كيفية اللحام – اللحام عبر الثقوب

مُقدمة

يُعد اللحام من ضمن أهم المهارات الأساسية التي يتم استخدامها باستمرار في عالم الالكترونيات. وبالرغم أنه من الممكن أن تتعلم وتبني دوائر الكترونية دون الحاجة للجوء لاستخدام اللحام، إلا أنه بمجرد تعلمك لتلك المهارة البسيطة تجد باباً جديداً قد انفتح أمامك في عالم الإلكترونيات. نحن نؤمن أن مهارة اللحام لا بد أن يتعلمها الجميع بلا استثناء. ففي ظل العالم التكنولوجي سريع التطور الذي يحيط بنا نؤمن بأنه من المهم لجميع الأشخاص أن يتمكنوا ليس فقط من فهم التقنيات التي يستخدمونها كل يوم، بل لا بد أن يتمكنوا أيضاً من بنائها وتعديلها وإصلاحها بأنفسهم. واللحام من ضمن المهارات التي تؤهلنا للقيام بذلك.

في هذا الدرس سنتناول أساسيات اللحام عبر الثقوب (through hole soldering) والذي يُطلق عليه أيضاً plated through-hole soldering (PTH)، وسنتناول أيضاً الأدوات المطلوبة أثناء عملية اللحام بالإضافة إلى الأساليب الصحيحة للحام وما يجب عليك فعله تحديداً. سنقدم لك أيضاً بعض النصائح والحيل الخاصة بعملية اللحام عبر الثقوب والتي من شأنها أن تجعل من إصلاح أي قطعة إلكترونية أمراً سهلاً للغاية بالنسبة لك. هذا الدرس مُناسب للمُبتدئين والخبراء على حد سواء. فسواء كنت لم تلمس كاوية لحام (soldering iron) من قبل أو كنت مُتمرساً في اللحام وتحتاج إلى مراجعة بعض المعلومات سيكون هذا الدرس مُناسباً لك وستستفيد منه.

مواضيع مُقترحة للقراءة

كما ذكرنا سابقاً، يُمكنك تعلم بناء الدوائر الالكترونية بدون استخدام اللحام. إذا كنت ترغب بتعلم المزيد حول أساسيات الالكترونيات قبل تعلم اللحام فنحن نوصي بالبدء بهذه الدروس الأساسية:

• ما هي الكهرباء؟
• ما هي الدائرة الكهربية؟
• الجهد، التيار، المقاومة، وقانون أوم

وإذا كنت ترغب بالتعرف على المزيد حول كيفية بناء دوائر إلكترونية دون استخدام اللحام مُطلقاً فاطلع على الدرس التالي:

• كيفية استخدام ألواح التجارب

وأخيراً، سيكون حديثنا في هذا الدرس مبنياً على بعض الدروس السابقة، لذلك نقترح عليك بأن تقوم بقراءة المواضيع التالية وفهمها جيداً قبل الخوض في هذا الدرس:

• ما هي ألواح الدوائر المطبوعة؟ (قريباً)
• القطبية
• التعامل مع الأسلاك

عندما تنتهي من قراءة المواضيع السابقة ستكون مُستعداً للخوض في هذا الدرس

ما هو اللحام (solder)؟

قبل أن نتعلم كيفية القيام باللحام، من الجيد أن نعرف بعض المعلومات حول ماهية اللحام وتاريخه والمصطلحات المُتعلقة به والتي سنستخدمها أثناء حديثنا عنه.

كلمة اللحام يُمكن استخدامها بطريقتين مختلفتين. اللحام (solder) (كإسم) يُشير إلى خليط معدني (alloy) (مادة تتكون من معدنين أو أكثر) تأتي عادة على شكل سلك طويل ورفيع ملفوف حول بكرة أو في أنبوب. أما الفعل يلحم (solder) فيعني القيام بربط قطعتين من المعدن معاً فيما يُطلق عليه وصلة لحام (solder joint). إذن نحن نلحم باستخدام اللحام!

