جدول المحتويات

• الجواب القصير
• الاختلافات الفنية
• لماذا تواجه PCBAs للتحكم في المحركات تحديات فريدة من نوعها
• متى يجب عليك استخدام مادة خالية من الرصاص
• متى يمكنك تبرير اللحام المحتوي على الرصاص (الإعفاءات)
• اعتبارات المكونات الحرجة
• أفضل الممارسات للتحكم في المحركات الخالية من الرصاص PCBA
• الأسئلة الشائعة
• مصفوفة القرار

الإجابة المختصرة: هذا يعتمد على طلبك

مع 20 عامًا من الخبرة في مجال إلكترونيات الطاقة وتحليل الأعطال عبر محركات الأقراص الصناعية ووحدات التحكم في المركبات الكهربائية وأنظمة المؤازرة، قمت بتوثيق كيفية تأثير قرارات اللحام على موثوقية التحكم في المحرك أو كسرها. يوفر هذا الدليل بيانات هندسية وجداول مقارنة وتوصيات تم اختبارها ميدانيًا.

يعد اللحام الخالي من الرصاص إلزاميًا لمعظم منتجات التحكم في المحركات التجارية التي يتم شحنها إلى الأسواق المنظمة (الاتحاد الأوروبي والصين وكوريا). ومع ذلك، توجد استثناءات لتطبيقات غطاء محرك السيارة، والفضاء، وبعض المحركات الصناعية حيث تتجاوز الموثوقية المتطلبات التنظيمية.

الاختلافات الفنية: اللحام المحتوي على الرصاص مقابل اللحام الخالي من الرصاص

يفسر فهم خصائص المواد سبب أهمية هذا القرار بالنسبة للتحكم في المحركات PCBAs.

تكوين السبائك ونقاط الانصهار

مقارنة الموثوقية الميكانيكية

لماذا تواجه PCBAs للتحكم في المحركات تحديات لحام فريدة من نوعها

تواجه مجموعات التحكم في المحركات ضغوطًا لا تواجهها معظم مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور أبدًا. هذه العوامل الثلاثة تجعل اختيار اللحام أمرًا بالغ الأهمية.

1. بيئات عالية الاهتزاز

تواجه وحدات التحكم في المحركات المثبتة مباشرة على المضخات أو الضواغط أو المركبات الكهربائية إثارة ميكانيكية مستمرة. قامت إحدى الدراسات الموثقة بمقارنة PCBAs المتطابقة مع اللحام المحتوي على الرصاص مقابل اللحام الخالي من الرصاص:

- التجمع الرصاص:الفشل الأول بعد 40 ساعة من الاهتزاز العشوائي بقوة 6 جرام (كسر في الساق)

- تجميع خالي من الرصاص:نفس وضع الفشل بعد 4 ساعات فقط من الاهتزاز المماثل

السبب؟ اللحام الخالي من الرصاص يقلل من الليونة. عندما لا يتمكن المفصل من الانثناء، يتركز ضغط الاهتزاز على الرصاص المكون، مما يسبب كسرًا مبكرًا.

2. ركوب الدراجات الحرارية القصوى

محركات المحركات تولد الحرارة. ثم تتوقف المحركات. ثم يبدأون من جديد. يدور محرك صناعي نموذجي من -40 درجة مئوية إلى +125 درجة مئوية آلاف المرات.

لحام الرصاصيستوعب عدم تطابق CTE (معامل التمدد الحراري) بين المكونات وثنائي الفينيل متعدد الكلور من خلال الليونة.

لحام خالي من الرصاصتشكل مركبات بين المعادن أكثر سمكًا وهشاشة (IMCs) عند الواجهة المشتركة. يؤدي نمو IMC المفرط إلى إضعاف الواجهة وتسريع عملية بدء التصدع.

3. التيارات العالية وتسخين الجول

تحمل PCBAs للتحكم في المحرك تيارات مستمرة من 5A إلى 200A+. يواجه كل مفصل لحام تسخينًا ذاتيًا نتيجة لفقدان I²R.

