تحليل المواد الطرفية وعمليات اللحام
يُعزى نمو تكنولوجيا تغليف أشباه الموصلات الكهربائية، إلى حد ما، إلى التطورات في هندسة المواد وتقنيات الإنتاج. وقد ابتكرت هذه الصناعة نهجًا رائدًا في معالجة النحاس بالكامل، بهدف تعزيز قدرة تحمل دورة الطاقة واستقرار التشغيل على المدى الطويل، وتخفيف مشكلة عدم توافق معامل التمدد الحراري بين المواد المختلفة في الوحدات. تتكون هذه المنهجية بشكل أساسي من ثلاثة عناصر رئيسية: اللحام بالموجات فوق الصوتية لأطراف الطاقة النحاسية للوحدات، وربط أسلاك النحاس، وطلاء رقاقة النحاس بالمعدن.
طُوِّر لحام الدبابيس بالموجات فوق الصوتية كطريقة توصيل جديدة، إذ تُفرض في تطبيقات محددة متطلبات أعلى على موثوقية توصيلات الدبابيس. يوفر لحام الدبابيس بالموجات فوق الصوتية مزايا لا مثيل لها في توصيل المعادن نفسها. ولأن لحام المعادن بالموجات فوق الصوتية لا يتطلب تدفقًا أو مصادر حرارة خارجية، فإن الهيكل الملحوم لن يتعرض لإجهاد متبقٍ ولن يتشوه بسبب الحرارة.
اكتسب لحام الدبابيس بالموجات فوق الصوتية رواجًا متزايدًا في السوق، حيث حقق رابطًا تساهميًا معدنيًا وثيقًا بين مواد متطابقة.
قد يؤدي اللحام الناعم التقليدي إلى ضعف جودة لحام الدبابيس نتيجةً لعوامل مثل تقلبات ضغط هواء المعدات، ودرجة حرارة فرن إعادة التدفق غير الطبيعية، وتبخر تدفق معجون اللحام. بالإضافة إلى ذلك، قد تنخفض قوة الالتصاق نتيجةً لنمو المركبات المعدنية (IMC) أثناء الاستخدام.
كما هو موضح في الشكل أدناه، مبدأ اللحام بالموجات فوق الصوتية. يتكون نظام ربط الأسلاك بالموجات فوق الصوتية بشكل أساسي من رأس لحام، ومعدل سعة، ومحول طاقة، ومصدر طاقة بالموجات فوق الصوتية. يمكن لهذا في النهاية تحويل إشارة تردد الطاقة لمصدر الطاقة بالموجات فوق الصوتية إلى اهتزازات ميكانيكية فوق صوتية عالية التردد تتراوح بين 20 و60 كيلوهرتز. يطبق الإسفين ضغطًا وطاقة فوق صوتية على سطح إبرة الدبوس أثناء عملية اللحام بالموجات فوق الصوتية. يتم كسر طبقة الأكسيد بين إبرة الدبوس وDBC بواسطة احتكاك الاهتزازات عالية التردد تحت تأثيرهما المشترك. تكشف هذه العملية عن واجهة نظيفة. يستمر تطبيق الضغط والطاقة فوق الصوتية بعد ملامسة المعدن النحاسي النظيف. تزيد هذه العملية تدريجيًا من مساحة تلامس اللحام. يؤدي هذا إلى تكوين روابط تساهمية بين الذرات بين أسطح المعدن. وبالتالي، يتم إنشاء اتصال موثوق في النهاية.
مزايا لحام الدبابيس بالموجات فوق الصوتية
- دقة لحام عالية واستهلاك منخفض للطاقة.
- وحدات عالية في الساعة (UPH) ووقت لحام قصير.
- مراقبة جودة عملية اللحام في الوقت الحقيقي (التشوه، الجهد، التيار، الخ).
- لا يتم استخدام اللحام أو التدفق أثناء اللحام، ولا يسبب أي ضرر للصحة.
- الترابط المباشر من سطح إلى سطح أثناء اللحام للقضاء على الحاجة إلى مواد الحشو.
- خصائص فيزيائية ممتازة، ولا يوجد ضغط حراري على المنتج.
