عند البحث عن عبارة "pad thermal" ستجد نتائج تتحدث عن مواد الواجهة الحرارية (TIMs)، وعن لوحة التبريد المكشوفة أسفل بعض الحِزَم الإلكترونية، وكذلك عن وسادة التخفيف الحراري في تصميمات الـPCB. هذا الالتباس منطقي لأن مصطلح “الوسادة الحرارية / Pad Thermal” يُستخدم في سياقات هندسية مختلفة بمعانٍ متعددة.
توضح هذه المقالة المفهوم بدقة. سواءً كنت تختار بين الوسادة الحرارية والمعجون الحراري، أو تعمل مع لوحات التبريد المكشوفة تحت الدارات المتكاملة (ICs)، أو تعالج صعوبات اللحام عند توصيل الأرجل بمساحات أرضية كبيرة، ستجد هنا ما يرشدك إلى القرار الصحيح.
الوسادة الحرارية كـ TIM (مادة واجهة حرارية)
Pad Thermal / الوسادة الحرارية مادة لينة موصلة للحرارة توضع بين المكوّن المولِّد للحرارة (مثل CPU أو IC قدرة) وبين المشتت الحراري أو هيكل الجهاز.
هدفها بسيط: ملء الفجوات الميكروسكوبية وتحسين التلامس السطحي كي تنتقل الحرارة بكفاءة من المكوّن إلى سطح التبريد.
الهواء موصل سيئ للحرارة، وحتى الأسطح “الناعمة” تحتوي نتوءات دقيقة تحبس الهواء وتزيد المقاومة الحرارية. تتشكّل الوسادة تحت الضغط الخفيف وتستبدل الهواء بمادة أفضل توصيلاً، فتُنشئ مساراً حرارياً ثابتاً وموثوقاً.
تطبيقات شائعة
- المعالجات والبطاقات الرسومية ووحدات تنظيم الجهد (VRM)
- منظومات الإضاءة LED ومحولات القيادة
- منظمات ومحوّلات القدرة
- وحدات التحكم في السيارات
- إلكترونيات صناعية واتصالات طاقوية
الأنواع الأكثر استخداماً من الوسائد الحرارية
- سيليكون: الأكثر انتشاراً، مرن ويؤمّن عزلًا كهربائياً وأداءً حرارياً جيداً.
- جرافيت/كربون: رقيق وذو موصلية عالية، لكنه يحتاج أسطحاً مستوية ونظيفة، وغالباً غير عازل كهربائياً.
- خالي من السيليكون: للأنظمة الحسّاسة (بصريات/مستشعرات/طبي) لتجنّب أبخرة السيليكون.
أهم مواصفات Pad Thermal التي يجب الانتباه لها
1) الموصلية الحرارية (W/m·K)
كلما زادت كان انتقال الحرارة أفضل، لكن الأداء الواقعي يعتمد كذلك على تسوية السطح والضغط والتلامس. عملياً قد تتفوق وسادة 5 W/m·K مركّبة جيداً على وسادة 10 W/m·K مركّبة بشكل سيئ.
2) السُمك مقابل الفجوة
الاعتقاد الشائع بأن “الأكثر سُمْكاً أفضل” غير صحيح؛ فالسماكات الأكبر تزود المقاومة الحرارية الداخلية. اختر أنحف سماكة تملأ الفجوة مع قدر بسيط من الانضغاط (عادة 10–20% أكثر من القياس الاسمي للفجوة).
3) القساوة والانضغاطية
الوسادة اللينة تتوافق أفضل مع عدم استواء السطوح لكنها قد تنضغط أكثر من اللازم. العالية القساوة تحافظ على شكلها لكنها تحتاج أسطحاً ملساء. للاستخدام العام يناسب مدى شور 00 حوالي 40–60.
4) العزل الكهربائي ونطاق الحرارة
إن كانت بين أجزاء موصلة، تحقّق من جهد العزل (غالباً > 3 kV/mm). وتأكد من مدى الحرارة التشغيلية خاصة في تطبيقات القدرة أو السيارات (حتى 125–150°C).