الفرق الأساسي ليس المقاومة ولكن كيفية تعامل المفصل مع إجهاد التدوير الحراري مع مرور الوقت.

عندما يجب عليك استخدام لحام خالي من الرصاص

ولا تترك المتطلبات التنظيمية مجالًا كبيرًا للاختيار في هذه السيناريوهات.

الأسواق المتوافقة مع RoHS

يقيد الاتحاد الأوروبي والصين وكوريا الجنوبية والعديد من الولايات القضائية الأخرى استخدام الرصاص في الإلكترونيات بنسبة 0.1% من وزن المواد المتجانسة. يجب أن تستخدم المنتجات المباعة في هذه الأسواق لحامًا خاليًا من الرصاص ما لم ينطبق إعفاء محدد.

التحكم في المحركات الاستهلاكية والتجارية

الأجهزة المنزلية (الغسالات، مراوح التكييف، ضواغط الثلاجات)

أدوات كهربائية مع محركات الأقراص

وحدات تحكم HVAC التجارية

الروبوتات للاستخدام غير الصناعي

التصنيع الموجه للتصدير

إذا قمت بتصنيع PCBAs للتحكم في المحركات للتوزيع العالمي، فإن الحفاظ على خطوط إنتاج منفصلة تحتوي على الرصاص وخالية من الرصاص يؤدي إلى تعقيد المخزون ومخاطر الجودة. المعالجة الموحدة الخالية من الرصاص هي الخيار العملي.

متى يمكنك تبرير اللحام المحتوي على الرصاص (الإعفاءات)

بعض التطبيقات مؤهلة للحصول على إعفاءات RoHS أو تقع خارج النطاق التنظيمي تمامًا.

إلكترونيات السيارات تحت غطاء محرك السيارة

الإعفاء 7(ج)-I(صالح حتى عام 2026 على الأقل) يسمح بالرصاص في إلكترونيات السيارات عالية الموثوقية حيث تفتقر البدائل الخالية من الرصاص إلى الموثوقية المؤكدة.

تظهر بيانات العالم الحقيقي من موردي المستوى 1 ما يلي:

• تُظهر الوصلات الخالية من الرصاص في وحدات التحكم في المحرك بدء التشقق مبكرًا تحت التدوير الحراري
• يؤدي تشكيل شعيرات القصدير على التشطيبات المصنوعة من القصدير النقي إلى حدوث مخاطر حدوث ماس كهربائي في وحدات التحكم الإلكترونية المختومة
• يواصل العديد من مصنعي المعدات الأصلية للسيارات تحديد اللحام المحتوي على الرصاص للوحدات الحيوية للسلامة

الفضاء والعسكرية

الإعفاء الكامل. اللحام الخالي من الرصاص غير مطلوب لتطبيقات الطيران أو الدفاع أو الفضاء. تستمر هذه القطاعات في استخدام Sn63/Pb37 بناءً على عقود من بيانات الموثوقية.

محركات المحركات الصناعية (متطلبات الحياة لأكثر من 10 سنوات)

عندما يجب أن تعمل وحدة التحكم في المحرك لمدة تزيد عن 15 عامًا في مصنع غير مكيف (-20 درجة مئوية إلى +70 درجة مئوية)، يظل اللحام المحتوي على الرصاص هو الخيار المحافظ. لا تزال بيانات التعب الحراري طويل المدى للخلو من الرصاص في هذه الظروف تتطور.

المعدات الطبية (غير القابلة للزرع)

توجد استثناءات للعديد من الأجهزة الإلكترونية الطبية حيث تؤثر الموثوقية بشكل مباشر على سلامة المرضى.

إصلاح واستبدال قطع الغيار

يجب أن يستخدم PCBAs البديل لمعدات اللحام المحتوي على الرصاص الموجودة لحامًا يحتوي على الرصاص للحفاظ على التوافق المعدني مع الوصلات والمكونات الموجودة.

اعتبارات المكونات الحاسمة للتحكم في المحركات PCBA

لا تتحمل جميع الأجزاء درجات حرارة اللحام الخالية من الرصاص. هذه الفئات الخمس تتطلب اهتماما خاصا.

