EN
مقاومات الحرارة السطحية (SMD): لماذا يختلف كل مكوّن عن غيره
الاختلافات في الكتلة الحرارية وحساسية اللحام لدى مقاومات الحرارة السلبية (NTC) والإيجابية (PTC)
أكبر فرق بين مقاومات الحرارة من نوع NTC وPTC هو استجابتها لدرجة الحرارة: فتقل مقاومة النوع NTC مع ارتفاع درجة الحرارة، بينما تزداد مقاومة النوع PTC. وهذا يُشكِّل الفرق الرئيسي في استجابتها الحرارية أثناء اللحام. وتميل مقاومات الحرارة من النوعين NTC وPTC التي تعمل في حزم أصغر مثل الحزم 0402 و0603 إلى التسخُّن بسرعةٍ كبيرةٍ، كما أنها عُرضةٌ للصدمات الحرارية الناتجة عن عملية اللحام. أما الحزم الأكبر مثل 0805 فأعلى، فهي تمتلك كتلة حرارية أكبر، لكنها تمتص الحرارة بوتيرة أبطأ وقد تتحمل وسائل تسخين أبطأ وأكثر اعتدالًا. ويجب الانتباه إلى أن مقاومات الحرارة السيراميكية من النوع NTC موجودة وتتطلب ألا تتجاوز درجة حرارة اللحام القصوى 260°م. فاللحام عند درجات حرارة أعلى من هذه القيمة يؤدي إلى تشكل شقوق دقيقة (Microcracking) قد لا تظهر آثارها إلا بعد وضع المقاومات في الخدمة. أما مقاومات الحرارة البوليمرية من النوع PTC فتتدهور عند درجات حرارة تفوق 230°م، وبالتالي فإن طريقة إجراء عملية اللحام تكتسب أهمية بالغة. ووفقًا لتقرير عيوب اللحام الصادر عن جمعية IPC لعام 2023، كانت مقاومات الحرارة السطحية (SMD) سببًا مباشرًا في 42% من أخطاء ملفات اللحام.
المقاومات الحرارية من نوع SMD: تأثيرات الحساسية للكهرباء الساكنة (ESD) وتأثيرها على تصميم المقاومات الحرارية
تؤدي الركائز الخزفية ذات درجة الحرارة العالية جدًا والمحاثات الميكرومية في مقاومات الحرارة من نوع SMD إلى قابلية عالية جدًا للاستاتيكية الكهربائية (ESD). فصدمة استاتيكية كهربائية بجهد ١٠٠ فولت، وهي أقل بكثير من عتبة الجهد الاستاتيكي التي يُمكن أن يتعرض لها الإنسان، قادرة على تقليل عمر المقاومة الحرارية بنسبة تصل إلى ٣٠٪. وتدفع هذه العتبة لاستخدام معدات آمنة ضد الاستاتيكية الكهربائية مثل الملقاط المضادة للكهرباء الساكنة، وأسطح العمل المؤرضة، وتيار الهواء المؤين. وغالبًا ما يؤدي دمج هذه المقاومات في أجهزة الدوائر الإلكترونية منخفضة التيار جدًا (أقل من ١ مللي أمبير) إلى الحاجة إلى تحكّم دقيق في مادة التدفق (Flux). أما استخدام كمية مفرطة من مادة التدفق فيؤدي إلى بقاء بقايا موصلة غير مرغوب فيها، قد تتسبب في اختصار الحواف المفتوحة للدائرة أو تشكيل مسار لتسريب التيار، مما قد يؤدي إلى أعطال غير مرغوب فيها في الدائرة أو إلى قراءات غير دقيقة. ونتيجةً لهذه القيود، حدد المصنع أقصى درجة حرارة مسموح بها أثناء عملية اللحام الانصهاري (Reflow) عند ٢٥٠°م ± ١٠°م، وذلك للبقاء دون متوسط درجة الحرارة التشغيلية، ولتوفير نقطة ارتكاز تضمن سلامة وصلات اللحام وتقلل من خطر انفصال الطبقات الداخلية. كما أظهرت نتائج التحقق من صحة عملية التجميع التي أجراها المصنع زيادةً بنسبة ٦٠٪ في عيوب المقاومات الحرارية.
تحسين الأدوات والترتيبات لعملية لحام مقاومات الحرارة من نوع SMD بدقة عالية
اختيار وضبط محطات الهواء الساخن وأجهزة لحام الميكرو-طرف للعبوات ذات الأحجام 0402–0805
عند لحام مقاومات الحرارة من نوع SMD ذات الأحجام 0402–0805، يمكن استخدام محطة هواء ساخن تتميز بتوزيع دقيق للهواء (±2°م) وأجهزة لحام ميكرو-طرف ذات رؤوس لا يتجاوز قطرها 0.8 مم لفصل التوصيلات الملحومة، بينما تُستخدم أجهزة اللحام التقليدية لمعالجة حالات الاتصال القصيري (Bridging). وتُجرى معايرة المعدات اللحام شهريًّا، وتُستخدم مستشعرات حرارية قابلة للتتبع لتحسين أداء معدات اللحام؛ إذ إن الانخفاضات الكبيرة في درجة الحرارة بمقدار ±5°م تزيد من احتمال تكوّن المفاصل الباردة الملحومة. أما بالنسبة للحام اليدوي، فتحفظ رؤوس أجهزة اللحام ضمن نطاق درجات حرارة يتراوح بين 350 و380°م، بينما يجب ألا تتجاوز درجة حرارة اللحام بالهواء الساخن 280°م، وبحد أقصى لمعدل الارتفاع في درجة الحرارة أثناء اللحام قدره 2°م/ثانية.
