تحسين التوصيل الحراري للحام لمواجهة مشاكل حرارة الإلكترونيات

في تصميم وتصنيع الأجهزة الإلكترونية الحديثة، أصبحت الإدارة الحرارية عاملاً حاسمًا. نظرًا لأن المكونات الإلكترونية تستمر في الزيادة في كثافة التكامل وكثافة الطاقة، فإن كمية الحرارة المتولدة داخل الأجهزة ترتفع بشكل كبير. إذا لم يتم تبديد هذه الحرارة بشكل فعال، فإنها تؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة المكونات، مما يؤثر في النهاية على أداء الجهاز وموثوقيته وعمره الافتراضي.

في أنظمة التبريد الإلكترونية، يلعب اللحام دورًا محوريًا - ليس فقط بمثابة الجسر الميكانيكي والكهربائي بين المكونات، ولكن أيضًا يعمل كوسيط حاسم لنقل الحرارة. تؤثر الموصلية الحرارية للحام بشكل مباشر على كفاءة نقل الحرارة، مما يجعل الفهم الشامل للخصائص الحرارية للحام أمرًا ضروريًا لاختيار المواد المناسبة، وتحسين التصميم الحراري، وإنشاء منتجات إلكترونية عالية الأداء.

الحام مادة لا غنى عنها في تصنيع الإلكترونيات، وتستخدم في المقام الأول للوصلات الميكانيكية والكهربائية بين المكونات. تشمل وظائفه:

• الترابط الميكانيكي: ينشئ اللحام وصلات هيكلية مستقرة تحافظ على الموثوقية في ظل ظروف التشغيل المختلفة.
• التوصيل الكهربائي: مع الموصلية الممتازة، يضمن اللحام الإرسال غير المنقطع للإشارة بين المكونات.
• النقل الحراري: باعتباره وسيطًا لتوصيل الحرارة، يقوم اللحام بتوجيه الحرارة من المكونات إلى المصارف الحرارية أو هياكل التبريد الأخرى.

مع تقدم التكنولوجيا الإلكترونية، تتطلب كثافات الطاقة المتزايدة متطلبات أداء لحام أكثر صرامة. إلى جانب الخصائص الميكانيكية والكهربائية التقليدية، أصبحت الموصلية الحرارية مقياس تقييم حاسمًا. في التطبيقات عالية الطاقة مثل إضاءة LED ومضخمات الطاقة ووحدات المعالجة المركزية للكمبيوتر، تحدد الأداء الحراري للحام بشكل مباشر درجات حرارة التشغيل وطول عمر الجهاز.

هيمنت سبائك القصدير والرصاص (SnPb) لفترة طويلة على الإلكترونيات نظرًا لخصائص التبلل الممتازة ونقاط الانصهار المنخفضة وقابلية اللحام الفائقة. ومع ذلك، دفعت المخاطر البيئية والصحية للرصاص إلى تغييرات تنظيمية، وأبرزها توجيه RoHS لعام 2006 الخاص بالاتحاد الأوروبي الذي يقيد المواد الخطرة في الإلكترونيات.

أدى هذا الانتقال إلى تطوير بدائل خالية من الرصاص مثل سبائك القصدير والفضة والنحاس (SAC) والقصدير والنحاس (SnCu) والقصدير والزنك (SnZn). في حين أن هذه المواد تتطابق مع SnPb في الأداء الميكانيكي والكهربائي، غالبًا ما تكون موصليتها الحرارية أقل. بالإضافة إلى ذلك، لا يزال الحصول على بيانات موثوقة عن الموصلية الحرارية لهذه السبائك يمثل تحديًا.

عادة ما يتم تصنيف مواد اللحام حسب مستوى التطبيق:

• الوصلة البينية من المستوى 1: تستخدم لوصلات الرقاقة بالعبوة، وتتميز بنقاط انصهار أعلى لتحمل عمليات التجميع اللاحقة. تتطلب هذه الوصلات موثوقية قصوى لأنها تشكل أهم وصلات الجهاز.
• الوصلة البينية من المستوى 2: تربط المكونات المعبأة بلوحات الدوائر، مع نقاط انصهار أقل لتسهيل التجميع دون إزعاج وصلات الرقائق. تحقق هذه الوصلات توازنًا بين التكلفة والموثوقية وقابلية اللحام.