1. مكونات حساسة لدرجة الحرارة

يبلغ الحد الأقصى للتدفق الخالي من الرصاص عند 245 درجة مئوية إلى 260 درجة مئوية - وهو أعلى بكثير من 220 درجة مئوية إلى 230 درجة مئوية التي تحتوي على الرصاص.

2. مكونات ذات تشطيبات من القصدير النقي

يمكن للتشطيبات المصنوعة من القصدير النقي (الشائعة في المكونات الخالية من الرصاص) أن تنمو شعيرات موصلة بمرور الوقت، وهو ما يمثل خطرًا كبيرًا على أدوات التحكم في المحركات مع التباعد الضيق بين المكونات.

استراتيجيات التخفيف:

- حدد NiPdAu أو تشطيبات البزموت والقصدير غير اللامع بدلاً من القصدير النقي

- تطبيق طلاء امتثالي على جميع وصلات اللحام

- تجنب وضع القصدير النقي على المكونات الموجودة في المناطق ذات الكثافة العالية

3. المخزون الحالي من المكونات المحتوية على الرصاص

يؤدي استخدام مكونات اللحام المحتوي على الرصاص (على سبيل المثال، الخيوط المطلية بـ SnPb) في عملية تجميع خالية من الرصاص إلى إنشاءعدم توافق العملية:

تذوب الطبقة النهائية للمكون عند درجة حرارة 183 درجة مئوية، لكن اللحام الخالي من الرصاص يتطلب درجة حرارة تزيد عن 245 درجة مئوية.

قد تتأكسد الطبقة النهائية للمكون أو تذوب قبل أن يتشكل وصلة اللحام

النتيجة: مفاصل غير موثوقة، وعيوب في وضع الرأس في الوسادة، وفشل في المجال

قاعدة:استخدم المكونات المصنفة لعملية اللحام التي سيواجهونها.

أفضل الممارسات للتحكم في المحركات الخالية من الرصاص PCBA

إذا كانت هناك حاجة إلى استخدام خالي من الرصاص، فإن هذه الممارسات تزيد من الموثوقية إلى أقصى حد.

اختيار تشطيب سطح ثنائي الفينيل متعدد الكلور

توصية:توفر ENIG أفضل فترة ترطيب وأطول فترة صلاحية للتجميع الخالي من الرصاص.

إنحسر الملف الشخصي الأمثل

يؤدي ملف إنحسر الخالي من الرصاص المُحسّن بشكل سيئ إلى إنشاء مفاصل باردة وفراغات وIMCs هشة.

تخفيف الاهتزاز للمفاصل الخالية من الرصاص

نظرًا لانخفاض ليونة الاهتزاز في الخالي من الرصاص، اتخذ هذه الخطوات الإضافية:

1. بوتينغ / التغليف:املأ العلبة حول المكونات ذات الكتلة العالية (الموصلات والمحولات والمكثفات الكبيرة) بمركب تأصيص السيليكون أو اليوريثان. يؤدي هذا إلى نقل ضغط الاهتزاز بعيدًا عن مفاصل اللحام.

2. مكونات لاصقة المستعبدين:استخدم مادة لاصقة من الإيبوكسي أو السيليكون تحت الأجهزة الكبيرة المثبتة على السطح (المحاثات، ومكثفات الألومنيوم).

3. تقليل ارتفاع المواجهة المكون:تعمل المكونات الطويلة ذات الخيوط الطويلة كرافعات اهتزاز. حدد المكونات منخفضة المستوى حيثما أمكن ذلك.

الأسئلة الشائعة حول التحكم في المحركات PCBA

فيما يلي ثلاثة أسئلة فنية من مصممي محركات السيارات ومهندسي التصنيع.

