وتخضع الأجهزة الإلكترونية الحديثة لبيئة تشغيلية متزايدة الطلب، حيث يتكرر تدوير الطاقة، وتحولات درجة الحرارة المحيطة، وتشتت الحرارة من العناصر ذات الأداء العالي، مما يؤدي إلى حدوث تقلبات حرارية مستمرة، وهذا التحميل الحراري الدائري هو المحرك الرئيسي للإجهاد في مواد التغليف الإلكترونية، ويؤثر مباشرة على بدء عمليات التكسير، والتكاثر، والفشل في الأجهزة المحتملة.

أساسيات التعبئة الحرارية للسيكل في الحزم الإلكترونية

ويدل الحمل الحراري على التوسع والانكماش المتكررين للمواد بسبب تغيرات درجة الحرارة، وفي مجموعة إلكترونية، يحدث ذلك على مستوى الاقتصاد الكلي، مثل أثناء تشغيل الأجهزة وإغلاقها، وعلى المستوى الجزئي، حيث يؤدي التدفئة المحلية من التحول إلى تكبير الخيوط الحرارية، ويتسبب سوء التطابق في معامل التوسيع الحراري بين المواد المتاخمة، مثل المواد الإجهادية،

وحجم السلالة الحرارية، و(ألفا سيلون) {ذات، محكوم بالمعادلة (ألف/ألفا-ألف-ألف-ألف-ألف-ألف-جيم) التي تُباع في دورة حرارية، و(ألف-٢) هي الوصلة الجامدة بين الفينة والألف-٢)

وفي الممارسة العملية، يصنف التحميل الحراري التقلبات الدورية إلى نظامين: درجة الحرارة المنخفضة الدراجة، حيث تذبذب درجة الحرارة الكبيرة (مثلاً، - 40 درجة مئوية إلى +125 درجة مئوية) يسبب ضغطاً بلاستيكياً عالياً في مواد خلية مثل المباع، ودرجة الحرارة العالية، حيث تُسهم في نظم النمو الأقل درجة (مثلاً، صفر درجة مئوية إلى +70 درجة مئوية) في مواد مشبعة مختلفة.

آليات النمو في المسارات تحت الغطاء الحراري

إن نمو المسار تحت التحميل الحراري الدوري هو عملية تلف تدريجي تحدث في ثلاث مراحل متميزة: البدء، والتشغيل المستقر، والكسر السريع، والجانب الفريد من الدهون الحراري، بالمقارنة مع الدهون الميكانيكية، هو الانقسام بين الخواص المادية المعتمدة على درجة الحرارة وميادين الإجهاد المتطورة، ومع انتشار الشقوق، فإنها تغير المقاومة الحرارية المحلية وتوزيع الإجهاد، مما يخلق حلقة تفاعلية تعجل التدهور.

بدء المسار: دور المصفوفات في الهياكل الأساسية الدقيقة

وتُحدث الرفوف في شكل متغيرات في البنية التحتية، أو في شكلات متعددة المعادن، أو في شكلات مصغرة، أو في شكلات مائلة، أو في مواقع إنتاجية مائلة، أو في مفاصل مباع، أو في شكل مكوّنات متعددة الفلزات، مثل مكوّنات التفريغ المتعددة الخماسي، أو في إطار سلسلة التداعيات المتحركة.

وتشير البحوث إلى أن كثافة هذه العيوب وتوزيعها تتأثر بشدة بظروف التجهيز، فعلى سبيل المثال، يمكن للتبريد السريع من إعادة بيع الزهور أن يخلق أحجارا كبيرة ومستمرة من طراز IMC، بينما يؤدي بطء التبريد إلى تعزيز هيكل متناهي الصغر أكثر تجانساً يقاوم بدء عمليات التشقق، وبالمثل، فإن المواد الناقصة التي تُشغل بتعبئة مشغلات مُثلى (نحو 60 إلى 70 في المائة بالوزن) تؤدي إلى الحد من سوء استخدام تكنولوجيا المناخ.