اختيار معجون اللحام (Flux) وطريقة تطبيقه والملفات الحرارية عند لحام مقاومات الحرارة من نوع SMD
المواد المُذيبة خالية من التنظيف ومنخفضة البقايا وخالية من الهالوجين هي الأفضل لتكوين وصلات اللحام عالية الجودة لمكونات الإلكترونيات السلبية، ولتوفير ساعات العمل، نظرًا لأن هذه المواد المُذيبة خالية من الراتنجات وقابلة للذوبان. ويجب تطبيق المادة المُذيبة بدقة محددة، مع تجنب تطبيقها على جسم الترمستور لمنع زيادة تكربن مادة النحاس وارتفاع مقاومة العزل. أما ملف درجة الحرارة المستخدم في عملية لحام الانصهار فيجب أن يتضمن: التسخين المبدئي إلى ما بين ١٥٠–١٨٠°م لمدة ٦٠–٩٠ ثانية، ثم التثبيت عند درجة حرارة ١٨٠–٢٠٠°م لمدة ٦٠–١٢٠ ثانية، ثم الوصول إلى أقصى درجة حرارة للانصهار عند ٢٢٠–٢٥٠°م لمدة ٤٥–٦٠ ثانية فوق درجة الانصهار اليوتيكتية، وأخيرًا التبريد المتحكم به بحيث لا يتجاوز معدل انخفاض الحرارة ٤°م/ثانية. ويجب التحقق من ملف لحام الانصهار هذا باستخدام ملف حراري معاير ومُقاس بالقرب من البصمة الحرارية للنظام بالنسبة إلى وصلة اللحام.
يمكن تقسيم عملية لحام مقاومات الحرارة السطحية (SMD) إلى أربع خطوات رئيسية: التلويح الخاضع للرقابة، والتركيب الدقيق، ولحام الانصهار ذي الحرارة المزدوجة، والمراقبة الحرارية الفورية.
للتغلب على الكتلة الحرارية والارتداد الحراري اللذين يظهران في القياسات، يجب توفير كمية من معجون اللحام تكفي فقط لإنشاء حافة رقيقة متواصلة. ولتحقيق التثبيت الدقيق ضمن مدى ±0,1 مم، ينبغي التقاط الثرمستورات وتركيبها باستخدام ملقاط مقاومة للكهرباء الساكنة (ESD) وغير مغناطيسية ومزودة بتقنية تكبير ١٠×. وينبغي الجمع بين تسخين اللوحة على المستوى الكلي إلى درجة حرارة ١٥٠°م مع تسخين الأطراف باستخدام مكواة دقيقة مُعدّة لدرجة حرارة ٢٨٠°م، مع تطبيق المكواة لمدة لا تتجاوز ٣ ثوانٍ. ويجب تطبيق إعادة الصهر بشكل قطري، مع تجنب ملامسة المكواة الدقيقة للجسم الخزفي للثرمستور. وفي إجراءات إعادة الصهر، يجب التحكم في درجة حرارة الأطراف بحيث لا تتجاوز ٢٠٠°م باستخدام فرن محمول لإعادة الصهر بالأشعة تحت الحمراء (IR) ذي منطقتين. ويجب التحكم في جودة لحام إعادة الصهر عند مستوى مقبول، ثم استخدام فحص الأشعة السينية للتحقق من وصلات اللحام الخاصة بالثرمستورات. ويجب تحديد العتبة القصوى للفراغات بنسبة ١٥٪. كما ينبغي تحليل المقاطع العرضية للفراغات بالتوازي مع الانجراف الحراري لربط النتائج المتعلقة بالفراغات بشكل كامل بأداء أجهزة NTC وPTC.
