دليل تصميم طبقات لوحات الدوائر المطبوعة

يحدد تراص لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) ترتيب طبقات النحاس، والمواد المُسبقة التشكيل، واللب، والمواد العازلة داخل لوحة الدوائر المطبوعة.

على الرغم من أنه غالبًا ما يتم تجاهله في المراحل المبكرة من التطوير، فإن تصميم التراص يعد أحد أهم العوامل التي تؤثر على:

• سلامة الإشارة
• معاوقة محكومة
• أداء EMI
• توزيع الطاقة
• السلوك الحراري
• موثوقية التصنيع

يساعد التصميم الجيد للطبقات على تجنب عمليات إعادة التصميم المكلفة، كما يحسّن الأداء الكهربائي والميكانيكي على حد سواء.

مقالات ذات صلة: عملية تصنيع ثنائي الفينيل متعدد الكلور

لماذا يعتبر تصميم طبقات لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) أمرًا مهمًا

تنشأ العديد من مشكلات لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) عن سوء تخطيط الطبقات وليس عن سوء مسار التوصيلات.

تشمل المشكلات الشائعة ما يلي:

• عدم تطابق المعاوقة
• التداخل الكهرومغناطيسي المفرط
• الحديث المتبادل
• تقلب التيار الكهربائي
• تشوه لوحات الدوائر المطبوعة
• بسبب مشاكل في الموثوقية

يُشكل التراص الصحيح الأساس لتصميم لوحات الدوائر المطبوعة الناجح.

العناصر الرئيسية لتكوين طبقات لوحات الدوائر المطبوعة

طبقات النحاس

تنقل طبقات النحاس:

• الإشارات
• الطاقة
• المراجع الأرضية

تشمل سماكات النحاس النموذجية ما يلي:

وزن النحاس	السُمك
نصف أونصة	17 μm
1 أونصة	35 μm
2 أونصة	70 μm
3 أونصة	105 μm

يزيد وزن النحاس الأكبر من قدرة توصيل التيار، لكنه يؤثر على حسابات المعاوقة.

المواد الأساسية

يوفر القلب الدعم الهيكلي.

تشمل الوظائف ما يلي:

• الاستقرار الميكانيكي
• الفصل الكهربائي
• الأداء الحراري

يؤثر اختيار المواد بشكل كبير على جودة الإشارة.

رابط داخلي: اختيار مواد لوحات الدوائر المطبوعة عالية التردد

طبقات البريبريغ

يعمل البريبريغ كمواد ربط بين القوالب.

أثناء التصفيح:

• يذوب الراتينج
• تترابط الطبقات معًا
• يتم تحديد السماكة النهائية للعازل الكهربائي

تؤثر خصائص المواد المُسبقة التشريب بشكل مباشر على التحكم في المعاوقة.

المستويات الأرضية

توفر الأسطح الأرضية:

• مسارات التيار العائد
• تقليل الضوضاء
• تخفيف التداخل الكهرومغناطيسي

تعد المستويات المرجعية المستمرة ضرورية للإشارات عالية السرعة.

طائرات الطاقة

تعمل لوحات التوزيع على توزيع التيار بكفاءة مع الحد من تقلبات الجهد.

تشمل المزايا ما يلي:

• مقاومة أقل
• تحسين سلامة الطاقة
• توزيع حراري أفضل

الهياكل الشائعة لتركيب طبقات لوحات الدوائر المطبوعة

تركيب لوحات الدوائر المطبوعة ذات 4 طبقات

من الترتيبات الشائعة ما يلي:

إشارة
الأرض
الطاقة
إشارة

المزايا:

• فعالة من حيث التكلفة
• تحكم جيد في التداخل الكهرومغناطيسي
• مناسب للعديد من المنتجات الصناعية

التطبيقات:

• الأنظمة المدمجة
• أجهزة التحكم الصناعية
• الإلكترونيات الاستهلاكية

مقالات ذات صلة: 4 طبقات ثنائي الفينيل متعدد الكلور

تركيب لوحات الدوائر المطبوعة المكونة من 6 طبقات

التكوين النموذجي:

إشارة
الأرض
إشارة
الطاقة
الأرض
إشارة

المزايا:

• عزل أفضل للإشارات
• تحسين التحكم في المعاوقة
• تقليل التداخل الكهرومغناطيسي

يُستخدم عادةً في:

• معدات الاتصالات
• الأتمتة الصناعية
• منتجات الشبكات

تركيب لوحات الدوائر المطبوعة ذات 8 طبقات

الترتيب المعتاد:

إشارة
الأرض
إشارة
الطاقة
الأرض
إشارة
الأرض
إشارة

المزايا:

• سلامة إشارة ممتازة
• كثافة توجيه عالية
• تقليل التداخل

التطبيقات:

• الخوادم
• اتصالات عالية السرعة
• المعدات الطبية

10 طبقات فأكثر

دعم عدد طبقات أكبر:

• توجيه HDI
• المعالجات المعقدة
• حافلات فائقة السرعة
• دمج الترددات اللاسلكية

رابط داخلي: مورد لوحات الدوائر المطبوعة متعددة الطبقات

تصميم التراص لضمان سلامة الإشارة

اجعل طبقات الإشارة مجاورة لطبقات التأريض

ينتج عن ذلك:

• مسارات عودة ثابتة
• انخفاض انبعاثات الكهرومغناطيسية
• معاوقة محكومة

يُعد وضع المستوى المرجعي بشكل غير صحيح أحد أكثر أخطاء التصميم شيوعًا.

