توازن النحاس في إعادة التدفق: عندما يجعل السرقات التشوه أسوأ

يجب أن يعمل سرقة النحاس. الاستراتيجية شائعة، والمنطق صحيح: أضف ملء النحاس إلى المناطق الفارغة من لوحة الدائرة، توازن الكثافة الشاملة، وتقليل الإجهاد أثناء التصنيع. بالنسبة للعديد من التصاميم، يعمل هذا بشكل مثالي. ولكن عند تطبيقه بشكل عدواني، بدون النظر في السلوك الحراري، يتوقف سرقة النحاس عن أن يكون حلاً. ويصبح مصدر المشكلة التي كان من المفترض أن يحلها. تتقوس اللوحات التي كان ينبغي أن تظهر مستوية من فرن إعادة التدفق، مع انحراف مكوناتها وتلف مواضع اللحام.

هذا الفشل غير بديهي لأن السبب الجذري للتشويه ليس عدم توازن النحاس المجرد، بل التسخين غير المتوازن أثناء دورة إعادة التدفق. تغيير النحاس يغير كتلة حرارية وتوزيع الحرارة للوحة. عندما يُوضع ذلك النحاس دون فهم كيف يؤثر على تناظر التدفئة عند درجات حرارة إعادة التدفق القصوى، فإنه يخلق اختلالات حرارية جديدة — غالباً أسوأ من الأصل. يتقوس اللوح حيث تسخن المناطق المختلفة بمعدلات مختلفة وتحتفظ بالحرارة لمدة مختلفة، مما يدفع إلى تمدد تفريقي لا يمكن للركيزة امتصاصه بدون تشويه.

الجواب ليس في التخلي عن توازن النحاس. بل في الاعتراف بأن المتماثلية في التكديس، والكثافة المحلية للنحاس المضبوطة، والدعم الصحيح لللوحة، هي استراتيجيات أكثر فاعلية من سرقة اللحاف. تتناول هذه الأساليب عدم التماثل الحراري مباشرة، بدلاً من اعتبار توزيع النحاس مجرد تمرين هندسي. لفهم متى تتسبب السرقة في زيادة الأمور، عليك أولاً فهم الميكانيكا الحرارية التي تحكم لوحة عند 250°C.

الميكانيكا الحرارية لتشويه إعادة التدفق

التشويه هو في الأساس مشكلة تمدد تفريقي محدود. لوحة الدائرة المطبوعة عبارة عن مركب من مواد ذات معاملات تمدد حراري مختلفة (CTE)، وكتل حرارية، وموصلية حرارية. عندما يُسخن هذا المركب بسرعة وبشكل غير متساوٍ، تتراكم الإجهادات الداخلية. إذا تجاوزت تلك الإجهادات الحد المرن للركيزة عند درجات حرارة عالية، فإن اللوح يتشوه. قد يكون التشوه مؤقتًا، حيث يهدأ مع برودة اللوح، أو يمكن أن يصبح دائمًا إذا استسلمت الركيزة أو قفل عملية التبريد الشدة.

لماذا يخلق التمدد التفريقي الالتواء

يوصف معامل التمدد الحراري للمادة بمدى تغير أبعادها لكل زيادة درجة مئوية في درجة الحرارة. تقريبًا، معامل التمدد للنحاس هو 17 جزء في المليون/°م. لوح FR-4، وهو أكثر أنواع الركائز شيوعًا للـ PCB، له معامل تمدد داخلي مماثل بين 14-17 جزء في المليون/°م، لكن معامل التمدد خلال السماكة أعلى بكثير، غالبًا 60-70 جزء في المليون/°م. هذا الاختلاف يعني أنه مع ارتفاع درجة الحرارة، يرغب النحاس وFR-4 في التمدد بمعدلات مختلفة.

مرتبطة معًا في طبقة، لا يمكن لأي مادة أن تتوسع بحرية. يقيد النحاس الـFR-4، ويقيد الـFR-4 النحاس، مما يخلق إجهادًا داخليًا. إذا سخنت اللوحة بشكل متساوٍ ووزع النحاس بشكل متماثل خلال التكديس، فإن هذه الإجهادات تكون قابلة للإدارة. يتمدد اللوح بشكل متساوٍ، وتحافظ متماثلية التكديس على المحور المحايد مركزيًا، وتبقي القوى المتوازنة على الأعلى والأسفل اللوح مستويًا.