Crack Propagation: Incremental Growth and Damage Accumulation

وفور بدء العمل بالقطعة ترتفع تدريجياً مع كل دورة حرارية، وسرعان ما تكون القوة المحركة للنشر هي معدل إطلاق الطاقة الضئيل (G/G) الذي يجب أن يتجاوز قوة الكسور المادية (G c) وخط التراكم الحراري (G)) وعامل الإجهاد المضاعف (Delta K/co) وخط العرض المادي (G)

(التحليل) هو أكثر خطاً وحكماً بضغط شديد، حيث توجد ضغوط ضغط متبقية من التصنيع مثلاً في طبقات معدنية رقيقة على النسيج - الكراك في البداية، ولكن تكرار التدوير الحراري يمكن أن يخفف من هذه الضغوط من خلال التشهير البلاستيكي المستمر

وتوضح الأمثلة على العالم الحقيقي خطورة هذه الظاهرة، ففي مجموعات شبكات الكرة، يمكن للتدوير الحراري بين - ٥٥ درجة مئوية و٥٢١ درجة مئوية أن يسبب شقاً في الكرة بعد ما لا يزيد على ٠٠٠ ١ إلى ٠٠٠٢ دورة، مما يؤدي إلى إخفاقات كهربائية متقطعة، وبالنسبة لوحدات الكهرباء التي تستخدم أجهزة تحويل ثنائية القطب ذات طبقات ثابتة )إيغا بيكتار( التي تُنتج عن الحمولة الدورية من ١٠٠٠ كيلوغرام.

منظمة " فايور " و " كراك "

وتظهر مختلف مواد التغليف الإلكتروني ردوداً متميزة على التحميل الحراري التقلبي، ويتطلب اختيار المواد المناسبة لطلب معين تحقيق التوازن بين تكنولوجيا المناخ، والقسوة، والسلوك الحراري، والتوافق في التجهيز.

سبيكة الجنود والمركبات المشتركة بين الفلزات

كما أن مفاصل السائلة هي أكثر المكونات عرضة للتكدس الحراري بسبب انخفاض معدلات الذوبان والتشوهات الحادية، حيث أن عوامل التداخل التقليدية التي تباع في إطار المادة Sn-Pb هي عوامل مقاومة شديدة الإرهاق بسبب رطوبة التراكم، وهي عوامل تُظهر وجود هيكل ملوث للقرن، وقدرة على استيعاب الضباب البلاستيكي من خلال تضخم الغدة.

Ceramic Substrates and Dielectrics

وتُستخدم المواد الفرعية للأخشاب (Al2O3) والنيتار الألومنيوم (AlN) على نطاق واسع في أجهزة عالية الطاقة وأجهزة عالية التردد بسبب ارتفاع معدل السلوك الحراري وانخفاض الخسائر الكهربائية، غير أن حساسيتها من حيث الاختراق تؤدي في كثير من الأحيان إلى تخفيف الضغط الحراري الناجم عن الاضطرابات الناجمة عن التفشي في طبقة الخزف العنيف.

البوليمرات والمركبات

وتستخدم المواسير الفوقية والمركبات المبلدة التي تستخدم لحماية السيليكون يموت ويموت ويباعه، وعادة ما يكون معدل التكتل فيها 20 إلى 40 جزء من المليون/س، وهو أعلى من مستوى السيليكون، مما يسبب ضغوطاً شديدة أثناء التبريد، ويمكن أن تخضع هذه البوليمرات، في إطار التقلب الحراري، للتثبيت وتشكيلات المايكريك، ولا سيما إذا تجاوزت درجة الحرارة في الإجهاد الناجم عن التراكم.

استراتيجيات التخفيف: التصميم والمواد وعملية الابتكار

ويتطلب تخفيف حدة النمو في الكراك من التحميل الحراري الدوري اتباع نهج متعدد الجوانب يعالج توليد الإجهاد، والقدرة على مواجهة المواد، والسلامة الهيكلية، وتستخدم الاستراتيجيات التالية عادة في الصناعة.