- لا يوجد خطر أكسدة المنتج أثناء عملية التشغيل، ولا يتطلب التسخين
يساعد التغليف الآلي على أتمتة عملية التغليف من خلال وظيفة التغذية التلقائية للدبابيس. وفي الوقت نفسه، يتم تحديد الهوية بدقة أعلى من لحام معجون اللحام التقليدي قبل اللحام، وتشبه العملية لحام أطراف الطاقة بالموجات فوق الصوتية. تحل تقنية لحام الدبابيس بالموجات فوق الصوتية المستخدمة في تغليف وحدات الطاقة محل عملية لحام معجون اللحام التقليدية من خلال اللحام بالموجات فوق الصوتية لأطراف الإشارة، مما يعزز الاتصال بين الدبابيس وDBC.
قوة دفع سطح الترابط المستقرة
لدراسة قدرة وحدة حل اللحام بالموجات فوق الصوتية على مقاومة الاهتزازات العشوائية الخارجية وعقلانية تصميمها الهيكلي، يتم الحصول على تردد اهتزاز الوحدة في ظل ظروف الإثارة العشوائية عن طريق تشديد التسارع إلى 15G وفقًا لمعيار AQG - 324.
عملية لحام صفائح اللحام عالية الحرارة
يمكن تسريع تدهور طبقات اللحام من خلال خصائص الزحف لحامات السبائك تحت تأثيرات درجة الحرارة بسبب الاختلافات في معامل التمدد الحراري (CTE) بين المواد المختلفة.
اللحام بالموجات فوق الصوتية الطرفية
يتم تحسين موثوقية الوحدة وتقليل المحاثة الطفيلية بشكل فعال عن طريق تطبيق عملية اللحام بالموجات فوق الصوتية على محطات الطاقة.
محطات الإشارة المصنوعة من مواد الألومنيوم المغلفة بالنحاس
يتم تحسين قوة الترابط والموثوقية طويلة الأمد للوحدة من خلال استخدام مواد الألومنيوم المغطاة بالنحاس لمحطات الإشارة، حيث تكون قوة الترابط بين سلك الألومنيوم وسطح الألومنيوم أعلى ويظل اتصال محطة الإشارة يعتمد على تقنية ربط سلك الألومنيوم السميك.
تصميم متماثل
يضمن التصميم المتماثل للدوائر المتوازية اتساق ذراعي الجسر وتوزيع التيار بكفاءة. كما يُجنّب السطح العلوي المسطح في التصميم المتماثل لأطراف الطاقة تشوه السطح العلوي أثناء عملية التشكيل، مما يُسهّل التركيب والاستخدام.
ما هي تقنية PressFIT؟
تُسمى طريقة التوصيل الكاملة بتقنية PressFIT. تُثبّت الدبابيس بتقنية PressFIT دون الحاجة إلى اللحام أو أي طرق توصيل أخرى. عند إدخالها في فتحات مناسبة الحجم ومطلية بلوحة الدوائر المطبوعة، تُضغط الدبابيس ذات الهيكل المقوس، مما يُنشئ اتصالاً كهربائيًا ويحافظ على الموثوقية الميكانيكية.
الميزة 1: البساطة
في وحدة الطاقة الجديدة Wolfspeed WolfPACK، تُثبّت الوحدة في مكانها بعد محاذاة الدبابيس مع فتحات لوحة الدوائر المطبوعة. بمجرد إدخالها، تُحقق الوحدة اتصالاً كهربائياً وتُثبّت ميكانيكياً. لا يتطلب تركيبها أي تثبيت أو معدات خاصة أو عمليات متعددة، إذ يدعم تصميم موصلات PressFIT سهولة وفعالية التركيب.
الميزة الثانية: نقل طاقة أعلى
يُدعم نقل التيار العالي بإنشاء اتصال ميكانيكي آمن بين الثقوب المطلية والدبابيس، مقارنةً بطرق التوصيل الأخرى. وتُعرض خصائص حرارية أكثر تميزًا لتقنية PressFIT، بما في ذلك تبديد الحرارة. يُعدّ كلٌّ من الأداء الحراري المُحسّن وسعة التيار المتزايدة مفيدًا لتطبيقات وحدات الطاقة. لذلك، تُعدّ أنواع مُختلفة من مُحوّلات الطاقة، مثل المُقوّمات النشطة، ودوائر خفض الجهد، ودوائر التعزيز، مُناسبة تمامًا لوحدة الطاقة Wolfspeed WolfPACK.
