كيف نضمن موثوقية وصلات اللحام في لوحات الدوائر الكهربائية الخاصة بمصابيح الحدائق الشمسية LED؟

تحديات التماني الحراري وتوافق المواد

عدم تتطابق في التوسع الحراري بين مصابيح LED، الركائز FR-4، ولحام SAC305

يُعد دمج المواد بشكل مناسب أمرًا بالغ الأهمية عند إنشاء وصلات لحام موثوقة في لوحات الدوائر الكهربائية الخاصة بمصابيح الحدائق الشمسية التي تعمل بالطاقة الكهروضوئية. انظر إلى الأرقام: توسع الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED) بحوالي 6 إلى 8 أجزاء بالمليون لكل درجة مئوية، في حين ترتفع قواعد FR-4 حوالي 14 إلى 17 جزءًا بالمليون/°م. أما لحام SAC305 الذي نستخدمه عادةً فيتوسع أكثر، بنحو 22 جزءًا بالمليون/°م. هذه الفروقات تخلق مشكلات حقيقية أثناء التغيرات الحرارية. ماذا يحدث؟ تتراكم إجهادات ميكانيكية مباشرة عند نقاط الاتصال بين المكونات. مع مرور الوقت، يؤدي ذلك إلى تشكل شقوق صغيرة داخل وصلات اللحام نفسها. تشير التقارير الميدانية الصناعية فعليًا إلى أن نحو ثلثي حالات الفشل المبكر في أنظمة الإضاءة الشمسية الخارجية ناتجة عن مشكلات التمدد الحراري هذه. ولهذا السبب يركز المصنعون الأذكياء كثيرًا على مطابقة المواد بدقة. وعندما يتم ذلك بشكل صحيح، فإنهم يقللون بشكل كبير من نقاط الإجهاد، مما يجعل منتجاتهم تدوم لفترة أطول بكثير خلال دورات التسخين والتبريد العديدة التي تحدث في البيئة الخارجية.

الدورة الحرارية المتسارعة (من -40°م إلى +85°م، أكثر من 1000 دورة) كمؤشر للموثوقية

تُحاكي اختبارات الدورة الحرارية المتسارعة عقودًا من الإجهاد الموسمي في غضون أسابيع. وتُظهر خضوع لوحات الدوائر المطبوعة لأكثر من 1000 دورة بين -40°م و+85°م تطور الفشل الذي يرتبط ارتباطًا وثيقًا بالأداء في العالم الحقيقي:

• المرحلة المبكرة (الدورات 1–300) : سماكة طبقة المركب البيني المعدني (IMC)
• المرحلة المتوسطة (الدورات 301–700) : اندماج الفراغات المجهرية وبدء التشققات
• المرحلة النهائية (700+ دورة) : تصدعات عبر الوصلة وانقطاع التوصيل الكهربائي

تنبئ هذه المنهجية بموثوقية الأداء الميداني بدقة تصل إلى 92% عند مواءمتها مع ملفات المناخ الإقليمية. وتشير الشركات المصنعة التي تستخدم بروتوكولات دورة حرارية تم التحقق منها إلى انخفاض بنسبة 40% في مطالبات الضمان في المناطق شديدة التقلب الحراري.

تحسين عملية اللحام الخالي من الرصاص لضمان المتانة في البيئات الخارجية

تتعرض أضواء المناظر الطبيعية الشمسية ذات الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED) لهجمات بيئية قاسية باستمرار — التعرض للأشعة فوق البنفسجية، ودورات الرطوبة، والتقلبات الحرارية الواسعة — مما يتطلب موثوقية قوية في وصلات اللحام. إن فهم آليات الفشل وتحسين بروتوكولات التصنيع أمر ضروري لضمان العمر الطويل.

آليات تدهور الأشعة فوق البنفسجية/الرطوبة في سبائك SnAgCu على لوحات الدوائر الكهربائية المطبوعة (PCBs) الخاصة بأضواء المناظر الطبيعية الشمسية ذات الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED)

يلبي لحام النوع SnAgCu أو SAC الخالي من الرصاص المعايير البيئية، ولكنه يميل إلى التدهور عند تركه في الخارج لفترات طويلة. في الواقع، يُسرّع ضوء الشمس من عملية تفكك الأجزاء البلاستيكية الموجودة على اللوحات الدوائر، مما يؤدي إلى إضعاف الاتصال بين اللحام واللوحة مع مرور الوقت. وفي الوقت نفسه، تتسلل الرطوبة إلى هذه الوصلات وتسبب تفاعلات كيميائية تُكوّن مسارات توصيلية صغيرة عبر الأسطح حيث لا ينبغي أن تكون، ما قد يؤدي إلى دوائر قصيرة خطيرة. وعند التعرض لدورات متكررة من ظروف الرطوبة العالية بنسبة 85 بالمئة تقريبًا من الرطوبة النسبية ودرجة حرارة حوالي 85 درجة مئوية، تزداد نسبة تآكل وصلات لحام SAC305 بنسبة أربعين بالمئة تقريبًا مقارنة بما يحدث في بيئات المختبرات العادية. يعني هذا التأثير المشترك أن على المصنّعين التفكير في معالجة المشكلات من زوايا متعددة، مع النظر في المواد المستخدمة وكيفية تصميم المنتجات.

