راهنمای کامل لحیم کاری برد مدار چاپی (PCB) بدون سرب 

همانطور که می­دانید لحیم کاری، یکی از ضروری ترین و مهم ترین مهارت هایی است که هر مهندس الکترونیک یا فرد علاقه ­مند به این حوزه باید تا حدودی بلد باشد؛ چرا که هنگام کار با انواع قطعات الکترونیکی و برد مدار چاپی (PCB) عمل لحیم کاری است که باعث اتصال قطعات الکترونیکی مختلف بر روی برد میشود. لحیم کاری معمولاً به دو روش انجام می­شود؛ لحیم کاری با لحیم سرب دار و لحیم بدون سرب. در ادامه ضمن ارائه راهنمای کامل لحیم کاری PCB بدون سرب به معرفی و مقایسه روش های لحیم کاری میپردازیم.

لحیم کاری در برد مدار چاپی (PCB) چیست؟

لحیم کاری یک فرآیند اتصال و پیوستن است که برای اتصال انواع فلزات مختلف به یکدیگر از طریق ذوب لحیم استفاده می شود. یکی از تجهیزات لحیم کاری، خود لحیم است. لحیم یک آلیاژ فلزی است که معمولاً از قلع و سرب ساخته می شود و با استفاده از یک آهن داغ، ذوب می شود. هدف از هر فرآیند لحیم کاری ذوب شدن لحیم بین پین های فلزی قطعه و لنت های فلزی روی برد مدار است تا هنگامی که سفت می شود، یک پیوند فلزی قوی بین دو سطح ایجاد شود. لحیم می‌تواند در قطرهای مختلف عرضه شود.

در واقع از لحیم برای ایجاد پیوندهای دائمی قوی؛ مانند اتصال مسی در برد های مدار و اتصالات لوله های مسی استفاده می شود. در داخل هسته لحیم، روغن لحیم یا فلاکس وجود دارد، ماده ای که برای تقویت و بهبود خواص مکانیکی آن استفاده می شود. برای مطالعه بیشتر در مورد اینکه روغن لحیم چیست، پیشنهاد می کنیم مروری بر محتوای مربوطه داشته باشید.

انواع روش های لحیم کاری

• لحیم کاری نرم (90 درجه سانتیگراد تا 450 درجه سانتیگراد)

این فرآیند دارای کمترین نقطه ذوب فلز پر کننده در بین انواع روش های لحیم کاری در دمای کمتر از حدود 400 درجه سانتیگراد است. به دلیل دمای پایین مورد استفاده در لحیم کاری نرم، کمترین تنش حرارتی به اجزا وارد میشود؛ اما در این روش اتصالات خیلی محکمی نخواهند بود؛ بنابراین برای کاربردهای باربر مکانیکی نامناسب است. این روش برای استفاده در دمای بالا مناسب نیست زیرا این نوع لحیم استحکام خود را از دست داده و ذوب می شود.

• لحیم کاری سخت (نقره ای) (بیش از 450 درجه سانتیگراد)

 برنج یا نقره فلزی است که در این فرآیند استفاده می شود و برای رسیدن به دمایی که در آن فلزات لحیم کاری انجام می شود به یک چراغ جوشکاری نیاز دارد.

• بریزینگ (بیش از 450 درجه سانتیگراد)

 در این نوع لحیم کاری از فلزی با نقطه ذوب بسیار بالاتر از لحیم کاری های سخت و نرم استفاده می شود. با این حال، مانند لحیم کاری سخت، فلزی که به هم متصل می شود، بر خلاف ذوب شدن، گرم می شود. هنگامی که هر دو ماده به اندازه کافی گرم شدند، می توانید فلز لحیم کاری را بین آنها قرار دهید که ذوب می شود و به عنوان یک عامل اتصال عمل می کند.

لحیم سنتی که برای لحیم کاری در صنعت الکترونیک استفاده می شود، مخلوطی از سرب و قلع است. نکته حائز اهمیت این است که انواع مختلف لحیم کاری در اهداف مختلفی کاربرد دارند. حتی در لوله کشی، از لحیم کاری بسیار استفاده می شود.

در الکترونیک، نوع لحیم کاری که مونتاژ کنندگان استفاده می کنند، 40 درصد سرب و 60 درصد قلع بوده و نام آن “مخلوط یوتکتیک” است. این یک اصطلاح شیمیایی است، اغلب، این نوع مخلوط در دمای بسیار پایین‌تر از دمایی که شما انتظار دارید ذوب می‌شود. حال که تا حدودی با لحیم کاری و انواع آن آشنا شدید، به سراغ معرفی لحیم سرب دار و لحیم بدون سرب می رویم.