لكن التسخين المتساوي هو رفاهية. عندما يسخن منطقة واحدة من اللوح أكثر من الأخرى، فإنه يرغب في التمدد أكثر. المرتبط بالمناطق الأبرد، لا يمكنه ذلك، وتتراكم الإجهادات على طول الحدود. إذا كانت تدرجات الحرارة قصوى ومتجهة دائمًا — جانب من اللوح دائمًا أكثر دفئًا من الآخر — فإن اللوح سينحني أو يتواءم لتخفيف الإجهاد، بحثًا عن شكل توازن جديد يقلل من طاقة الشد الداخلية.

الزمن حاسم. يصبح الـFR-4 مرنًا بشكل كبير مع اقترابه من وتجاوزه لدرجة حرارة الانتقال الزجاجي (عادة 170-180°C). أثناء ذروة إعادة التدفق، عند أو فوق 240°C، تكون الركيزة أقل صلابة. هذه هي لحظتها القصوى من الهشاشة. أي عدم توازن حراري عند هذه النقطة سيؤدي إلى تشويه اللوح. إذا تجاوز هذا التواء نقطة الخضوع للراتنج الم软ن، فلن يتعافى تمامًا بعد التبريد.

النحاس: الكتلة الحرارية وطريق الحرارة

أثناء عملية إعادة التدفق، يلعب النحاس دورين: ككتلة حرارية وكطريق للحرارة. كلاهما ناتج عن خصائصه الفيزيائية — الحرارة النوعية العالية وموصلية الحرارة العالية بشكل استثنائي مقارنة بـ FR-4.

بوصفه كتلة حرارية، يحدد النحاس الطاقة المطلوبة لرفع حرارته. يتطلب لوحة تحتوي على صفائح نحاسية ثقيلة مزيدًا من الطاقة والوقت للوصول إلى درجة حرارة إعادة التدفق مقارنةً بلوحة ذات آثار دقيقة قليلة. هذا يعني أن المناطق ذات الكثافة العالية للنحاس تسخن ببطء أكثر من المناطق ذات الكثافة المنخفضة. إذا كانت اللوحة تحتوي على صفائح نحاسية صلبة وكبيرة على نصفها الأيسر وتوصيل خفيف فقط على النصف الأيمن، فإن النصف الأيسر سيتأخر في درجة الحرارة أثناء ارتفاع درجة الحرارة. في أي لحظة معينة، يكون النصف الأيمن أكثر حرارة، مما يخلق عدم التآزر الحراري الذي يدفع تشوه اللوحة.

كطريق للحرارة، تسمح موصلية النحاس العالية للحرارة (حوالي 400 واط/م·ك مقابل 0.3 واط/م·ك لـ FR-4) بإعادة توزيع الحرارة بسرعة. لا تسخن الصفائح النحاسية الكبيرة ببطء فقط بسبب كتلتها؛ بل توزع أيضًا الحرارة بعيدًا عن المناطق الساخنة المحددة، مما يساهم في تسوية درجة الحرارة عبر سطحها. بينما يمكن أن يكون ذلك مفيدًا، إلا أنه يعني أيضًا أن وجود أو غياب النحاس يخلق مناطق حرارية مختلفة جوهريًا. المنطقة التي تحتوي على لوحة صلبة لها استجابة حرارية بطيئة ومتوازنة، أما المنطقة التي تحتوي فقط على آثار فهي ذات استجابة سريعة ومحلّية.

لا يضيف النحاس كتلة فقط؛ بل يعيد تشكيل المشهد الحراري لللوحة بشكل أساسي. لهذا السبب، يجب اعتبار توزيعه مسألة تصميم حراري، وليس مجرد توحيد في التصنيع.