التحكم في ملف إعادة التصهير للحد من التفويض والتغيرات في المركبات البينمعدنية (IMC)

إدارة الحرارة بدقة أثناء عملية إعادة التصهير تضمن سلامة الوصلة. تشمل المعايير الحرجة ما يلي:

• معدل الارتفاع : ≤2°م/ثانية لتجنب الصدمة الحرارية للمكونات وتقشير اللوحة
• درجة الحرارة القصوى : 240–245°م لسبيكة SAC305—ضمان انصياب السبيكة بالكامل دون إضرار لمصابرات LED الحساسة للحرارة
• الوقت فوق درجة الانصياب (TAL) : 60–90 ثواني للحد من نمو المركبات البينمعدنية بشكل مفرط
• معدل التبريد : 3–4°م/ثانية لتعزيز تشكيل طبقات المركبات البينمعدنية ناعجة ومقاومة ميكانيكياً (<4 ميكرومتر سماكة)

تؤدي الفراغات التي تتجاوز 25% من مساحة الوصلة إلى تقليل عمر الت-fatigue الحراري بنسبة 50%. وتقلل عملية إعادة التصهير بمساعدة النيتروجين الأكسدة وتخفض تشكيل الفراغات إلى أقل من 5%—وهي مزية رئيسية للتطبيقات الخارجية العرضة للرطوبة.

مطابقة IPC ومعايير الفحص البصري لموثوقية الوصلات اللحامية

معايير القبول وفق IPC-A-610 الفئة 2 للوحات الدوائر المطبوعة الخاصة بمصابيح الحدائق الشمسية LED

تتطلب لوحات الدوائر المطبوعة لمصابيح الحدائق الشمسية LED الامتثال لمواصفة IPC-A-610 الفئة 2 — وهي المعيار الصناعي للتجميعات الإلكترونية المصممة للاستخدام الطويل الأمد في بيئات غير حرجة ولكنها تتسم بالصرامة مثل الإضاءة الخارجية. وتشمل متطلبات وصلات اللحام الرئيسية ما يلي:

• تغطية لا تقل عن 75% لفيليه الكعب في مصابيح LED المثبتة على السطح
• عدم وجود شقوق مرئية في وصلات الثقب بعد دورة التغير الحراري
• أقصى نسبة فراغات تبلغ 25% في وصلات اللحام

تتحقق الفحوصات البصرية الآلية (AOI) من هذه المعايير مقابل عتبات النجاح/الإخفاق الموثقة، مما يضمن قدرة الوصلات على تحمل دورة التغير الحراري المستخدمة في الحدائق (من −40°م إلى +85°م). ويجب إعادة معالجة أي شقوق غير مطابقة أو عدم كفاية في التبليل قبل التغليف المانع للتسرب لمنع الأعطال الناتجة عن دخول الرطوبة.

إرشادات الملحق B في المواصفة IPC-J-STD-001G بشأن تبليل أسطح ENIG وهندسة الفيليه

عندما يتعلق الأمر بتشطيبات النيكل الكهربائي بالغمر في الذهب (ENIG)، التي تُستخدم عادةً على اللوحات الدوائر المطبوعة في تطبيقات الإضاءة الشمسية، فإن المعيار IPC-J-STD-001G المرفق B يحدد متطلبات ترطيب محددة يجب أن يتبعها المصنعون. تعني معايرة هندسة السائل بشكل جيد التأكد من أن اللحام يكون على اتصال بزوايا أقل من 90 درجة ويشكل طبقة مركبة بين المعادن متجانسة حيث يلتقي النحاس باللحم. وفقًا لمعايير المرفق B، ينبغي تغطية ما لا يقل عن 95٪ من الوسادات خلال خمس ثوانٍ فقط أثناء عملية إعادة الصهر عند استخدام سبائك SAC305. وهذا يساعد على تجنب مشاكل الانفصال الجزئي للحام التي قد تضعف قدرة اللوحة على مقاومة أضرار الرطوبة مع مرور الوقت. بالنسبة للملامح الحرارية، فإن الحفاظ على درجات حرارة قصوى تتراوح بين 235 و245 درجة مئوية أمر ضروري. هذا المدى يتيح خصائص ترطيب مناسبة ويحافظ في الوقت نفسه على مخاطر هشاشة الذهب منخفضة، مما يمنع بدوره نمو البلورات الشجرية المزعجة ويحد من مشاكل التآكل، خاصة عندما تُستخدم اللوحات في بيئات رطبة.