سلك اللحام ملفوف على بكرة (على اليسار) وموضوعاً في أنبوب (على اليمين). وفي كلاهما من الممكن أن يحتوي اللحام على رصاص أو يكون خالياً منه.

اللحام المُحتوي على الرصاص (leaded solder) واللحام الخالي من الرصاص (lead-free solder) – نبذة تاريخية

من أهم الأشياء التي يجب معرفتها فيما يتعلق باللحام أنه على نحو تقليدي كان اللحام يتكون بشكل رئيسي من الرصاص (lead (Pb)) والقصدير (tin (Sn)) والقليل من معادن أخرى. هذا اللحام يُطلق عليه اللحام المُحتوي على رصاص (leaded solder). بالرغم من أن الرصاص معدن مُفيد للغاية ويُمثل الخيار الأفضل للحام نظراً لانخفاض درجة انصهاره وقدرته على عمل وصلات لحام رائعة إلا أنه –لسوء الحظ- تم اكتشاف أن الرصاص يُشكل خطراً على صحة الإنسان وأنه من الممكن أن يُسبب التسمم عند التعرض لكميات كبيرة منه.

وبعد أن أصبحت الآثار الصحية السلبية الناتجة عن استخدام اللحام المُحتوي على الرصاص معروفة لجأت بعض الدول إلى منع استخدام اللحام المُحتوي على الرصاص. وفي عام 2006 تبنى الاتحاد الأوروبي توجيهات الحد من استخدام المواد السامة (RoHS) (Restriction of Hazardous Substances Directive). نصت هذه التوجيهات على حظر استخدام اللحام المُحتوي على الرصاص (ضمن العديد من المواد الأخرى) في الالكترونيات والمُعدات الكهربية. وبذلك أصبح استخدام اللحام الخالي من الرصاص هو العرف السائد في عالم الإلكترونيات.

اللحام الخالي من الرصاص يُشبه إلى حد كبير اللحام المُحتوي على الرصاص، باستثناء أنه –كما يبدو من الاسم- لا يحتوي على أي رصاص. وبدلاً من ذلك يتكون بشكل رئيسي من القصدير مع نسبة من بعض المعادن الأخرى مثل الفضة والنحاس. هذا اللحام عادة ما يوجد عليه رمز RoHS لتعريف المُشترين بأنه مُطابق للمواصفات القياسية.

اختيار اللحام المناسب

عندما يتعلق الأمر بصناعة الالكترونيات فالأفضل أن يتم استخدام اللحام الخالي من الرصاص لضمان سلامة المُنتجات. لكن عندما يتعلق الأمر بك وبالإلكترونيات التي تقوم ببنائها فاختيار نوع اللحام يعود إليك وحدك. كثير من الأشخاص ما زالوا يفضلون استخدام اللحام المُحتوي على الرصاص بسبب كفاءته العالية في عمل وصلات اللحام. ولكن هناك أيضاً آخرون يعطون الصحة الأولوية على الكفاءة ويستخدمون اللحام الخالي من الرصاص.

اللحام الخالي من الرصاص لا يخلو هو الآخر من العيوب. فكما ذكرنا سابقاً تم اختيار الرصاص للحام لأنه الأنسب لهذه الوظيفة. وعندما يتم إزالة الرصاص فإننا بذلك نزيل من اللحام بعض الخواص التي تجعله مثالياً للقيام بوظيفته – توصيل قطعتين من المعدن. من بين تلك الخواص درجة الانصهار (melting point)؛ درجة انصهار القصدير أعلى من درجة انصهار الرصاص، مما ينتج عنه الحاجة للمزيد من الحرارة لإسالة اللحام. وبالرغم من أن القصدير يقوم بالوظيفة إلا أنه أحياناً يحتاج إلى بعض المساعدة. كثير من أنواع اللحام الخالي من الرصاص تحتوي على ما يُطلق عليه القلب المذيب (flux core). في الوقت الراهن اعلم فقط أن القلب المذيب هو عبارة عن مادة كيميائية تُساعد في إسالة اللحام الخالي من الرصاص. وبالرغم من أنه يُمكن استخدام اللحام الخالي من الرصاص بدون القلب المذيب إلا أنه يُساعد كثيراً في تحقيق نفس النتائج التي يتم تحقيقها باستخدام اللحام المُحتوي على الرصاص. يجب أن نذكر هنا أيضاً أن اللحام الخالي من الرصاص يكون في بعض الأحيان أغلى من اللحام المُحتوي على الرصاص.