كيف يتحكم توزيع النحاس في تناظر التدفئة

التماثل الحراري يعني أن جميع مناطق اللوحة تصل إلى نفس درجة الحرارة تقريبًا في نفس الوقت. وعلى الرغم من أن التماثل الكامل غير ممكن، فإن الهدف هو تقليل التدرجات الحرارية، لا سيما خلال مرحلة الذروة عند إعادة التدفق عندما تكون اللوحة أكثر مرونة.

يحدد توزيع النحاس هذا التناظر من خلال تعريف خرائط الكتلة الحرارية وموصلية اللوحة. لوحة ذات كثافة نحاسية موحدة لها استجابة حرارية متساوية نسبياً، حيث تمتص الحرارة كوحدة متماسكة. لوحة ذات توزيع غير متجانس للنحاس تصبح شبكة من المناطق ذات ثوابت زمن حرارية مختلفة — المناطق الكثيفة تتأخر بينما المناطق الفقيرة تتقدم.

يُعقد المشكلة في اللوحات متعددة الطبقات. فكر في تصميم يتكون من ست طبقات حيث تغطي صفائح الطاقة نصف مساحة اللوحة فقط. تلك النصف لديه كتلة حرارية أعلى بشكل كبير. أثناء عملية إعادة التدفق، يسخن بشكل أبطأ، مما يخلق تدرجًا مستمرًا من الجانب الفقير إلى الجانب الكثيف. إذا كان هذا التدرج يمتد على طول اللوحة، فإنه ينحني. وإذا كان به عدم توازن في الدوران، فإنه يلتوي.

يمكن أن يُفاقم ملف التعريف لعملية إعادة التدفق من ذلك. تم تصميم منطقة النقع في الملف لتعادل درجات الحرارة قبل التصاعد النهائي إلى الذروة، ولكنها ليست طويلة إلى الأبد. إذا كان هناك عدم توازن كبير في الكتلة الحرارية للوحة، قد لا يكون النقع كافياً. عندما يقفز الفرن إلى 240-250°C، تتجاوز المناطق ذات الكتلة المنخفضة درجة الحرارة أولاً بينما لا تزال المناطق ذات الكتلة العالية تلحق بالركب. هذه هي اللحظة الحاسمة التي يبدأ فيها التشوه.

عندما تتكون المناطق الحرارية المميزة، تتفاعل. يكون للوحة نحاسية كبيرة في منطقة كثيفة سحب الحرارة إليها، مما يبقي تلك المنطقة أكثر برودة لفترة أطول ويزيد من حدة التدرج مع المناطق الفقيرة المجاورة. وبدون عازل حراري من النحاس، تسخن تلك المناطق بسرعة. يستمر التدرج خلال الذروة، وتتسبب اللوحة في التشوه.

فخ سرقة اللحاف

تعود الحوافز لاستخدام سرقة النحاس إلى مخاوف تصنيعية صالحة مثل الحفر والتغطية بالتغليف بشكل موحد. ولكن عند تطبيقها كثياب ملء لتحقيق نسبة مئوية مستهدفة، غالبًا ما تخلق سرقة النحاس عدم التآزر الحراري الذي كان من المفترض أن تمنعه.

تصبح مشكلة.

عندما يضيف النحاس يخلق اختلالات جديدة

يزيد السرقة من الكتلة الحرارية للمناطق التي تُضاف إليها. على لوحة تحتوي على نحاس وظيفي مركز في بعض المناطق وتوجيه قليل في أخرى، عادةً ما تُضاف السرقات فقط إلى المناطق الفراغية. تلك المناطق، التي كانت في السابق ذات كتلة حرارية منخفضة وتسخن بسرعة، الآن تسخن ببطء أكثر.

هذا لا يزيل النحاس الوظيفي الثقيل؛ بل ينقل التوازن الحراري. إذا كانت السرقة قوية بما يكفي، يمكن أن تنقل التوازن بعيدًا جدًا. قد يكون المنطقة الفقيرة السابقة ذات كتلة حرارية مماثلة للمناطق الوظيفية، ولكن مع هندسة مختلفة، مما يخلق عدم توازن جديد وغير متوقع.

