمودي، تذكر أن كل ثقب مطلي هو مرساة حرارية أخرى تسحب الحرارة بعيدًا عن السطح.

حقيقة DFM: كفاح الفني

تجاهل هذه الحسابات واغمر الطائرة، وأنت تعلن بشكل فعال الحرب على أرضية التجميع. عندما تصل لوحة ذات تبريد حراري ضعيف إلى طاولة إعادة العمل، تصبح كابوسًا.

تخيل فنيًا يحاول استبدال MOSFET على لوحتك. يطبق الحديد. لا شيء يحدث. اللحام لا يذوب. يضيف لحامًا جديدًا إلى الطرف لزيادة مساحة الاتصال. الآن الأمر فوضى من الشراب المائل. عليهم أن يمسكو المقلاة الساخنة، يثبّتوا لوحتك، ويسخنوا التجميع بأكمله إلى 150°C—يخبزون الإلكتروليتات في مكثفاتك—فقط لخفض الفرق الحراري بما يكفي حتى يتمكن الحديد من عبور الفجوة.

يؤدي هذا الإجهاد الحراري إلى تدهور مادة FR-4 ويُقصّر عمر كل مكوّن آخر على اللوحة. قد توفر مقاومة قدرها 2 ميليوأوم باستخدام اتصال مباشر، لكنك تكلف الشركة آلاف الزمن المعاد وتنفيذ التجميعات المرفوضة. اللوحة التي لا يمكن إعادة العمل عليها تعتبر لوحة قابلة للتخلص. إلا إذا كنت تصنع ألعاب استهلاكية يمكن التخلص منها، فإن قابلية إعادة العمل تعد متطلبًا صلبًا.

تصميم للفرن

الهدف بسيط: خدع الحرارة للبقاء حيث تحتاجها، لفترة كافية فقط لتشكيل الرابطة المعدنية المشتركة التي تجعل وصلة اللحام حقيقية.

لا تدع أداة CAD تسيطر عليك. ادخل إلى قواعد التصميم. قم بإعداد فئات محددة للشبكات الكهربائية الخاصة بك. اجبر البرنامج على استخدام العوامل الحرارية المحسوبة بدلاً من الافتراضات العالمية. يستغرق الأمر ساعة إضافية خلال مرحلة التخطيط لإعداد هذه القواعد والتحقق منها. تلك الساعة توفر أسابيع من الوقت عندما تعود أول نسخة أولى مع موصلات تتساقط من اللوحة.

غالبًا ما نضيع في مطاردة المخطط الكهربائي المثالي، مفترضين أنه إذا كان للإلكترونات مسار، فإن العمل قد انتهى. لكن الإلكترونات لا تتاح لها فرصة التدفق إذا فشل عملية التصنيع. يتطلب النحاس الثقيل تفكيرًا عميقًا في الديناميكا الحرارية. احترم الحرارة، وعرقل التدفق عند الوسادة، ودع اللحام يقوم بدوره.