بعيداً عن اختيار اللحام المُحتوي على الرصاص أو الخالي منه، هناك العديد من العوامل التي يجب أخذها في الاعتبار عند اختيار اللحام. أولاً: هناك آلاف التركيبات الخاصة باللحام غير الرصاص والقصدير. يُمكنك الرجوع إلى صفحة ويكبيديا الخاصة باللحام (Wikipedia solder page) للتعرف بشكل أكبر على مُختلف تلك الأنواع.  ثانياً: يأتي اللحام بقياسات (gauges) مُختلفة، وكلما زاد رقم القياس قل سُمك اللحام. عند التعامل مع المُكونات الصغيرة من الأفضل أن يتم استخدام لحام رفيع للغاية. أما بالنسبة للمكونات الكبيرة فيفضل استخدام لحام أكثر سُمكاً. وأخيراً: اللحام يأتي بأشكال أخرى بالإضافة إلى سلك اللحام. فعندما يتعلق الأمر بلحام المكونات السطحية (surface-mount soldering) ستجد أن الخيار عندها يكون معجون اللحام (solder paste). لكن هذا الدرس مُتعلق باللحام عبر الثقوب، لذلك لن نتطرق بالتفصيل إلى معجون اللحام.

والآن بعد أن تعرفت على كيفية اختيار اللحام الأفضل، هيا بنا ننتقل للتعرف على الأدوات الخاصة باللحام والمُصطلحات المرتبطة به.

كاويات اللحام (Soldering Irons)

هناك العديد من الأدوات التي تُستخدم في اللحام، لكن الكاويات هي الأكثر أهمية فيما بينها. فمن الممكن أن تقوم بعملية اللحام بشكل جيد باستخدام كاوية وبعض اللحام فقط. تأتي كاويات اللحام بأشكال وأحجام متنوعة وتتدرج من البسيط إلى المعقد، ولكنها تقوم تقريباً بنفس الوظيفة. والآن سنقوم بشرح المكونات الخاصة بكاوية اللحام والأنواع المختلفة منها.

تركيب كاوية اللحام

أية كاوية لحام تحتوي على المكونات الأساسية التالية:

• الرأس (tip): لا يمكن أن تكتمل الكاوية بدون وجود رأس لها. الرأس هو الجزء الذي ترتفع درجة حرارته في الكاوية وبالتالي يؤدي إلى انصهار اللحام وتدفقه حول المُكونين اللذين يتم لحامهما. هناك فكرة خاطئة شائعة وهي أن اللحام يأتي من داخل الرأس، لكن هذا ليس حقيقياً وإنما يلتصق اللحام به أثناء وضعه عليه. في الواقع يقوم الرأس بنقل الحرارة مما يؤدي لرفع درجة الحرارة للمُكونات التي يتم لحامها عند نقطة اللحام إلى درجة انصهار اللحام، وبالتالي ينصهر. معظم كاويات اللحام توفر خيار استبدال الرأس المستخدم في حال أردت استبدال رأس قديم أو استخدام رأس من نوع آخر. تأتي الرؤوس بأشكال وأحجام متنوعة لكي تتناسب مع جميع المكونات.

أنواع مختلفة من الرؤوس. من اليمين لليسار: رأس على شكل إزميل (chisel tip)، رأسان مخروطيان (conical tip) بحجمين مختلفين، رأس على شكل ظلف (hoof tip).

عملية تغيير الرأس بسيطة، وتتم إما بلف العصا (wand) لفكه أو بدفع الرأس للداخل وسحبه للخارج.