الميزة 3: معدل فشل منخفض
تُعدّ وحدة Wolfspeed WolfPACK مثاليةً للتطبيقات ذات متطلبات الموثوقية العالية، مثل محركات السيارات الصناعية، والمحوّلات المتصلة بالشبكة، وتحويل الطاقة المتجددة، لأن PressFIT هو الحل الأمثل لهذه الحالات. تتميز موصلات PressFIT بواحد من أقل معدلات الأعطال مقارنةً بطرق التوصيل الأخرى: عادةً، 0.005 FIT (حيث تعادل 1 FIT عطلًا واحدًا كل 10⁹ ساعة)، على عكس وصلات المحطات اللولبية واللحام، التي تصل معدلات أعطالها إلى 0.5 FIT.
الميزة 4: النمذجة الأولية
يُتاح التثبيت السريع والنشر السهل في النماذج الأولية بمجرد إدخال الوحدات باستخدام دبابيس PressFIT في لوحة الدوائر المطبوعة. يمكن إعادة استخدام الوحدات في مشاريع أو تصميمات أو تكوينات أخرى بفضل الوصلات القابلة للإزالة. على الرغم من سهولة تركيب هذا الجهاز، إلا أن الوصلات التي تُنشئها دبابيس PressFIT مناسبة للاستخدام في المنتجات النهائية نظرًا لموثوقيتها العالية.
الميزة 5: تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة
تُلغى الحاجة إلى موصلات مخصصة ذات فترات زمنية طويلة في الوحدات، إذ لا تتطلب دبابيس PressFIT مكونات متخصصة، وهي متوافقة مباشرةً مع لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs) - على عكس بعض الوصلات. ومن المزايا المهمة لدبابيس PressFIT توافقها مع الثقوب المطلية.
يُقلل وقت التركيب لأن دبابيس PressFIT لا تتطلب سوى توجيه الوحدة بشكل صحيح نحو لوحة الدوائر المطبوعة وتثبيتها في مكانها. كما تُقلل التكاليف الإجمالية للنظام بفضل توافقها مع الثقوب المطلية في لوحات الدوائر المطبوعة، حيث لا تتطلب مكونات إضافية أو خطوات تجميع إضافية سوى الثقوب التي تُنشأ أثناء تصنيع لوحة الدوائر المطبوعة. كما تُعزز دبابيس PressFIT الموثوقية، حيث لا يُمكن إدخال الوحدات بنجاح إلا عند توجيهها بشكل صحيح، مما يُقلل من وقت التركيب وتكاليفه.
تقنية الضغط
يُطلق على تقنية توصيل الضغط المُركّب (Press-Fit) اسم التوصيل المُكوّن من دمج دبابيس مرنة قابلة للتشوه أو دبابيس صلبة مع ثقوب معدنية في لوحة الدوائر المطبوعة. يتحقق التوصيل الكهربائي من خلال الترابط الميكانيكي عن طريق إنشاء نقاط اتصال محكمة بين الدبابيس والثقوب المعدنية. يحدث تشوه إما في المقطع العرضي للدبابيس أو الثقوب المعدنية أثناء عملية التثبيت بالضغط، لأن حجم المقطع العرضي للدبابيس يجب أن يكون أكبر من قطر ثقوب لوحة الدوائر المطبوعة المعدنية لضمان ملاءمة محكمة.
تُمكّن تقنية "Press-fit"، وهي تقنية توصيل دبابيس بدون لحام، من التوصيل الكهربائي الميكانيكي والصيانة دون استخدام تقنية اللحام، حيث تسمح لأطراف التجميع بالاتصال بثقوب التوصيل المطلية كهربائيًا في لوحة الدوائر المطبوعة (PCB). ويمكن من خلال تصميمها واختبارها تلبية متطلبات اختبار متنوعة لإلكترونيات السيارات (بناءً على المعايير الدولية مثل IEC وEIA وSAE)، بما في ذلك اختبارات الاهتزاز والأداء الميكانيكي والصدمات الحرارية (حتى 125 درجة مئوية).