المعجون الحراري أم الوسادة الحرارية – أيهما أفضل؟
كلاهما يحسّن نقل الحرارة بين الجهاز والمشتت، لكنّهما يختلفان في الأداء والثبات وسهولة الصيانة.
مقارنة سريعة
- سهولة التطبيق: الوسادة مُقصّصة ونظيفة؛ المعجون يحتاج توزيعاً دقيقاً.
- ملء الفجوات: الوسادة متوسطة إلى عالية؛ المعجون منخفض (لفجوات رقيقة للغاية).
- الثبات والتناسق: الوسادة متناسقة جداً في الإنتاج؛ المعجون يعتمد على طريقة التطبيق.
- إعادة الاستخدام: الوسادة غالباً قابلة لإعادة التركيب إن بقيت سليمة؛ المعجون يجب تنظيفه وإعادته.
- العزل الكهربائي: الوسادة عادة عازلة؛ أغلب المعاجين غير عازلة.
- الأداء الحراري البحت: المعجون أقل مقاومة (أفضل للمعالجات مع فجوة رقيقة جداً).
- الصيانة: الوسادة بسيطة؛ المعجون أكثر اتساخاً ووقتاً.
متى تكون الوسادة الحرارية أفضل؟
- وجود فجوات كبيرة أو أسطح غير مستوية
- الحاجة إلى عزل كهربائي
- الرغبة في تركيب نظيف ومتكرر
- ثبات طويل الأمد (لا تجف ولا يحدث لها pump-out)
متى يكون المعجون الحراري أفضل؟
- أسطح شديدة الاستواء وفجوة صغيرة جداً
- السعي إلى أدنى مقاومة حرارية ممكنة
- القدرة على التطبيق الدقيق والصيانة الدورية
الخلاصة:
الوسادة الحرارية أنظف وأكثر اتساقاً ومناسبة للإنتاج الكمي، بينما يحقق المعجون أفضل أداء تبريدٍ مطلق عندما تكون الظروف الميكانيكية مثالية.
أخطاء شائعة
- اختيار وسادة سميكة جداً مما يرفع درجة الحرارة.
- ضغط غير كافٍ يؤدي لتلامس ضعيف.
- الخلط بين وسادة حرارية ووسادة لاصقة وشريط لاصق حراري.
- استخدام المعجون في أماكن تناسبها الوسادة (مثل VRAM أو دوائر القدرة).
لوحة التبريد المكشوفة في حِزَم الـIC (Exposed Thermal Pad)
العديد من حِزَم SMD مثل QFN/DFN تحتوي لوحاً معدنياً كبيراً أسفل الحزمة يسمى لوحة التبريد المكشوفة / exposed pad أو die pad.
يجب لحام هذا اللوح على لوحة الدارة لتحقيق تبديد حراري سليم وثبات ميكانيكي.
لماذا هي مهمة؟
توفّر اللوحة مساراً حرارياً منخفض المقاومة من الشريحة إلى طبقات النحاس في الـPCB.
عدم لحامها يترك فجوات هوائية ويقلل انتقال الحرارة وقد يسبب فشلاً أو انجرافاً حرارياً. قيم المقاومة الحرارية في كتيّب البيانات تفترض دائماً لحام هذه اللوحة جيداً.
الاتصال الكهربائي
تحقّق بدقة من داتا شيت القطعة. كثيراً ما تُربط للأرضي، لكن أحياناً تُربط لشبكة مختلفة أو تُترك عائمة. لا تفترض—فقد يؤدي ذلك إلى قصر أو مشاكل توافقيات كهرومغناطيسية.
نصائح تصميم PCB
- حجم اللوح: طابق بَصمة الـPCB مع حجم اللوحة في الحزمة.
- الثقوب الحرارية (Thermal Vias): استخدم ثقوباً صغيرة (≤ 0.3 mm) تحت اللوح لنقل الحرارة للطبقات الداخلية/الخلفية.