• العصا (Wand): هي الجزء من الكاوية الذي يحمل الرأس، وهي كذلك الجزء الذي يتم مسكه من قبل المستخدم. عادة ما تُصنع العصي من مواد عازلة متنوعة (مثل المطاط) لمنع حرارة الرأس من الانتقال إلى خارجها. لكنها أيضاً تحتوي على الأسلاك والوصلات المعدنية التي تقوم بتوصيل الحرارة من القاعدة (base) أو مأخذ التيار إلى الرأس. هذه الوظيفة المزدوجة للعصا تجعل من الأفضل اختيار عصا ذات جودة عالية.

نوعان من أنواع العصي المُستخدمة في كاويات اللحام. لاحظ أن الرؤوس يُمكن تبديلها إما عن طريق لفها (screw) أو من خلال دفعها وسحبها بدون أي آلية ربط.

بعض الكاويات تتكون من عصا فقط يتم توصيلها بمأخذ التيار. هذه الكاويات بسيطة للغاية، ولا تحتوي على أية آلية تحكم لتغيير درجة الحرارة. في تلك الكاويات يكون الجزء المسؤول عن التسخين (heating element) موجوداً مُباشرة داخل العصا.

كاوية لحام بسيطة تتكون من عصا فقط. بعض تلك الكاويات لا تتيح تبديل الرؤوس.

• القاعدة (base): قاعدة كاوية اللحام هي صندوق التحكم الذي يسمح بتغيير درجة الحرارة. يتم توصيل العصا بالقاعدة وتستقبل الحرارة من المكونات الإلكترونية الموجودة بدخلها. هناك قواعد تناظرية (analog bases) تحتوي على قرص دوار للتحكم في درجة الحرارة، وهناك أيضاً قواعد رقمية (digital bases) تحتوي على أزرار لتحديد درجة الحرارة بالإضافة إلى شاشة تعرض درجة الحرارة الحالية. بعض القواعد تحتوي كذلك على مُميزات إضافية مثل إمكانية تغيير كمية وسرعة الحرارة التي يتم نقلها إلى الرأس لكي تتناسب مع مختلف المكونات.

شكلين من أشكال قواعد كاويات اللحام. على اليمين قاعدة تناظرية تحتوي على قرص دوار للتحكم في درجة الحرارة، وعلى اليسار قاعدة رقمية تحتوي على أزرار لضبط الحرارة وشاشة لعرضها.

عادة ما تتكون القاعدة من مُحول (transformer) كبير وبعض المكونات الإلكترونية الأخرى التي تتيح تغيير الحرارة الواصلة إلى الرأس بأمان.

محتويات قاعدة إحدى كاويات اللحام

• الحامل (stand) (ويُسمى كذلك cradle): حامل كاوية اللحام هو الجزء الذي يتم وضعها فيه أثناء عدم استخدامها. من الممكن أن تنظر إلى ذلك الحامل على أنه شيء إضافي غير ضروري، لكن ترك كاوية لحام دون انتباه لها على مكتبك أو طاولة عملك يُشكل خطراً: فمن الممكن أن تتسبب في حرق يديك أو في حرق مكتبك والتسبب في حريق كبير. من الممكن أن يكون الحامل بسيطاً للغاية (مجرد حامل معدني)، أو من الممكن أن يكون مُعقداً يحتوي على خاصية الإيقاف الأوتوماتيكي التي تقوم بتقليل حرارة الرأس عندما يتم وضع العصا بالحامل. وهذا يساعد في منع تلف الرأس مع مرور الوقت.

أشكال مختلفة للحوامل. لاحظ أن بعضها يحتوي على مكان لوضع إسفنجة عادية، بينما البعض الآخر يحتوي على إسفنجة من النحاس.