تقليل مساحة الحلقة

تقلل حلقات التيار الأصغر من:

• الإشعاع
• الضوضاء
• التأثر بالتداخل

التحكم في انتقالات الطبقات

يؤدي كل انتقال عبر مسار إلى:

• الانقطاعات
• تأمل
• احتمال تدهور الإشارة

رابط داخلي: تحليل أعطال فتحات التوصيل في لوحات الدوائر المطبوعة

تصميم التراص للمقاومة المحددة

تعتمد المعاوقة المُتحكَّم فيها على:

• عرض الخط
• سماكة العازل الكهربائي
• سماكة النحاس
• المادة Dk

يجب على المهندسين حساب المعاوقة قبل البدء في توجيه المسارات.

ومن بين الأهداف الشائعة ما يلي:

الواجهة	المقاومة النموذجية
USB	90 Ω Differential
إيثرنت	100 Ω Differential
PCIe	85 Ω Differential
DDR	40–60 Ω Single Ended

تصميم التراص لتقليل التداخل الكهرومغناطيسي

يتحسن أداء EMI في الحالات التالية:

تظل الأسطح الأرضية متصلة

تجنب:

• الشقوق الكبيرة
• تأخيرات الرحلات الجوية
• فتحات غير ضرورية

تظل الإشارات عالية السرعة قريبة من القيم المرجعية

وهذا يقلل إلى أدنى حد:

• الإشعاع
• الحديث المتبادل
• انقطاع الإشارة

تم توصيل طبقات الطاقة والتأريض بشكل صحيح

تؤدي الطائرات المتقاربة إلى توليد سعة كهربائية موزعة.

تشمل المزايا ما يلي:

• تحسين سلامة الطاقة
• تقليل ضوضاء التبديل

تصميم التراص من أجل قابلية التصنيع

الأداء الكهربائي وحده لا يكفي.

كما يجب أن تكون هذه التركيبة قابلة للتصنيع.

ومن بين الاعتبارات المهمة ما يلي:

هيكل الطبقات المتماثل

تقلل التصميمات المتوازنة من:

• التواء
• الإجهاد الداخلي
• أعطال الموثوقية

رابط داخلي: تشوهات اللوحات الإلكترونية وتشوهات إعادة التدفق

توزيع متوازن للنحاس

قد يتسبب النحاس غير المستوي في:

• إجهاد التصفيح
• تقشر
• عدم استقرار الأبعاد

رابط داخلي: أسباب انفصال طبقات لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) وكيفية الوقاية منها

السماكة العازلة المناسبة

تجنب استخدام طبقات عازلة رقيقة بشكل لا داعي له، حيث إنها تزيد من صعوبة التصنيع.

كيفية تصميم تركيب فعال للوحات الدوائر المطبوعة

الأخطاء الشائعة في تصميم طبقات لوحات الدوائر المطبوعة

التوجيه دون تخطيط تراص الطبقات

غالبًا ما يؤدي ذلك إلى مشاكل في المعاوقة.

عدم كفاية الطبقات الأرضية

النتائج في:

• مشكلات EMI
• ضعف سلامة الإشارة

الهياكل غير المتماثلة

يزيد من خطر حدوث تشوهات.

التغييرات المفرطة في الطبقات

تسبب انقطاعات غير ضرورية في الإشارة.

تجاهل خصائص المواد

قد يؤدي إلى أداء غير موثوق به فيما يتعلق بالمقاومة.

الأسئلة الشائعة

الخاتمة

يُعد تصميم طبقات لوحات الدوائر المطبوعة أحد أهم القرارات في عملية تطوير لوحات الدوائر المطبوعة.

إن التصميم الهندسي السليم للطبقات يحسّن:

• سلامة الإشارة
• التحكم في المعاوقة
• أداء EMI
• الموثوقية
• قابلية التصنيع

من خلال الجمع بين مبادئ التصميم الكهربائي السليمة واعتبارات التصنيع، يمكن للمهندسين إنشاء تصميمات للوحات الدوائر المطبوعة (PCB) تعمل بشكل موثوق بدءًا من النموذج الأولي وصولاً إلى الإنتاج الضخم.