المفاصل الباردة، والجسور اللحامية، وانفصال الوسادات في لحام المقاومات الحرارية السطحية (SMD)
تبدو المفاصل الباردة باهتة أو مسامية مع وجود كمية قليلة جدًا من اللحيم أو انعدامه تمامًا. وعادةً ما ينتج ذلك عن استخدام كمية غير كافية من اللحيم، أو عن استخدام كمية زائدة أو ناقصة جدًا منه. وقد يؤدي تجمع خيوط رفيعة من اللحيم عند المفاصل جنبًا إلى جنب مع تكوين غير جيد للحبة اللحيمية إلى إنتاج مفصل لحيمي رديء. ويمكن إعادة صهر هذه المفاصل باستخدام لحيم جديد خالٍ من مواد التنظيف (no-clean) وتدفق مادة التدفق اللحيمية (solder flux)، ثم تسخينها باستخدام طرف دقيق (micro-tip) عند درجة حرارة تتراوح بين ٢٣٠ و٢٥٠ درجة مئوية. ويُوصى بإجراء دورة واحدة أو دورتين فقط كحدٍّ أمثل. أما الإفراط في وضع اللحيم أو سوء محاذاة قالب اللحيم (solder stencil) فيؤدي غالبًا إلى تكوّن جسر لحيمي (solder bridge). وهذا يؤدي إلى ضعف التحكم في اللحيم، ويُسبب إجهادًا شديدًا على التوصيلات الأخرى القريبة من المفصل اللحيمي؛ ولذلك يُزال الجسر اللحيمي باستخدام حبل إزالة اللحيم (desoldering braid) عند أقصى درجة حرارة تبلغ ٢٨٠ درجة مئوية لتقليل احتمال حدوث قصر حراري. أما رفع الوصلة (Pad lifting) فيحدث عندما ينفصل المفصل بوضوح عن قاعدة الركيزة، وغالبًا ما يكون ذلك نتيجة لبقاء الوصلة على الركيزة لفترة طويلة جدًا (excessive pad dwell) أو بسبب دعم ضعيف للوصلة. ويتفاقم هذا العيب عند عدم كفاية دعم الوصلة. وتُنظَّف الأسطح المؤكسدة باستخدام الكحول الإيزوبروبيلي (IPA) لكشف أسطح جديدة، ثم تُعزَّز هذه الأسطح باستخدام مادة الإيبوكسي الفضية الموصلة التي عادةً ما تربط الوصلة بالركيزة عبر دورات حرارية تتراوح درجات حرارتها بين -٤٠ و+١٢٥ درجة مئوية. ويجب دائمًا التحقق من صحة الإصلاح عبر إجراء ٥٠ دورة تشغيلية بين الحدَّين الأقصيين للتشغيل لتأكيد السلامة الميكانيكية والكهربائية.
الأسئلة والأجوبة
ما الفرق الرئيسي بين مقاومات الحرارة من النوع NTC ونوع PTC؟
تنخفض مقاومة مقاومات الحرارة من النوع NTC عند تطبيق الحرارة، بينما يتصرف النوع PTC سلوكًا عكسيًّا مقارنةً به. ويؤثِّر هذا الفرق تأثيرًا كبيرًا في كلٍّ من معايير اللحام وظروف التشغيل لهذه المكونات.
ما أفضل طريقة لتقليل التفريغ الكهروستاتيكي (ESD) أثناء تركيب مقاومات الحرارة السطحية (SMD)؟
ومن أفضل الطرق لتحقيق هذه الغاية استخدام ملقاط مقاوم للتفريغ الكهروستاتيكي ومُوصَلٌ بالأرض، ومنطقة عمل موصولة بالأرض، واستخدام تيار هوائي مؤين ومُوصَلٌ بالأرض قادرٌ على التفريغ عند جهد منخفض. ويجب استخدام المعدات بطريقة تضمن تبدُّد أصغر شحنة كهروستاتيكية قد تؤدي إلى حدوث تفريغ كهروستاتيكي بالكامل، بحيث لا يتأثر أداء مقاومة الحرارة، ويتم ضمان تشغيلها الآمن والفعال ضمن النظام المودولي.
ما أفضل الأجهزة المستخدمة للحام مقاومات الحرارة ذات المخطط الصغير جدًّا مثل المقاسات 0402 و0603؟
أفضل الأجهزة لهذا الغرض هي محطة الهواء الساخن التي تتميز بالتحكم الدقيق الضروري في درجة الحرارة، جنبًا إلى جنب مع لوح لحام دقيق القُطب (ميكرو-تيب) قطره أقل من ٠٫٨ ملليمتر. ولتحقيق النتائج المرغوبة، استخدم التحكم في الأحداث خلال فترة معايرة لا تتجاوز شهرًا واحدًا.
لماذا يُعد اختيار معجون اللحام (الفلوكس) أمرًا مهمًّا عند لحام مقاومات الحرارة السطحية (SMD)؟
لأن استخدام معجون لحام غير مناسب قد يترك نواتج ثانوية تُحدث دائرة تسريب أو تُعزل طبقات المقاومة الحرارية، مما يؤدي إلى أداء ضعيف للدائرة. ولأعمال الدقة العالية، استخدم معجون لحام لا يتطلب تنظيفًا (No Clean) وخاليًا من الهالوجين.
ما سبب انفصال الباد (Pad) وما الطريقة المتبعة لإصلاحه؟
يحدث انفصال الباد عادةً بسبب تصميم غير مناسب للباد أو تطبيق كمية حرارة زائدة. ويمكن إصلاح الانفصال البسيط باستخدام راتنج فضي موصل بعد تنظيف الطبقات المؤكسدة.