• الإسفنجة النحاسية (Brass Sponge): أثناء القيام باللحام تحدث عملية أكسدة (oxidize) للرأس، وفيها يميل لون الرأس للأسود مع عدم قدرته على اللحام. توجد في اللحام –وخاصة اللحام الخالي من الرصاص- شوائب تتراكم على رأس الكاوية تسبب حدوث عملية الأكسدة تلك. وهنا تأتي أهمية الإسفنجة. يجب أن تقوم بانتظام بتنظيف رأس الكاوية عن طريق إزالة ما يتراكم عليه. من الممكن استخدام إسفنجة عادية مبللة بالماء للقيام بتلك المهمة، لكن استخدام إسفنجة مبللة من الممكن أن يؤثر بدرجة كبيرة على العمر الافتراضي للرأس، لأن ذلك يؤدي إلى تمدد وانكماش الرأس نتيجة لتغير درجة الحرارة. وهذا التمدد والانكماش يتسببان في تآكل الرأس وأحياناً يتسببان في حدوث ثقب على جانبه. وعند حدوث ثقب في الرأس لا يصبح مناسباً لعملية اللحام، لذلك استخدام الإسفنجية النحاسية هو الأفضل لتنظيف الرأس. فالإسفنجات النحاسية تعمل على إزالة اللحام الزائد من الرأس بينما تسمح له بالحفاظ على درجة حرارته. أما إذا لم يكن لديك إسفنجة نحاسية فاستخدام إسفنجة عادية مبللة أفضل من لا شيء.

إسفنجة نحاسية. إذا لم يحتوي حامل الكاوية الذي لديك على مكان لوضع إسفنجة نحاسية، يُمكنك الحصول على إسفنجة نحاسية ذات حامل خاص بها.

مُلحقات اللحام (Soldering Accessories)

والآن بعد تعرفنا على جميع مكونات كاوية اللحام حان الوقت للحديث عن الأدوات الأخرى التي من شأنها أن تساعدك في القيام باللحام.

• فتيلة اللحام (Solder Wick): إذا اعتبرنا اللحام قلماً فإن فتيلة اللحام تُعتبر هي الممحاة. فعند حدوث اتصال غير مرغوب به عن طريق اللحام أو الحاجة لإزالته تأتي أهمية فتيلة اللحام. فتيلة اللحام –وتسمى أيضاً ضفيرة إزالة اللحام (desoldering braid)- تتكون من أسلاك رفيعة من النحاس مجدولة معاً. يُغمر اللحام بالنحاس مما يسمح لك بإزالة الأجزاء الزائدة منه.

• مُنظف الرأس (Tip Tinner): معجون كيميائي يتم استخدامه لتنظيف رأس كاوية اللحام. ويتكون من حامض معتدل (mild acid) يساعد في إزالة البقايا المتكونة على الرأس، ويساعد في منع حدوث الأكسدة (المادة السوداء البغيضة) التي تتراك على رأس الكاوية أثناء عدم استخدامها.

• قلم المذيب (flux pen): المذيب (flux) هو مادة كيميائية تساعد على إسالة اللحام الخالي من الرصاص. وتتيح أقلام المذيب التعامل مع لحام المكونات المعقدة للحصول على وصلات لحام أفضل بكثير.

• مكنسة اللحام (Solder Vacuum) أو ماص اللحام (Solder Sucker): أداة رائعة لإزالة اللحام الموجود في ثقوب التثبيت (through-holes) عند إزالة اللحام من المكونات. سنتناول كيفية استخدام تلك الأداة لاحقاً في هذا الدرس.

أدوات أخرى مُقترحة

هذه الأدوات ليست ضرورية، ولكنها بالتأكيد تجعل من عملية اللحام أسهل.

• اليد الثالثة (Third Hand): تساعد في الإمساك بألواح الدوائر المطبوعة (PCB) والأسلاك والمكونات وإبقائها في مكانها أثناء عملية اللحام.
• قواطع الأسلاك (Flush Cutters): قواطع تسمح لك بتقليم أرجل المكونات التي تريد تثبيتها على ألواح PCB.
• نظارات الحماية (Safety Glasses): للحماية في حالة تطاير أرجل المكونات التي يتم قصها.