المشكلة ليست فقط في الكثافة، ولكن أيضًا في الموقع والهدف. إذا وُضعت السرقة في منطقة كانت أبرد بالفعل أثناء عملية إعادة التدفق، فإن إضافة الكتلة الحرارية هناك يجعلها أبرَد، مما يعزز التدرج. لا تميز استراتيجيات السرقة الكاملة بين ذلك؛ فهي تطبق التعبئة استنادًا إلى هدف الكثافة، وليس التحليل الحراري. النتيجة غالبًا ما تكون وجود المزيد من النحاس حيث لا ينبغي أن يكون.

يحدث نمط فشل معين عندما تضاف السرقة إلى الطبقات الخارجية مباشرة فوق صفائح الطبقة الداخلية. يمتص كتلة السطح الحرارة من الفرن وينقلها إلى الداخل. إذا كانت الطبقات الداخلية بالفعل تحتوي على كتلة حرارية عالية، فإن الزيادة في السرقة الخارجية تزيد من كتلة التكدس تلك بدون تحسين اختراق الحرارة إلى النواة. يتأخر النواة أكثر، ويزيد تدرج من السطح إلى النواة، وتتراكم الإجهادات عبر السُمْك، مما يسبب تشوهًا في الاتجاه الأفقي حيث تتوسع الطبقات السطحية أكثر من النواة.

السرقة عند درجة الحرارة القصوى

قمة التدفق العكسي هي لحظة أقصى ضغط حراري وأدنى صلابة للركيزة. أي خلل حراري موجود هنا سيكون له التأثير الأكبر لأن قدرة اللوحة على مقاومة التشوه في أدنى مستوياتها. يثبت السرقة ضمن بنية حرارية. إذا أنشأت تلك البنية خللاً يظهر عند درجة حرارة الذروة، فإنها ستفعل ذلك في كل مرة يمر فيها اللوح عبر الفرن.

لا يمكن للفرن حل خلل داخلي في بناء اللوحة. إذا زاد الفرن من الحرارة لجعل المناطق ذات الكتلة العالية والمبردة تصل إلى درجة الحرارة، فإن المناطق الحساسة للحرارة ستفوق ذلك. تصل اللوحة إلى قمتها مع مناطق مختلفة عند درجات حرارة مختلفة. المناطق الأبرت تتوسع أكثر، والمناطق الأبرد تتوسع أقل. اللوح لينا. يدور. مع تبريده، يمكن أن يصبح التشوه دائمًا، مما يترك المكونات خارجة عن موضعها وربط اللحام معرضًا للخطر — فشل غير مرئي للاختبارات الكهربائية القياسية.

متماثلية التكديس: التحكم الأساسي في التشويه

أفضل طريقة للتحكم في التشوه هي تصميم تكديس لوح يكون متماثلاً حراريًا وميكانيكيًا حول سطحه المركزي. هذا يضمن أن قوى التمدد الحراري على النصف العلوي من اللوح يتم موازنته بواسطة قوى مساوية ومتعارضة على النصف السفلي. بدون عزم انحناء صافٍ، يحافظ اللوح على استقامته.

موازنة النحاس، الطائرة إلى الطائرة

يعني تماثل التكديس أنه مقابل كل ميزة نحاسية على طبقة واحدة، توجد ميزة مطابقة على طبقة تبعد مسافة متساوية من مركز اللوح. في تكديس بست طبقات، يجب أن تعكس الطبقة الثانية الطبقة الخامسة، ويجب أن تعكس الطبقة الثالثة الطبقة الرابعة. إذا كانت الطبقة الثانية عبارة عن طبقة أرضية صلبة، فيجب أن تكون الطبقة الخامسة طبقة أرضية صلبة بنفس المساحة والسماكة. يوازن هذا التماثل الكتلة الحرارية عبر سمك اللوحة، مما يضمن أن يسخن النصف العلوي والنصف السفلي بنفس المعدل. لا يزال الإجهاد الناجم عن عدم تطابق معامل التمدد الحراري موجودًا، ولكنه متوازن، لذا يتوسع اللوح بشكل موحد دون انحناء.