الإغاثة من خلال الاستخدام الأمثل للجيومتر

إن خفض تركيزات الإجهاد في الواجهات البينية الحرجة هو هدف تصميمي أولي، إذ يعدل شكل الارتطام، مثل استخدام صورة براميل أو ساعة من العجلات بدلا من توزيع البال على نحو أكثر إنصافا، مما يقلل من الضغط البالغ الصغر بنسبة تصل إلى 40 في المائة، وبالمثل، فإن إدخال فترات تأخير متطورة أو ملئها في إطارات البوليمر، يوفر انتقالا تدريجيا في نظام CTE، ويقلل من البوليزم.

اختيار المواد وتوايلها

فالمواد التي تُختار بقيم متطابقة تماماً مع قيم تكنولوجيا المناخ فعالة ولكنها ليست عملية دائماً بسبب متطلبات الأداء الأخرى، بل يستخدم المهندسون في كثير من الأحيان مواد ذات مقاومة مصممة خصيصاً، فبالنسبة للمبيعين، يضيفون تعزيزات ناوية مثل نانووبات الكربون أو لوحات الغرافيا يمكن أن يعرقلوا عمليات التصدع ويحسنوا الحياة المهينة.

Controlled Thermal Profiles and Process Annealing

ويؤثر معدل تغير درجة الحرارة أثناء التقلب الحراري تأثيرا مباشرا على حجم الإجهاد الناجم عن ذلك، إذ أن معدلات الارتطام البطيئة )مثل ٥ درجات مئوية/متر بدلا من ٢٠ درجة مئوية/متر( تسمح بالتخفيض التراكمي في البوليمرات، مما يقلل من الإجهاد الفعال لكل دورة، ولا سيما في أول عدة دورات يحدث فيها بدء التصدع)٤(.

الرصد المسبق والاختبارات المعجلة

ويستلزم وجود منهجيات اختبار قوية، وتوحيد اختبارات التدوير الحراري، مثل JEDEC JESD22-A104 (الشرط زاي لتدوير الطاقة أو الشرط حاء لتدوير درجات الحرارة)، وتوفير بيانات خط الأساس، غير أن الرصد الأكثر تطورا باستخدام مسح دقيق للاختبارات الميكانيكية، أو التصوير الأشعة السينية، أو قياسات الإجهاد في الموقع يمكن أن تتبع التطور في الوقت الحقيقي.

المستقبل توجيهات وجبهة البحوث

ومع تقلص الأجهزة الإلكترونية وزيادة كثافة الطاقة، ستزداد التحديات التي يطرحها التحميل الحراري الدوري، وتركز البحوث المقبلة على عدة مجالات واعدة.

(ب) أولاً، إن تطوير مواد التلقيم الذاتي للتعبئة الإلكترونية يكتسب مكامن، وتشمل هذه المواد كواشف مصغرة أو أجهزة التعبئة ذات الصبغة الرجعية التي تتدفق إلى الشقوق عند حدوث الضرر، وتعيد السلامة الميكانيكية، وفي حين أن هذه المواد قد تمتد إلى مراحل مبكرة من العمر الافتراضي.

وأخيراً، فإن إدماج في الرصد الصحي في الموقع، باستخدام أجهزة الاستشعار المدمجة (مثل قياسات الشقوق القائمة على المقاومة أو مترجمات الانبعاثات الصوتية) سيمكن من إجراء تشخيصات في الوقت الحقيقي في الميدان، مما يتيح الصيانة المتوقعة، ويقلل من وقت توقف النظام، وهذه التطورات، إلى جانب التحسينات الجارية في علوم المواد وأجهزة التعويل على الوعود الإلكترونية، من شأنها أن تحمل البيئة على نحو غير مسب.

خاتمة

ويظل التحميل الحراري الذي يحركه السيكل واحداً من أكثر التهديدات شيوعاً للسلامة الهيكلية لمواد التغليف الإلكتروني، إذ إن اختيار المواد ذاتية البنية التحتية المصغرة إلى الانتشار الثابت من خلال مناطق الإرهاق، يتأثر تأثراً شديداً بتعدد المسارات الحرارية الميكانيكية المتأصلة في التجمعات المتعددة المواد، ويحدِّد اختيار المواد - كل ذلك من الآثار المُبَعَدة، أو التصاميمية.