اللحام لأول مرة

دعونا الآن نقوم باستخدام كل تلك الأدوات عملياً. هذا الفيديو سيشرح لك أساسيات اللحام لأول مُكون تقوم بلحامه: وصلة الرأس المُسنن:

الخلاصة

من الجيد أن تتبع النصائح التالية للحصول على وصلة لحام جيدة:

• كن حذراً عند التعامل مع كاويات اللحام الساخنة
• استخدم يداً ثالثة أو ماسك لحمل الألواح أثناء قيامك باللحام
• اضبط كاوية اللحام الخاصة بك على درجة حرارة متوسطة مناسبة (325-375 درجة مئوية)
• إذا رأيت دخاناً آتياً من اللحام فقم بخفض الحرارة
• قم بوضع بعض اللحام على رأس الكاوية قبل كل وصلة لحام لتسهيل عملية اللحام والحصول على وصلة جيدة
• استخدم جانب رأس الكاوية، وليس السن
• قم بتسخين نقطة اللحام والمكون الذي تود لحامه على حد سواء إلى نفس الدرجة وفي نفس الوقت
• وصلة اللحام الجيدة يجب أن تبدو مثل القمة البركانية، وليس مثل كرة أو كتلة

يمكنك الاستعانة بهذا الرسم لمساعدتك بشكل أفضل على الحصول على وصلات لحام جيدة:

التقنيات المتقدمة واستكشاف وإصلاح الأخطاء

بعد أن تعرفت على الأساسيات اللازمة لعمل وصلات لحام جيدة، حان الوقت لتتعلم المزيد حول التقنيات المتقدمة التي يُمكنك استخدامها للحام عبر الثقوب. هذا الفيديو يتناول استخدام المذيب (flux) وإزالة نقاط اللحام الغير مرغوب بها وإزالة المكونات الملحومة، بالإضافة إلى بعض النصائح والحيل المفيدة:

إليك بعض النصائح الأخرى حول اللحام عبر الثقوب:

• إزالة اللحام من أفضل الطرق لتعلم كيفية اللحام. هناك العديد من الأسباب لإزالة اللحام من جزء ما: مثل الإصلاح أو التحديث أو غير ذلك. العديد من التقنيات المستخدمة في الفيديو تساعد في عملية إزالة اللحام
• هناك طريقة أخرى لإزالة اللحام من ثقوب التثبيت تُسمى طريقة الصفعة (slap method)
• إذا لم تكن مُتأكداً ما إذا كانت وصلة اللحام التي قمت بعملها مُوصلة كهربياً أم لا يُمكنك استخدام مقياس متعدد (مالتيميتر multimeter) لاختبار الاستمرارية (continuity)

التنظيف

عند التعامل مع اللحام الخالي من الرصاص من الممكن أن ينتشر المُذيب في كل مكان سواء من المُذيب الموجود بداخل اللحام أو المُذيب الخارجي الذي يتم وضعه من قبل المُستخدم. ومن الممكن أن يؤدي ذلك المُذيب إلى تآكل ألواح الدوائر المطبوعة والمكونات الأخرى مع مرور الوقت. لذلك من الجيد أن تتعرف على كيفية تنظيف ألواح الدوائر المطبوعة لكي تكون خالية تماماً من بقايا المُذيب. والطريقة الأبسط لتنظيف أي لوح هي استخدام فرشاة صغيرة (فرشاة الأسنان تؤدي المهمة بشكل جيد) وبعض الكحول الأيزوبروبيلي (isopropyl alcohol). إذا كنت تقوم بلحام الكثير من الألواح فسيكون من الضروري أن تقوم بتنظيفها في مجموعات. ولعمل ذلك نوصي باستخدام وعاء من الفخار مليء بالماء المُقطر (distilled water). الماء المُقطر يحافظ على دائرتك من أي شوائب أو ملوثات من شأنها أن تؤثر عليها.

تنظيف الألواح ليس ضرورياً بنسبة 100%، ولكن من شأنه أن يزيد من عمر دائرتك بشكل كبير. لمزيد من المعلومات حول تنظيف ألواح الدوائر المطبوعة قم بالنقر هنا.

تمّت ترجمة هذه المادّة من موقع sparkfun تحت تصريح كرييتف كومّونز 3 (Creative Commons 3.0)