تفاوت لحیم کاری PCB با لحیم بدون سرب و لحیم سرب دار چیست؟

لحیم کاری با لحیم سرب دار

لحیم کاری بر پایه سرب، نقطه شروع انقلاب الکترونیک است. این مخلوط مبتنی بر سرب حاوی مخلوطی از 60 درصد قلع و 40 درصد سرب است. نقطه ذوب این مخلوط حدود 170 تا 190 درجه سانتیگراد می باشد. این روش که معمولاً به عنوان لحیم کاری نرم شناخته می شود، به دلیل نقطه ذوب پایین آن یک انتخاب واضح است.

لحیم کاری با لحیم سرب دار با توجه به نقطه ذوب بالای آن برای پروژه هایی ایده آل است که نیازی به گرمای زیاد وجود ندارد. در این روش زمان خنک شدن بر اساس نقطه ذوب بالا سریعتر است، به این معنی که احتمال اتصالات لحیم سرد کاهش می یابد.

لحیم کاری PCB با لحیم بدون سرب

لحیم بدون سرب همانطور که از نامش پیداست، فاقد سرب است و معمولا از قلع و مقدار ناچیزی از فلزات دیگر مانند نقره و مس ساخته می شود. لحیم‌های بدون سرب نقطه دارای ذوب بالاتری نسبت به لحیم های سرب دار هستند و معمولاً برای دستیابی به عملکرد لحیم کاری مشابه لحیم‌های سربی به فلاکس های فعال یا متمرکز بیشتری (محتوای جامدات بالاتر) نیاز دارند. برای لحیم کاری دستی معمولی، اگر لحیم کاری به درستی انجام شود، قابلیت اطمینان بین لحیم کاری با لحیم بدون سرب و لحیم کاری با لحیم سرب دار تقریباً باید یکسان باشد.

تفاوت عملکرد بین لحیم کاری PCB بدون سرب در مقابل لحیم کاری سربی

تفاوت در نقطه ذوب

از نظر عملکرد، لحیم کاری بدون سرب و لحیم کاری سربی کمی متفاوت عمل می کنند. اولین تفاوت در نقطه ذوب آن‌هاست. لحیم کاری بدون سرب به برخی از بالاترین دمای آهن نیاز دارد. به دلیل نقطه ذوب بالایی که آهن دارد، مدت زمان طولانی تری طول خواهد کشید.

نقطه ذوب لحیم کاری سنتی سرب، حدود 183 درجه سانتیگراد و نقطه ذوب لحیم کاری بدون سرب 217 درجه سانتیگراد است. از آنجا که نقطه ذوب لحیم کاری بدون سرب بالاست، افزایش دما، یکسری عواقب مانند اکسید شدن لحیم و یا اکسید شدن خازن های الکترولیتی دارد. توجه داشته باشید که لحیم کاری باتری لیتیوم مانند 18650 می تواند خطرناک باشد. گرمای بیش از حد می تواند باعث آتش گرفتن باتری و منفجر شدن آن شود. اگر تصمیم به لحیم کردن باتری دارید، این کار را با کمک یک فرد متخصص انجام دهید.

تَر شوندگی

تفاوت در تر شوندگی نیز یکی دیگر از عوامل متمایز کننده است. وقتی صحبت از PCB به میان می‌آید، خیس کردن، نحوه اتصال صحیح خمیر لحیم مذاب با اجزای PCB است. لحیم کاری که به طور نامناسب خیس شده باشد، خاکستری و کدر به نظر می رسد. هنگامی که از لحیم کاری بدون سرب استفاده می کنید خیس شدن کندتر است؛ اما اتصالات لحیم کاری سربی سنتی براق و تمیز هستند. تر شوندگی ناکافی روی اتصالات PCB خطرناک است؛ باعث می شود اتصالات عملکرد ضعیفی داشته باشند و نسبت رد بردهای مدار زیاد باشد.

تفاوت فیزیکی بین لحیم کاری بدون سرب در مقابل لحیم کاری سربی

چند تفاوت فیزیکی بین لحیم کاری سربی و لحیم کاری بدون سرب وجود دارد. مسلماً مهمترین تفاوت این دو در مواد اولیه است. در تولید این دو، تولید کنندگان از فلاکس استفاده می کنند. وقتی خمیر لحیم سرب اضافه می شود، آن را “تغییر سرب” می نامیم. اما با اضافه کردن خمیر لحیم بدون سرب، نام آن “فلاکس بدون سرب” می شود.

جنبه تمایز فیزیکی بعدی تفاوت در استفاده است. عمدتاً، لحیم کاری سربی در پروژه های علاقه مندان به حوزه الکترونیک کاربرد زیادی پیدا می کند. این پروژه ها تحت دستورالعمل های سختگیرانه RoHS قرار نمی گیرند. اما از سوی دیگر، لحیم کاری بدون سرب برای پروژه های جدی که باید دستورالعمل های RoHS را برآورده کنند، اعمال می شود.