يجب أيضًا موازنة الطبقات الخارجية (واحدة وسدسة). على الرغم من أن النحاس المماثل غالبًا ما يكون مستحيلًا بسبب وضع المكونات، فإن الهدف هو الحفاظ على وزن وتوزيع النحاس بشكل قريب قدر الإمكان. أهمية اختيار المادة أيضًا؛ يجب أن تتطابق سماكات النواة والطبقات المسبقة مع المركز لمحاذاة المحاور المحايدة الميكانيكية والحرارية، مما يزيد من مقاومة اللوح للتشوه.

عندما يكون تعديل السلسلة محدودًا

ليست المثالية دائمًا ممكنة. قد يحدد التكلفة عدد الطبقات، أو قد يتطلب التصميم وجود طيات لا يمكن عكسها. لوح بحاجة إلى طبقة أرضية كبيرة على الطبقة الثانية بدون وجود طبقة مقابلة على الطبقة الخامسة يعتبر غير متماثل بطبيعته.

في هذه الحالات، أحد الأساليب هو استخدام طبقة جزئية غير وظيفية على الطبقة المرآة. يضيف صب النحاس المظلل أو المشبك على نفس المنطقة الكتلة الحرارية ويحسن التماثل دون إنشاء طبقة كهربائية صلبة. هذا التوافق يمكن أن يقلل غالبًا من التشوه إلى مستويات مقبولة. المقايضة هي زيادة استخدام النحاس لخاصية غير وظيفية، وهو تكلفة يجب موازنتها مع تأثير العائد على التشوه.

عندما يتم التنازل عن تماثل التكديس، يكون اللوح أكثر عرضة للتشوه، وهو مجال الخطأ ضيّق. إن إضافة سرقة عدوانية إلى تكديس غير متماثل بالفعل أمر خطير بشكل خاص، لأنه يمكن أن يتفاعل مع الخلل الحالي بطرق غير متوقعة.

كثافة النحاس المضبوطة بدون ملء عدواني

إذا كان توازن التكديس هو الدفاع الرئيسي، فإن الكثافة المدارية للنحاس هي الأداة التكتيكية لإدارة الاختلالات المحلية. الهدف هو إضافة النحاس فقط حيثما يلزم، بالكمية اللازمة، دون إنشاء مشاكل حرارية جديدة. يتطلب ذلك تحولًا من التوازن العالمي إلى التوازن المحلي، مع دعم ميكانيكي أثناء إعادة التدفئة.

التوازن المحلي مقابل التعبئة العامة

يعني التوازن المحلي معالجة كثافة النحاس في مناطق محددة بدلاً من تطبيق نمط تعبئة موحد في كل مكان. تبدأ العملية بتحديد المناطق المكتظة والنادرة من النحاس، ثم استخدم الحدس الحراري لتقرير أين ستساعد إضافة النحاس مقابل أين ستؤذي.

إذا كانت المنطقة ذات الكثافة المنخفضة محاطة بمناطق ذات كثافة معتدلة، يمكن أن يخفف السرقة المعتدلة التفاوت الحراري. الهدف ليس الوصول إلى هدف كثافة عالمي، بل تقليل التدرج. إذا كانت المناطق المحيطة تحتوي على 30% نحاس والمنطقة النادرة على 5%، فإن إحداثها إلى 15% قد يكون كافيًا. دفعها إلى 30% مع سرقة عدوانية قد يتجاوز الهدف.

هذا يعني أيضًا تجنب السرقة حيث لا تكون ضرورية. إضافة النحاس إلى منطقة حرارية مستقرة فقط لمطابقة هدف الكثافة العالمي العشوائي يضيف كتلة حرارية غير ضرورية ويغير التوازن. هذه هي فخ قواعد التصميم الصارمة التي تتجاهل التوزيع. أيضاً، أهمية الهندسة العامة للتعبئة. الأنماط المنقطة أو المقصفة تقلل الكتلة الحرارية الفعالة مقارنة بالتعبئة الصلبة وتسمح بسيطرة أدق. يمكن أن تفي بمتطلبات التصنيع الدنيا دون أن تهيمن على السلوك الحراري لمنطقة.

النهج العملي: استخدم الحشوات خفيفة الكثافة وخشنة الملمس فقط حيثما يتطلب الأمر لتحقيق الحد الأدنى للمصنع. برر كل إضافة للنحاس على أساس منطقة تلو الأخرى، وليس كعملية عالمية.