لا يحتوي على مواد موصلة مثل بقايا التدفق أو حبيبات القصدير التي يمكن أن تؤثر على التوصيلات الموثوقة؛
إزالة مشاكل اللحام الشائعة مثل اللحام البارد والدوائر القصيرة وضعف اختراق القصدير؛
لا حاجة إلى مسامير لتثبيت الموصل على لوحة الدوائر المطبوعة بعد التثبيت بالضغط؛
عند استخدام موصلات ذات دبابيس طويلة للتركيب بالضغط، يمكن للدبابيس الممتدة من الجزء الخلفي للوحة الدوائر المطبوعة أن تعمل كدبابيس خلفية لتحقيق اتصالات على الوجهين؛
معاوقة اتصال حتمية وأداء جيد في التردد العالي؛
كفاءة عالية في الضغط والتكلفة المنخفضة؛
قابلة لإعادة الاستخدام للتجميع (حتى ثلاث مرات)؛
لا يتطلب التنظيف بعد التركيب بالضغط، مما يقلل التكاليف مع الحفاظ على البيئة؛
تاريخ اتصال Press-Fit Press
- 1970: تركيب الضغط الصلب
- 1974: تركيب مكبس C وEye of the Needle المرن
- 1983: تركيب مرن لقسم الضغط من شركة Tcom
- ثمانينيات القرن العشرين: التطبيق في صناعة الاتصالات
- تسعينيات القرن العشرين: تطبيق في كل من صناعتي الاتصالات والسيارات
- 2000: تطبيق واسع النطاق في صناعات الاتصالات والسيارات والقاطرات والعسكرية.
يتم استخدام الأنواع التالية من الهياكل لمنطقة التجهيز بالضغط من قبل الشركات المصنعة المختلفة:
يمكن الرجوع إلى المعايير التالية لمتطلبات التصميم العامة للوحات الدوائر المطبوعة. بالنسبة للعلامات التجارية المختلفة، تُحدد المواصفات الفنية المختلفة، مثل قوة الضغط وقوة التثبيت، بناءً على التصميم الهيكلي وأبعاد ومواد دبابيس Pin:
- مع سمك نحاس الثقب الذي يتجاوز 25 ميكرومتر وقوة تقشير لا تقل عن 120 نيوتن، يجب أن يكون طلاء الثقب المعدني موحدًا وخاليًا من النتوءات.
- يجب أن تكون المسافة بين المكونات والموصلات أكبر من 5 مم.
- يجب أن يكون العرض الأقصى 400 ملم.
- المتطلب العام لدقة قطر الحفرة هو ±0.05 مم.
قوة الضغط وقوة الاحتفاظ
- من الأفضل ألا تتجاوز قوة الضغط الفعالة لكل دبوس 150 نيوتن.
- يتم تحديد متطلبات الحد الأدنى لقوة الاحتفاظ لدبابيس الموصل بواسطة المعيار الصناعي الألماني DIN 41611.
| طول أو قطر جهة الاتصال | الحد الأدنى لقوة الاحتفاظ |
| ≤1.3mm | 30N |
| > 1.3mm | 40N |
مواد ل ضغط مناسب
CuSn4/C511, CuSn6/C519, CuSn8/C521
سبائك CuCrZr: C18150/C18160، C18400
المزايا: قوة متوسطة، أداء استرخاء الإجهاد حتى 175 درجة مئوية/1000 ساعة، موصلية كهربائية عالية
العيوب: قابلية التشكيل وأداء الطلاء
سبائك CuNiSi: C7025، C19005/C19010
المزايا: موصلية كهربائية معتدلة، قوة عالية، أداء استرخاء الإجهاد حتى 150 درجة مئوية/1000 ساعة،
العيوب: معامل يونغ أعلى (يعتمد على الاتجاه حسب التحميل)
CuCrZr:C18150/C18160، C18400
البرونز: CuSn4/C511، CuSn6/C519، CuSn8/C521
المزايا: معامل يونغ منخفض، بنية حبيبات دقيقة، مستوى قوة مرتفع،
العيوب: ضعف أداء استرخاء الإجهاد تحت درجات الحرارة العالية (>100 درجة مئوية)، وانخفاض التوصيل الكهربائي،