تُعرَّف بأنها انتقال الحرارة لكل وحدة فرق درجة الحرارة عبر وحدة مساحة (W/m·K)، تحدد الموصلية الحرارية قدرة اللحام على تبديد الحرارة. تمكن القيم الأعلى من نقل الحرارة بشكل أسرع من المكونات إلى هياكل التبريد.

يقارن الجدول 1 الموصلية الحرارية لسبائك اللحام الشائعة، مرتبة حسب نقطة الانصهار. لاحظ أن إدخالات نقطة الانصهار الواحدة تمثل تركيبات يوتكتية، بينما تبلغ تفاوتات التركيب ±0.2% للمكونات ≤5% و ±0.5% للمكونات >5%.

تُستخدم اللحامات ذات نقطة الانصهار العالية من الجدول 1 عادةً في تغليف الرقائق المحكم للتطبيقات الفضائية والعسكرية وغيرها من التطبيقات عالية الموثوقية. تتطلب هذه المواد مواد أساسية ذات معاملات تمدد حراري تتطابق مع مواد أشباه الموصلات لمنع حالات الفشل الناجمة عن الإجهاد أثناء التبريد.

يوفر لحام الذهب والقصدير اليوتكتي ترطيبًا ممتازًا وقوة ميكانيكية ومقاومة للتآكل، على الرغم من أن تكلفته المرتفعة تحد من استخدامه للتطبيقات المتميزة.

ظهرت متغيرات القصدير والفضة والنحاس (SAC) مثل Sn96.5Ag3.0Cu0.5 و Sn95.5Ag4.0Cu0.5 كبدائل أساسية لـ SnPb، حيث تتطابق مع الأداء الميكانيكي والكهربائي مع التخلف قليلاً في الموصلية الحرارية (~60 W/m·K عند 25°C).

تجدر الإشارة إلى أن تقدير الموصلية الحرارية للسبائك باستخدام قواعد الخلط البسيطة بناءً على قيم العناصر النقية يمكن أن ينتج أخطاء كبيرة. على سبيل المثال، يظهر AuSn (80/20) موصلية تبلغ 57 W/m·K - أقل من الذهب (315 W/m·K) والقصدير (66 W/m·K) - مما يوضح كيف تؤثر البنية الدقيقة وحدود الحبوب على الأداء الحراري إلى ما هو أبعد من التركيب وحده.

تقلل الفراغات الموجودة في اللحام من مساحة التوصيل الفعالة وتخلق نقاط تركيز للإجهاد. يعد تقليل المسامية من خلال عمليات اللحام المحسنة (التحكم في درجة الحرارة، نظافة المواد، إلخ) أمرًا ضروريًا لتعظيم الأداء الحراري والميكانيكي.

تعزز بيانات الموصلية الحرارية الدقيقة للحام الدقة في تحليل العناصر المحدودة (FEA) ونماذج الحرارة لطريقة الفروق المحدودة (FDM)، مما يتيح تصميمات أفضل لنظام التبريد.

ستسعى اللحامات من الجيل التالي إلى تحقيق موصلية حرارية وقوة وموثوقية أعلى مع تلبية معايير بيئية أكثر صرامة. يركز البحث على اللحامات النانوية المركبة (مع إضافات الجسيمات النانوية) والعمليات المتقدمة مثل اللحام بالليزر واللحام بالموجات فوق الصوتية لتقليل المسامية.

يتطلب اختيار اللحام الأمثل تحقيق التوازن بين:

• نقاط الانصهار الخاصة بالتطبيق
• متطلبات الأداء الحراري/الميكانيكي
• قيود التكلفة
• الامتثال البيئي

• مصابيح LED عالية الطاقة: سبائك AuSn أو SAC المعززة بالجسيمات النانوية
• وحدات المعالجة المركزية للكمبيوتر: سبائك AuSn أو سبائك المعادن السائلة
• الأجهزة المحمولة: سبائك SAC أو SnCu منخفضة الانصهار

تؤثر الموصلية الحرارية للحام بشكل أساسي على كفاءة تبريد الأجهزة الإلكترونية. يتيح اختيار المواد المستنير - مع مراعاة العوامل الحرارية والميكانيكية والاقتصادية والبيئية - الإدارة الحرارية المثلى. سيعالج الابتكار المستمر في مواد وعمليات اللحام متطلبات الأداء المتصاعدة في الإلكترونيات من الجيل التالي.