- قناع اللحام/الاستنسل: لا تُغرِق اللوح بالقصدير؛ استخدم نمط نافذة شبكية (window-pane) لمنع “طفو” القطعة أثناء إعادة اللحام.
- الفراغات (Voids): حاول إبقاء تجاويف اللحام أقل من ~50% لضمان تلامس حراري جيد.
لحامٌ صحيح للوحة المكشوفة قد يخفض مقاومة الوصلة-إلى-اللوحة للنصف تقريباً.
وسادة التخفيف الحراري في الـPCB (Thermal Relief Pad)
في التصنيع، توصيل الأرجل مباشرة بمساحات نحاسية كبيرة (كالأرضي) يجعل اللحام صعباً لأن النحاس يمتص الحرارة سريعاً.
تُعالج وسادة التخفيف الحراري ذلك عبر توصيل الرِّجل بالمساحة من خلال أذرع/أشعة نحاسية ضيقة (spokes).
كيف تعمل؟
تُقلّل الأشعة تدفق الحرارة إلى السطح الكبير أثناء اللحام، ما يسمح للوسادة بالوصول إلى درجة إعادة اللحام أسرع. بعد التثبيت تبقى هناك وصلة كهربائية/حرارية جيدة، ولكنها ليست بقوة التوصيل الصلب المباشر.
متى نستخدمها؟
- الأرجل المُثبّتة عبر الثقوب والمتصلة بمستويات الأرضي/القدرة
- في اللحام الموجي أو اللحام اليدوي
- للحد من اللحام البارد والانقلاب (tombstoning) وتسخينٍ غير متوازن
متى نتجنبها؟
- مسارات تيار عالٍ أو ممانعة منخفضة (تضيف مقاومة غير مرغوبة)
- الدوائر RF حيث تؤثر حثّية الأشعة
- أجهزة القدرة التي تعتمد على نحاس صلب لتبديد الحرارة
الأسئلة الشائعة
هل الوسائد الحرارية أفضل من المعجون الحراري؟
أفضل للاتساق في الإنتاج والعزل الكهربائي. بينما يقدّم المعجون تبريداً أدنى حرارةً عندما تكون الأسطح مستوية جداً.
هل يمكن إعادة استخدام الوسادة الحرارية؟
أحياناً إذا بقيت سليمة، لكن للاستقرار في النتائج يُفضّل الاستبدال عند إعادة التجميع.
ما هي لوحة التبريد في الحِزَم الإلكترونية؟
هي اللوح المعدني السفلي في بعض الحِزَم (مثل QFN) ويجب لحامه على الـPCB لتبديد الحرارة، وأحياناً للتأريض.
ما هي وسادة التخفيف الحراري في تصميم الـPCB؟
وسادة تتصل بالمساحة النحاسية عبر أشعة رفيعة لتسهيل اللحام عبر تقليل سحب الحرارة.
لماذا يصعب لحام الأرجل المتصلة بمستوى الأرضي؟
لأن مستوى النحاس يعمل كمشتت ويجذب الحرارة. تساعد وسادة التخفيف الحراري في الحفاظ على درجة اللحام المناسبة.
خلاصة
مصطلح “Pad Thermal” يحمل ثلاثة معانٍ أساسية:
- وسائد الواجهة الحرارية لإدارة الحرارة بين الجهاز والمشتت،
- لوحة التبريد المكشوفة تحت الحِزَم لنقل الحرارة إلى الـPCB،
- وسادة التخفيف الحراري لتحسين قابلية اللحام عند الاتصال بمساحات كبيرة.
فهم الفروقات يُسهل تصميم أنظمة ذات أداء حراري أفضل وقابلية تصنيع أعلى.
إذا كنت تطوّر لوحة تحتاج تحكماً حرارياً دقيقاً، تقدم FastTurnPCB مراجعات DFM، وتحسينات تخطيط لوحات التبريد المكشوفة، وحلول تصنيع تضمن موثوقية التبريد واللحام.