مواد لتطبيقات الضغط الملائم التي تلبي احتياجات الوصلات ذات "ارتفاع درجة الحرارة المنخفض والتيار العالي والتصغير"
تُعد سبائك CuNiSi خيارًا مثاليًا للوصلات المصغرة كثيفة الإشارة، حيث يُحسّن تحسين قوى الإدخال والإخراج في وصلات Press-Fit من خلال عمليات خاصة استقرار التلامس. تُحلّ هذه السبائك مشكلة موثوقية التلامس في الأطراف المُجعّدة، وتُلبي متطلبات المواد للأطراف في وحدات التحكم الإلكترونية للسيارات من خلال تعزيز استقرار التلامس بفعالية من خلال تحسين قوى الإدخال والإخراج في وصلات Press-Fit عبر تقنيات معالجة خاصة. بالإضافة إلى ذلك، بفضل موصلية المادة الكهربائية التي تتراوح بين 35% و60% من IACS، يتم ضمان نقل إشارة منخفض الكمون. تتجاوز قوة الشد الخاصة بها 850% من IACS*، مما يضمن موثوقية التوصيلات. تُقدّم سبائك CuNiSi أداءً شاملاً ممتازًا من خلال تحقيق اختراقات في العمليات من خلال المعالجة الباردة والمعالجة الحرارية المُعزّزة لتقادم المحلول.
يجب ألا يقل سمك النحاس المثقوب بالكهرباء (سمك النحاس PTH) عن 1 مل (متوسط أو نقطة واحدة)، وهي القاعدة التي يجب اتباعها. لا يُسمح بطلب قطر ثقب ما بعد الطلاء فقط؛ بدلاً من ذلك، يجب إبلاغ الشركة المصنعة للوحة الدوائر المطبوعة بوضوح بحجم الحفر وحجم ما بعد الطلاء مع الإشارة إلى القيم الموصى بها للمكون. عادةً ما يكون سمك طلاء النحاس حوالي 30-55 ميكرومتر، ويكون سمك القصدير الغاطس عمومًا أكبر من 1 ميكرومتر. عادةً ما يكون قطر ثقب PTH مطلوبًا بشكل صارم، والذي يتم تحديده على وجه التحديد وفقًا لتصميم الدبوس. هيكل PTH بسيط نسبيًا. عمومًا، يكون عدد طبقات PCB أكثر من 4. الطلاء عمومًا هو القصدير الغاطس أو OSP. المواد المستخدمة بشكل شائع لـ PTH هي الألياف الزجاجية + راتنج الإيبوكسي + رقائق النحاس، بسمك أكبر من 1.6 مم. تتمتع الدبابيس بهياكل متنوعة، والهدف النهائي هو تصنيع دبابيس تتطلب قوة ضغط منخفضة مع توفير قوة احتفاظ عالية في ظل ظروف سهولة التصنيع والتكلفة المنخفضة.
تُعدّ الموثوقية العالية، والأداء الكهربائي والحراري المتفوق، وسهولة التركيب من بين المزايا العديدة التي تُقدمها تقنية PressFIT لأنظمة إلكترونيات الطاقة. تُبسّط دبابيس PressFIT عملية إنشاء النماذج الأولية والتعديلات واستبدال الوحدات، كما تُغني عن الحاجة إلى اللحام والمفاتيح والأدوات الخاصة بفضل إمكانية إعادة استخدامها. إضافةً إلى ذلك، يُسهّل استخدام الثقوب المطلية في لوحات الدوائر المطبوعة دمج دبابيس PressFIT في التصاميم، بينما تضمن الدبابيس المضغوطة ميكانيكيًا توصيلات آمنة.
مواصلة القراءة
كيفية تحليل المواد الطرفية وعملية اللحام؟
كم عدد أنواع المحطات والموصلات الكهربائية؟ (دليل لـ 14 نوعًا)
طرق التوصيل وتحليل المحطات والموصلات (5 خطوات ضرورية)
ما هي أنواع مواد عزل الموصلات والطرفيات (3 فئات رئيسية)
ما هي العوامل التي تُحدد تكلفة المحطات والموصلات الكهربائية؟ (عشرة عوامل رئيسية)
ما هي الشهادات المطلوبة للمحطات الطرفية والموصلات؟ (ستة أنواع شائعة)