س1: أقوم بتصميم وحدة تحكم بمحرك السيارة الكهربائية لمورد سيارات من المستوى الأول. هل يمكنني استخدام لحام خالي من الرصاص؟

ج:نعم، ولكن مع اختبارات التأهيل الهامة. يستخدم معظم موردي السيارات من المستوى 1 حاليًا اللحام الخالي من الرصاص للتصميمات الجديدة نظرًا لأن الامتثال لـ RoHS مطلوب لمركبات أسواق الاتحاد الأوروبي. ومع ذلك، توجد استثناءات للإلكترونيات الموجودة أسفل غطاء المحرك حيث تظل بيانات الموثوقية الخالية من الرصاص غير كاملة.

يجب أن تتضمن خطة التأهيل الخاصة بك ما يلي:

نصيحة عملية:يواصل العديد من مصنعي المعدات الأصلية للسيارات تحديد اللحام المحتوي على الرصاص لوحدات التحكم الإلكترونية الموجودة أسفل غطاء المحرك باستخدام إعفاء RoHS الحالي. ناقش مع عميلك قبل الالتزام بالمنتج الخالي من الرصاص. إذا كان الخلو من الرصاص أمرًا إلزاميًا، فحدد تشطيب سطح ENIG والطلاء المطابق لجميع التجميعات.

السؤال الثاني: فشل محرك المحرك الصناعي الخاص بي بعد 18 شهرًا بسبب تشقق وصلات اللحام في وحدات MOSFET الستة للطاقة. يستخدم التجميع لحام SAC305 الخالي من الرصاص. ما الخطأ الذي حدث؟

ج:هذا هو فشل التعب الحراري الكلاسيكي. هنا هو التسلسل التشخيصي:

الخطوة 1 – فحص مواقع الكراك:تحت المجهر، انظر إلى الواجهة بين سلك MOSFET وشريحة اللحام. إذا كان الشق يمتد على طول طبقة المركب الفلزية (IMC)، فإن IMC أصبح سميكًا جدًا أثناء إعادة التدفق.

الخطوة 2 - مراجعة ملف تعريف إعادة التدفق الخاص بك:بالنسبة لـ SAC305، يجب أن يكون الوقت فوق السائل (TAL) من 60 إلى 90 ثانية كحد أقصى. إذا تجاوزت TAL الخاص بك 120 ثانية، فيمكن أن يتجاوز سمك IMC 10 ميكرومتر (تبدأ المنطقة الهشة فوق 5 ميكرومتر).

الخطوة 3 - قياس ارتفاع درجة الحرارة عند وسادة تصريف MOSFET:باستخدام كاميرا تعمل بالأشعة تحت الحمراء، قم بقياس درجة حرارة الوسادة عند التحميل الكامل. إذا تجاوزت 110 درجة مئوية، فإن دلتا التدوير الحراري (ΔT) كبير جدًا.

الخطوة 4 - التحقق من التركيب أحادي النقطة:إن وحدات MOSFET ذات الوسادات الحرارية الكبيرة (DPAK، وD2PAK، وTO-263) التي تفتقر إلى المنافذ الحرارية أو التي تحتوي على فراغات أسفل الوسادة، تواجه نقاطًا ساخنة. تصوير المفاصل بالأشعة السينية، فالفراغات التي تزيد عن 25% من مساحة الوسادة غير مقبولة.

الإصلاحات الموصى بها (حسب الأولوية):

1. تقليل ΔT:أضف مبددًا حراريًا أو قم بتحسين تدفق الهواء لإبقاء منصات MOSFET أقل من 90 درجة مئوية عند التحميل الكامل.

2. إضافة فيا الحرارية:تحت كل لوحة MOSFET، ضع مجموعة من 0.3 مم (مملوءة ومغطاة) لسحب الحرارة إلى المستوى الأرضي لثنائي الفينيل متعدد الكلور.

3. استخدم سبيكة منخفضة الفضة:فكر في SAC105 (1% Ag) بدلاً من SAC305. يؤدي انخفاض محتوى الفضة إلى زيادة الليونة ومقاومة التعب الحراري على حساب نقطة انصهار أعلى قليلاً.

4. وعاء الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة:ضع مركب تأصيص موصلًا حراريًا فوق الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET). وهذا يخفف من إجهاد التدوير الحراري وينقل الحرارة.

