أهمية إدارة الحرارة في لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)
تعد إدارة الحرارة جانبًا بالغ الأهمية في تصميم لوحات الدوائر المطبوعة (PCB). فعندما يتم لحام المكونات على اللوحة، سواء كان ذلك عن طريق اللحام بالموجة، أو اللحام بإعادة التدفق، أو اللحام اليدوي، يجب اتباع نمط حراري محدد. وإذا كانت الوصلة المرتبطة بسطح نحاسي كبير تفتقر إلى وصلة لتخفيف الحمل الحراري، فإن الكتلة الحرارية الهائلة للسطح ستمتص الحرارة. وهذا يتطلب من المُجمِّع أو المعدات الآلية تطبيق الحرارة لفترة أطول، مما يزيد بشكل كبير من خطر حدوث تلف حراري لركيزة لوحة الدوائر المطبوعة (انفصال الطبقات) أو للمكون الإلكتروني نفسه.
علاوة على ذلك، في عملية اللحام بإعادة الانصهار، قد يؤدي التوزيع غير المتكافئ للحرارة إلى عيب يُعرف باسم “تومبستونينغ”، خاصةً بالنسبة للمكونات الصغيرة ذات الطرفين المثبتة على السطح، مثل المقاومات والمكثفات. يحدث «تومبستونينغ» عندما يذوب معجون اللحام على إحدى الوصلة قبل الأخرى، مما يتسبب في أن يدفع التوتر السطحي المكون إلى الوقوف في وضع عمودي على الطرف المذاب. ويضمن التوزيع الحراري السليم تسخين الوصلات الموجودة على طرفي المكون بمعدل متماثل، مما يقلل بشكل كبير من احتمالية حدوث هذه المشكلة.
كيفية تنفيذ التبريد الحراري للوحات الدوائر المطبوعة (PCB)
اتبع هذه الخطوات لتنفيذ الوصلات الحرارية بشكل صحيح في برنامج تصميم لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) الخاص بك.
الخطوة 1: تحديد النقاط الموصلة بأسطح النحاس
راجع المخطط التخطيطي وتصميم لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) لتحديد جميع نقاط التوصيل الخاصة بالمكونات، والمسارات الموصلة، والثقوب المارة التي ترتبط كهربائيًا بأسطح نحاسية كبيرة (مثل أسطح التأريض وأسطح الطاقة).
الخطوة 2: تهيئة قواعد التخفيف الحراري العامة
في أداة «التحقق من قواعد التصميم» (DRC) أو «مدير القيود» ببرنامج تصميم لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) الخاص بك، قم بإعداد القواعد الافتراضية للتخفيف الحراري. حدد عدد الأضلاع (عادةً ما يتراوح بين 2 و4)، وعرض كل ضلع، وفجوة العزل (المسافة بين الوصلة والنحاس الصلب المحيط بها).
الخطوة 3: ضبط عرض الأضلاع وفقًا للمتطلبات الحالية
على الرغم من أن الأضلاع الرفيعة تُعدّ خيارًا ممتازًا للعزل الحراري، إلا أنها تقلل من مساحة المقطع العرضي المتاحة للتيار الكهربائي. بالنسبة للوسادات عالية التيار، يجب عليك حساب العرض المطلوب للأضلاع لضمان قدرتها على توصيل التيار اللازم دون أن ترتفع درجة حرارتها بشكل مفرط أو تعمل كصمام أمان. قم بضبط الإعدادات المحلية لهذه الوسادات المحددة وفقًا لذلك.
الخطوة 4: مراجعة التوصيلات والتحقق منها
بمجرد تحديث عمليات صب المضلعات (صب النحاس)، قم بفحص الوصلات الحرارية بصريًّا. تأكد من أن الأضلاع قد تشكلت بشكل صحيح، وأنه لم تتشكل أي “جزر” أو وصلات غير مكتملة، لا سيما في المناطق عالية الكثافة باللوحة.
أفضل الممارسات والاعتبارات
عند تطبيق التباعد الحراري، فإن القاعدة العامة هي استخدام أربعة أضلاع للوسادات الدائرية، وإما اثنين أو أربعة أضلاع للوسادات المستطيلة أو المربعة. ويُعد عرض هذه الأضلاع عملية موازنة بين المقاومة الحرارية (لمساعدة عملية اللحام) والتوصيلية الكهربائية (لتحمل تيار الدائرة). بالنسبة للإشارات الرقمية أو التناظرية منخفضة الطاقة، عادةً ما تكون العروض القياسية للأضلاع مناسبة تمامًا. ومع ذلك، في مجال إلكترونيات الطاقة، قد تحتاج إلى استخدام أشكال مخصصة، أو أضلاع أوسع، أو حتى وصلات صلبة (في حالة توفر معدات لحام متخصصة مخصصة للحرارة العالية) لإعطاء الأولوية لقدرة حمل التيار على حساب سهولة اللحام.
ومن الجوانب الأخرى التي يجب أخذها في الاعتبار تصميم الترددات اللاسلكية عالية التردد. ففي دوائر الترددات اللاسلكية، يمكن أن تؤثر الحثية الناتجة عن أذرع وسادة التبريد الحرارية سلبًا على سلامة الإشارة. وفي مثل هذه الحالات المحددة، غالبًا ما يختار مهندسو الترددات اللاسلكية استخدام وصلات صلبة إلى المستوى الأرضي والتغلب على التحديات المتعلقة باللحام من خلال عمليات تصنيع متخصصة، مثل التسخين المسبق لمجموعة لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) بأكملها قبل اللحام.
الأسئلة الشائعة
ماذا يحدث إذا لم أستخدم وسادة تخفيف الحرارة؟
في حالة عدم وجود وسادة تخفيف حراري، تعمل السطح النحاسي الكبير كمبدد حراري، حيث يسحب الحرارة بسرعة بعيدًا عن مكواة اللحام. وغالبًا ما يؤدي ذلك إلى حدوث وصلة لحام “باردة”، تتميز بتوصيل كهربائي ضعيف وقوة ميكانيكية منخفضة. كما أنه يجبر المشغل على تطبيق الحرارة لفترة أطول، مما يزيد من خطر إتلاف لوحة الدوائر المطبوعة أو المكون.
هل هناك حالات ينبغي فيها تجنب التخفيف الحراري؟
نعم. ينبغي عمومًا تجنب استخدام التوزيع الحراري في مسارات الطاقة ذات التيار العالي، حيث قد تعيق الأضلاع تدفق التيار وتسبب ارتفاعًا محليًّا في درجة الحرارة. كما يُتجنَّب استخدامها غالبًا في دوائر الترددات اللاسلكية (RF) عالية التردد، حيث يمكن أن تتسبب الأضلاع في حدوث حث غير مرغوب فيه وتؤثر على الدائرة المعاوقة وسلامة الإشارة.
كم عدد الأضلاع التي يجب أن يحتوي عليها صمام التنفيس الحراري؟
عادةً ما تستخدم لوحة التبريد الحراري ما بين 2 إلى 4 أذرع. وتُعد الأذرع الأربعة هي المعيار القياسي للوحات ذات الثقوب المارة الدائرية ومعظم اللوحات المربعة. وقد تُستخدم ذراعان فقط في اللوحات الأصغر حجمًا المثبتة على السطح أو في مناطق التوجيه الكثيفة التي لا يمكن فيها استيعاب أربعة أذرع فعليًّا مع الحفاظ على قواعد التصميم.
