بهبود رسانایی گرمایی لحیم برای مقابله با مشکلات گرمایی الکترونیک
December 1, 2025
در طراحی و ساخت دستگاههای الکترونیکی مدرن، مدیریت حرارتی به یک عامل حیاتی تبدیل شده است. با افزایش مداوم تراکم یکپارچهسازی و چگالی توان در قطعات الکترونیکی، میزان گرمای تولید شده در داخل دستگاهها به طور چشمگیری افزایش مییابد. اگر این گرما به طور موثر دفع نشود، منجر به افزایش دمای قطعات میشود که در نهایت بر عملکرد، قابلیت اطمینان و طول عمر دستگاه تأثیر میگذارد.
در سیستمهای خنککننده الکترونیکی، لحیمکاری نقش محوری دارد—نه تنها به عنوان پل مکانیکی و الکتریکی بین قطعات عمل میکند، بلکه به عنوان یک واسطه انتقال حرارت حیاتی نیز عمل میکند. رسانایی حرارتی لحیمکاری مستقیماً بر راندمان انتقال حرارت تأثیر میگذارد و درک کامل خواص حرارتی لحیمکاری را برای انتخاب مواد مناسب، بهینهسازی طراحی حرارتی و ایجاد محصولات الکترونیکی با عملکرد بالا ضروری میسازد.
لحیمکاری یک ماده ضروری در ساخت الکترونیک است که در درجه اول برای اتصالات مکانیکی و الکتریکی بین قطعات استفاده میشود. عملکردهای آن عبارتند از:
- اتصال مکانیکی:لحیمکاری اتصالات ساختاری پایداری ایجاد میکند که قابلیت اطمینان را در شرایط عملیاتی مختلف حفظ میکند.
- اتصال الکتریکی:با رسانایی عالی، لحیمکاری انتقال سیگنال بدون وقفه بین قطعات را تضمین میکند.
- انتقال حرارت:به عنوان یک واسطه هدایت حرارت، لحیمکاری گرما را از قطعات به سینکهای حرارتی یا سایر ساختارهای خنککننده هدایت میکند.
با پیشرفت فناوری الکترونیک، افزایش چگالی توان، الزامات عملکرد لحیمکاری را سختتر میکند. فراتر از خواص مکانیکی و الکتریکی سنتی، رسانایی حرارتی به یک معیار ارزیابی حیاتی تبدیل شده است. در کاربردهای پرقدرت مانند روشنایی LED، تقویتکنندههای قدرت و CPUهای کامپیوتر، عملکرد حرارتی لحیمکاری مستقیماً دمای عملیاتی و طول عمر دستگاه را تعیین میکند.
آلیاژهای قلع-سرب (SnPb) به دلیل خواص ترشوندگی عالی، نقاط ذوب پایین و قابلیت لحیمکاری برتر، مدتهاست که بر الکترونیک تسلط داشتهاند. با این حال، خطرات زیستمحیطی و بهداشتی سرب، تغییرات نظارتی را برانگیخت، که برجستهترین آن دستورالعمل RoHS اتحادیه اروپا در سال 2006 بود که مواد خطرناک در الکترونیک را محدود میکرد.
این گذار، توسعه جایگزینهای بدون سرب مانند آلیاژهای قلع-نقره-مس (SAC)، قلع-مس (SnCu) و قلع-روی (SnZn) را تسریع کرد. در حالی که این مواد از نظر عملکرد مکانیکی و الکتریکی با SnPb مطابقت دارند، رسانایی حرارتی آنها اغلب کمتر است. علاوه بر این، به دست آوردن دادههای رسانایی حرارتی قابل اعتماد برای این آلیاژها همچنان یک چالش است.
مواد لحیمکاری معمولاً بر اساس سطح کاربرد طبقهبندی میشوند:
- اتصال متقابل سطح 1:برای اتصالات تراشه به بسته استفاده میشود و دارای نقاط ذوب بالاتری است تا در برابر فرآیندهای مونتاژ بعدی مقاومت کند. اینها به قابلیت اطمینان بالایی نیاز دارند زیرا مهمترین اتصالات دستگاه را تشکیل میدهند.
- اتصال متقابل سطح 2:قطعات بستهبندی شده را به بردهای مدار متصل میکند، با نقاط ذوب پایینتر برای تسهیل مونتاژ بدون ایجاد اختلال در اتصالات تراشه. اینها تعادلی بین هزینه، قابلیت اطمینان و قابلیت لحیمکاری ایجاد میکنند.
رسانایی حرارتی به عنوان انتقال حرارت در واحد گرادیان دما در سراسر یک واحد سطح (W/m·K) تعریف میشود و توانایی دفع حرارت لحیمکاری را تعیین میکند. مقادیر بالاتر، انتقال حرارت سریعتر از قطعات به ساختارهای خنککننده را امکانپذیر میکند.