استراتيجيات الحماية البيئية ضد الفشل الناتج عن الرطوبة

لا يزال دخول الماء إلى الوصلات أحد أكبر المشاكل التي تسبب تلفًا في وصلات اللحام على لوحات الدوائر الكهربائية الخاصة بمصابيح الحدائق العاملة بالطاقة الشمسية. وهذا يؤدي إلى تكوّن الصدأ بشكل أسرع وحدوث أعطال كهربائية في وقت أبكر عندما تتعرض هذه المصابيح للعوامل الجوية. إن أفضل وسيلة دفاع تبدأ بتطبيق طلاءات عازلة، تُصنع عادةً من مواد الأكريليك أو السيليكون، وفقًا للمعايير الصناعية مثل IPC-CC-830B. وتُشكّل هذه الطبقات الواقية حواجز قوية ضد الرطوبة، كما أنها تتحمل التعرّض للشمس بشكل جيد، وهو أمر بالغ الأهمية إذا كان لا بد من أن تعمل هذه المصابيح بشكل موثوق في الحدائق على المدى الطويل. ومن المهم أيضًا اختيار معدلات تمدد مناسبة بين مادة اللوحة والطلاء العازل. فعند تقلّب درجات الحرارة بين ناقص 40 درجة مئوية و.plus 85، فإن المواد غير المتناسقة لا تتماسك بشكل صحيح وتبدأ بالتقشر.

بالنسبة للتطبيقات عالية الخطورة، تشمل الحماية المُقَوَّاة ما يلي:

• تغليف السائقين واتصالات البطارية براتنجات الإيبوكسي أو البولي يوريثان
• تطبيق طلاءات نانوية كارهة للماء مباشرة على وصلات اللحام لمنع تسرب الماء
• دمج قنوات تصريف في الأغلفة لمنع تجمع المياه

يجب أن تخضع كل وحدة تجمع لفحوصات بيئية صارمة قبل الإطلاق. يتضمن الاختبار القياسي تشغيل المكونات لأكثر من 500 ساعة عند رطوبة نسبية تبلغ 85 بالمئة ودرجة حرارة 85 مئوية وفقًا للمعايير IEC 60068-2-78. ويساعد هذا في التتحقق مما إذا كانت الوصلات اللحامية ستصمد في ظل الظروف الواقعية. وعندما لا يتم التسيطرة على الرطوبة بشكل كافٍ، فإن معدلات الفشل قد تزداد حتى ثلاثة أضعاف خلال دورات متكررة من البيئات الرطبة والجافة. يبدأ التضمين الصحيح لهذا الجانب مبكرًا في مرحلة التصميم. ويجب أن يركز المهندسون على تقليل الفجوات الصغيرة حول الوسادات اللحامية حيث تبدأ المشاكل. كما يجب أن يتركوا مسافات كافية بين الموصلات لمنع التفاعلات الكيميائية غير المرغوبة. إن إيجاد التوازن المناسب بين سماكة الطلاء الواقي وتبعاث الحرارة يعد عملاً معقداً. إذ إن ختماً سميكاً جداً يحبس الحرارة في الداخل، ما يؤدي فعلياً إلى تسريع نمو المركبات البينمعدنية في سبائك SAC305 مع مرور الوقت.

قسم الأسئلة الشائعة

ما الذي يسبب التتحدى المرتبطة بالدورات الحرارية في أضواء المناظر الطبيعية الشمسية LED؟

تُعد تحديات التدوير الحراري ناتجة بشكل أساسي عن عدم تطابق معدلات التمدد الحراري بين مصابيح LED، والركائز FR-4، وقصدير اللحام SAC305، مما يؤدي إلى إجهادات ميكانيكية وتكون شقوق في وصلات اللحام أثناء التغيرات في درجة الحرارة.

كيف تعمل اختبارات التدوير الحراري المتسارع؟

تحاكي اختبارات التدوير الحراري المتسارع عقودًا من الإجهاد الناتج عن درجات الحرارة في وقت قصير، حيث تكشف تقدم الفشل من خلال الدورات وتتنبأ بالأداء في العالم الواقعي.

لماذا تتدهور وصلات اللحام الخالية من الرصاص في البيئات الخارجية؟

تتدهور وصلات اللحام الخالية من الرصاص بسبب التعرض للأشعة فوق البنفسجية والرطوبة العالية، مما يؤدي إلى تحلل المكونات البلاستيكية وحدوث تفاعلات كيميائية تؤدي إلى التآكل والأعطال الكهربائية.

كيف يمكن منع الفشل الناتج عن الرطوبة في وصلات اللحام؟

يمكن منع الفشل الناتج عن الرطوبة من خلال الطلاءات الواقية، والطلاءات النانوية الكارهة للماء، واستراتيجيات التصميم المناسبة لضمان الحماية البيئية.