دعم اللوحة والأدوات

دعم اللوحة هو استراتيجية ميكانيكية تكمل التصميم الحراري. حتى لوحة بها خلل حراري بسيط يمكن إبقاؤها مستوية إذا كانت مدعومة بشكل كافٍ في فرن التدفق الحراري. يقيد الدعم قدرة اللوحة على التشوه أثناء مرورها خلال أكثر حالات ضعفها، وهي الحالة ذات درجات حرارة عالية.

لا تزال اللوحة المرتبطة بلوحها مقيدة بواسطة قضبان اللوح، التي تكون أكثر صلابة وتحافظ على التجميع بأكمله مستويًا. لهذا السبب، يتم تدفق العديد من التجميعات عالية الاعتمادية في شكل لوحي. بالنسبة للوحف الفردية، يوفر حامل التدفق أو جهاز التثبيت نفس الوظيفة. هذه الأُطُر الصلبة، المصنوعة غالبًا من مواد ذات معامل تمدد حراري منخفض مثل مكون الجرافيت، تحافظ على استواء اللوح بواسطة قوة ميكانيكية. المقايضة هي الكتلة الحرارية للحامل ذاته، والتي يمكن أن تؤثر على ملف التدفق الحراري.

الدعم لا يقضي على الخلل الحراري؛ بل يروّض التشوه الناتج. لا تزال اللوحة تحت ضغط داخلي، مما يمكن أن يؤثر على وصلات اللحام. لذلك، يعتبر الدعم استراتيجية تخفيف، وليس علاجًا شاملاً. تأتي أفضل النتائج من تقليل خلل التوازن الحراري من خلال التصميم واستخدام الدعم الميكانيكي لإدارة المخاطر المتبقية.

القرارات حول متى يكون السرقة مبررة

سرقة النحاس ليست سيئة بطبيعتها. تصبح مشكلة عند تطبيقها بشكل أعمى، كبديل لتصميم التكديس الصحيح والسيطرة على الكثافة. يجب أن يكون قرار استخدامها متعمدًا.

متى يكون مبررًا ذلك؟

• لتلبية الحد الأدنى للتصنيع. يتطلب العديد من المصنعين كثافة نحاس أدنى (مثلاً، 20-30%) لتغطية منتظمة. إذا كان التصميم أدنى من ذلك، فإملاء شيء ضروري. في هذه الحالة، أضف كمية كافية من النحاس لتلبية الحد الأدنى، باستخدام أنماط منخفضة الكثافة.これは قيود التصنيع، وليس تحسين حراري.
• عندما يُظهر المحاكاة الحرارية فائدة واضحة. في بعض الحالات، قد يُظهر النمذجة أن إضافة النحاس إلى نقطة حرارة معينة يمكن أن تزيد كتلتها الحرارية بما يكفي لجعلها تتوازن مع المناطق المجاورة. هذا هو الاستخدام الصحيح والطبّي للسرقة كأداة حرارية، بعكس ملء البطانية.
• عندما تكون اللوحة inherently صلبة. قد تتحمل اللوحات السميكة أو الصغيرة أو ذات التماثل العالي السرقية العدوانية بدون مشكلة. القرار يعتمد على المخاطر. إذا كانت اللوحة على الهامش—رقيقة، كبيرة، أو غير متماثلة—يجب أن تكون السرقية محكمة السيطرة.

المبدأ التوجيهي هو الاختصار. أضف النحاس فقط عندما يكون هناك حاجة محددة وفهم واضح بأنه لن يخلق مشكلة أسوأ. الاعتماد على الحد الأدنى من السرقية المحلية. الاعتماد أولاً على تماثل التراكم لتحقيق التوازن الحراري واستخدام دعم اللوحة لإدارة المخاطر المتبقية. اعتبر السرقية تصحيحًا مستهدفًا، وليس خطوة نهائية قياسية. ستظهر لوحاتك من إعادة التدفق مستوية، وسيعكس إنتاج التجميع لديك ذلك الانضباط التصميمي.