جدول 1 رسانایی حرارتی آلیاژهای لحیمکاری رایج را مقایسه میکند که بر اساس نقطه ذوب مرتب شدهاند. توجه داشته باشید که ورودیهای نقطه ذوب منفرد نشاندهنده ترکیبات یوتکتیک هستند، در حالی که تلرانس ترکیب برای اجزای ≤5٪ ±0.2٪ و برای اجزای >5٪ ±0.5٪ است.
| ترکیب (وزن٪) | نقطه ذوب (°C) | رسانایی حرارتی (W/m·K) | یادداشتها |
|---|---|---|---|
| Au (80) / Sn (20) | 280 | 57 | |
| Sn (62) / Pb (36) / Ag (2) | 179 | 51 | |
| Sn (96.5) / Ag (3.5) | 221 | 64 | |
| Sn (95.5) / Ag (4) / Cu (0.5) | 217 | ~60 | آلیاژ SAC |
| Sn (99.3) / Cu (0.7) | 227 | 64 | |
| Sn (100) | 232 | 66 | قلع خالص |
لحیمکاری با نقطه ذوب بالا از جدول 1 معمولاً در بستهبندی تراشه هرمتیک برای هوافضا، نظامی و سایر کاربردهای با قابلیت اطمینان بالا استفاده میشود. اینها به مواد زیرلایه با ضریب انبساط حرارتی مطابق با مواد نیمهرسانا نیاز دارند تا از شکستهای ناشی از تنش در هنگام خنکسازی جلوگیری شود.
لحیمکاری یوتکتیک طلا-قلع، ترشوندگی عالی، استحکام مکانیکی و مقاومت در برابر خوردگی را ارائه میدهد، اگرچه هزینه بالای آن استفاده را به کاربردهای ممتاز محدود میکند.
انواع قلع-نقره-مس (SAC) مانند Sn96.5Ag3.0Cu0.5 و Sn95.5Ag4.0Cu0.5 به عنوان جایگزینهای اصلی SnPb ظاهر شدهاند که عملکرد مکانیکی و الکتریکی را مطابقت میدهند در حالی که کمی در رسانایی حرارتی (~60 W/m·K در 25 درجه سانتیگراد) عقبتر هستند.
قابل توجه است که تخمین رسانایی حرارتی آلیاژ با استفاده از قوانین اختلاط ساده بر اساس مقادیر عنصر خالص میتواند خطاهای قابل توجهی ایجاد کند. به عنوان مثال، AuSn (80/20) رسانایی 57 W/m·K را نشان میدهد—کمتر از طلا (315 W/m·K) و قلع (66 W/m·K)—نشان میدهد که چگونه ریزساختار و مرزهای دانه بر عملکرد حرارتی فراتر از ترکیب به تنهایی تأثیر میگذارند.
حفرههای لحیمکاری، ناحیه هدایت مؤثر را کاهش میدهند و نقاط تمرکز تنش ایجاد میکنند. به حداقل رساندن تخلخل از طریق فرآیندهای لحیمکاری بهینه (کنترل دما، تمیزی مواد و غیره) برای به حداکثر رساندن عملکرد حرارتی و مکانیکی ضروری است.
دادههای رسانایی حرارتی لحیمکاری دقیق، دقت را در تجزیه و تحلیل المان محدود (FEA) و مدلهای حرارتی روش تفاضل محدود (FDM) افزایش میدهد و امکان طراحی بهتر سیستمهای خنککننده را فراهم میکند.
لحیمکاری نسل بعدی به دنبال رسانایی حرارتی، استحکام و قابلیت اطمینان بالاتر در عین رعایت استانداردهای زیستمحیطی سختگیرانهتر خواهد بود. تحقیقات بر روی لحیمکاری نانوکامپوزیت (با افزودنیهای نانوذرات) و فرآیندهای پیشرفته مانند لحیمکاری لیزری و اولتراسونیک برای کاهش تخلخل متمرکز است.
انتخاب لحیمکاری بهینه نیازمند ایجاد تعادل است:
- نقاط ذوب خاص کاربرد
- الزامات عملکرد حرارتی/مکانیکی
- محدودیتهای هزینه
- انطباق زیستمحیطی
- LEDهای پرقدرت:آلیاژهای AuSn یا SAC تقویت شده با نانوذرات
- CPUهای کامپیوتر:آلیاژهای AuSn یا فلز مایع
- دستگاههای تلفن همراه:آلیاژهای SAC یا SnCu با نقطه ذوب پایین
رسانایی حرارتی لحیمکاری اساساً بر راندمان خنککننده دستگاه الکترونیکی تأثیر میگذارد. انتخاب مواد آگاهانه—با در نظر گرفتن عوامل حرارتی، مکانیکی، اقتصادی و زیستمحیطی—مدیریت حرارتی بهینه را امکانپذیر میکند. نوآوری مستمر در مواد و فرآیندهای لحیمکاری، تقاضاهای عملکرد فزاینده در الکترونیک نسل بعدی را برطرف خواهد کرد.