Q3: أحتاج إلى إصلاح PCBA للتحكم في المحرك والذي كان يستخدم في الأصل اللحام المحتوي على الرصاص. هل يمكنني استخدام لحام خالي من الرصاص للإصلاح؟

ج:من الناحية الفنية نعم، ولكن لا ينصح به. هنا هو السبب:

المشكلة 1 - المعادن المختلطة:لا يمتزج اللحام الخالي من الرصاص (SAC305) جيدًا مع بقايا اللحام المحتوي على الرصاص (Sn63/Pb37). تتمتع السبيكة الناتجة بنقطة انصهار لا يمكن التنبؤ بها (عادةً 190 درجة مئوية إلى 210 درجة مئوية) وتشكل وصلات محببة ضعيفة وعرضة للتشقق.

المشكلة 2 - الصراع في درجات الحرارة:لتدفق اللحام الخالي من الرصاص بشكل صحيح، تحتاج إلى طرف حديد لحام بدرجة حرارة تتراوح من 370 درجة مئوية إلى 400 درجة مئوية. درجة الحرارة هذه يمكن أن:

قم بفصل لوحة ثنائي الفينيل متعدد الكلور من الركيزة FR4

إتلاف المكونات المجاورة (خاصة المكثفات الإلكتروليتية)

تذوب الموصلات البلاستيكية القريبة

بروتوكول الإصلاح الموصى به:

إذا كان يجب عليك استخدام مادة خالية من الرصاص على لوح يحتوي على الرصاص:قم بإزالة 100% من اللحام الموجود من منطقة الإصلاح باستخدام محطة إزالة اللحام بالتفريغ. افحص تحت التكبير - أي بقايا لحام تحتوي على الرصاص سوف تلوث المفصل الجديد. ثم تابع اللحام الخالي من الرصاص عند 370 درجة مئوية مع التدفق النشط.

مصفوفة القرار: الرصاص مقابل الخالي من الرصاص للتحكم في المحركات PCBA

استخدم هذا الجدول لتوجيه اختيارك للحام.

اللحام الخالي من الرصاص مطلوب قانونًا لمعظم مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور للتحكم في المحركات والتي يتم شحنها إلى الأسواق المنظمة. ومع ذلك، فإن الخصائص المادية للسبائك الخالية من الرصاص - الهشاشة العالية، وتكوين IMC الأكثر سمكًا، ومخاطر شعيرات القصدير - تخلق مخاوف حقيقية بشأن الموثوقية في تطبيقات الاهتزاز العالي والتدوير الحراري.

للتطبيقات الإلزامية الخالية من الرصاص:

استخدم تشطيب السطح ENIG للحصول على أفضل ترطيب

التحكم في ملف إنحسر بعناية (TAL 60-90 ثانية، الذروة 245-260 درجة مئوية)

أضف القدر أو المادة اللاصقة للمكونات ذات الكتلة العالية

تطبيق طلاء امتثالي للتخفيف من شعيرات القصدير

بالنسبة للطلبات المؤهلة للحصول على الإعفاءات (غطاء محرك السيارة، والصناعية 10+ سنة، والفضاء، والطبية):

- يظل اللحام المحتوي على الرصاص (Sn63/Pb37) هو المعيار الذهبي للموثوقية

- من الصعب استبدال الجمع بين الليونة ومقاومة الاهتزاز وعقود من البيانات الميدانية

للإصلاحات:تطابق سبائك اللحام الأصلية. تخلق المعادن المختلطة وصلات غير موثوقة ولا يمكن التنبؤ بها.

يوازن القرار في النهاية بين الامتثال التنظيمي والموثوقية الميدانية. بالنسبة للمنتجات الاستهلاكية التي يتراوح عمرها المتوقع من 3 إلى 5 سنوات، تكون المنتجات الخالية من الرصاص ناضجة وموثوقة. بالنسبة لعناصر التحكم في المحركات ذات السلامة الحرجة أو ذات العمر الطويل، اتبع الإعفاء واستخدم اللحام المحتوي على الرصاص.