اتصالات لحیم کاری بدون سرب از نظر ظاهری خاکستری، کدر و زبر هستند. اما اگر اتصالات لحیم کاری سربی را بررسی کنید، بیشتر آنها براق و تمیز هستند. همچنین، از نظر چگالی، لحیم کاری سربی کمی سنگین تر از لحیم کاری بدون سرب است. چگالی لحیم کاری سربی 8.5 گرم در متر مربع، در حالی که چگالی لحیم بدون سرب 3.5 گرم در متر مربع است.

کدام روش برای لحیم کاری PCB بهتر است؟

یکی از نکات مهمی که باید به آن توجه داشته باشید، این است که سرب، برای انسان ضرر دارد و قرار گرفتن مداوم در معرض سرب، می تواند باعث ایجاد مسمومیت و مریضی شود. در عین حال، سرب فلز بسیار مفیدی است و به دلیل داشتن نقطه ذوب پایینی که دارد، فلزی عالی برای ایجاد اتصالات لحیم کاری است. به این دلایل، لحیم کاری با لحیم سرب دار به دلیل اثرات منفی زیست محیطی و بهداشتی به تدریج رو به حذف شدن است.

لحیم کاری با لحیم بدون سرب جایگزینی برای لحیم کاری معمولی 60/40 و 63/37 SnPb است. در سال 2006 دستورالعمل محدودیت مواد خطرناک (RoHS) توسط اتحادیه اروپا (EU) به تصویب رسید و ایالات متحده با اعطای معافیت های مالیاتی به هر شرکتی که استفاده از لحیم کاری مبتنی بر سرب را کاهش می داد، از آن پیروی کرد. لحیم کاری های بدون سرب امروزی فرمولاسیون هایی دارند که درصد متفاوتی از مس، قلع، نقره، نیکل، روی، بیسموت و آنتیموان را دارند. هدف نهایی انتخاب آلیاژهای لحیم کاری با کیفیت این است که در صورت ترکیب با سایر فلزات کمیاب به خواص مکانیکی عالی دست پیدا کنند.

مزایا و معایب لحیم کاری PCB با لحیم سرب دار و بدون سرب

دمای لحیم کاری، به ترکیب آلیاژ و کیفیت آن بستگی دارد، اما معمولاً لحیم کاری 60/40 قلع/سرب در دمای 361 درجه فارنهایت به مایع تبدیل می شود. هر چه محتوای قلع بیشتر باشد، نقطه ذوب و هزینه محصول بالاتر است. کار کردن با لحیم های سربی قلع آسان‌تر است؛ چرا که به خوبی جریان می‌یابند و سریع‌تر به دمای کاری می‌رسند.

اما، وقتی صحبت از ایمنی به میان می‌آید، خطرات لحیم کاری سربی بسیار زیاد است و تنها زمانی باید از آن استفاده کرد که توسط سازمان‌های نظارتی مجاز باشد. همچنین لحیم سرب دار باید به درستی دفع شود. سرب برای محیط زیست مضر است، برای بدن سمی است و خطر اضافی جذب سریع در جریان خون را دارد.

خمیر لحیم کاری بدون سرب در دمای بالاتر حدود 422 درجه فارنهایت ذوب می‌شود. اگرچه دماهای بالاتر تغییر در روش های لحیم کاری را ضروری می کند، اما اتصالات لحیم کاری شده با خمیر لحیم کاری بدون سرب ثابت شده است که قابل اعتماد هستند. از آنجایی که خمیر لحیم بدون سرب به خوبی لحیم سربی خیس نمی‌شود، اتصالات لحیم کاری از نظر ظاهری متفاوت هستند.

عوامل دیگری که باید در نظر گرفته شوند

قابلیت اطمینان هر اتصال یا مدار لحیم کاری شده به کاهش یا حذف عیوب لحیم کاری بستگی دارد. برای تحقق این امر، عوامل زیادی باید در نظر گرفته شود که از جمله آن ها می توان به درجه حرارت، لرزش، سطح مهارت اپراتور و زمان پیش گرم کردن و توان عملیاتی اشاره کرد.

همه این عوامل، از جمله استفاده از خمیر لحیم کاری با کیفیت، در ساخت PCB های قابل اعتماد نقش دارند و وقتی صحبت از لحیم کاری های بدون سرب می شود، همه چیز به انتخاب فرمول مناسب و تطبیق آن با کاربرد مناسب خلاصه می شود. اینجا جایی است که سازنده PCB شما دارایی ارزشمندی است. وقتی به قابلیت لحیم کاری و کیفیت اتصالات لحیم کاری بدون سرب در مقابل اتصالات لحیم سرب دار نگاه می کنید، انتظار یک اتصال مکانیکی قوی با لحیم کاری بدون سرب را داشته باشید. لحیم کاری سرب دار یک اتصال لحیم کاری براق و صاف را برای ظاهری با کیفیت بالاتر تشکیل می دهد. اما، در رابطه با PCB ها و سایر قطعات الکترونیکی داخلی، مصرف کننده به ندرت متوجه این تفاوت می شود.