بناء PCB عالي الكثافة
تجبر الدوائر المتكاملة عالية الكثافة مصممي لوحات الدوائر المطبوعة عالية الكثافة على إيجاد استراتيجيات تصميم جديدة إما لإضافة المزيد من الوظائف على لوحات أصغر - في منتجات المستخدم النهائي - أو الحصول على المزيد من الوظائف على أجزاء أكبر.
جيل جديد من العناصر الأصغر حجمًا في الدوائر المتكاملة قادم. يقع هذا في نطاق 65 نانومتر، لكن بعض مصنعي الدوائر المتكاملة يُطوّرون بالفعل نماذج أولية بعناصر 45 نانومتر. أصغر العناصر في الدوائر المتكاملة المُنتجة حاليًا، حوالي 90 نانومتر، تُشكّل تعارضًا مع الأساس الفيزيائي للوصلة.
لا يمكن أن تكون التوصيلات المطبوعة، أو المسارات، صغيرة إلا عند حدوث مشاكل في سلامة الإشارة وتوزيع الأداء على القرص. سيتطلب تجميع الرقاقات الجديدة على كل نوع من أنواع الصفائح بعض الاستراتيجيات الجديدة، بالإضافة إلى الاستراتيجيات المستخدمة سابقًا.
من المعروف أن هذه المشاكل في تصميم لوحات الدوائر المطبوعة تشمل: استقبال الإشارات من الدوائر المتكاملة وإرسالها إليها، والحفاظ على سلامة الإشارة، وتوزيع الطاقة على مكونات القرص. وتعني سلامة الإشارة تجنب التداخل، الذي يحدث عندما تكون المسارات متقاربة جدًا، وإدارة المعاوقة لتجنب انعكاسات الإشارة التي يُحتمل حدوثها في المسارات الطويلة جدًا لأنها تحدث على ألواح PCB كبيرة جدًا وعالية الكثافة.
هناك أيضًا تعقيد جديد: أوقات صعود وهبوط قصيرة جدًا. وبالتالي، حتى مع المسارات القصيرة جدًا، قد تحدث مشاكل إضافية في المعاوقة.
قبل خمس سنوات، كان جهاز توجيه الإنترنت تيرابت من أفضل المنتجات. كان يحتوي على 52 لوحة دوائر مطبوعة، وكان ارتفاعه نصف رف، أي 3 أقدام، وعمقه قدمين، وعرضه 2 بوصة. أما الآن، فلا يحتوي جهاز التوجيه إلا على لوحة دوائر مطبوعة واحدة، وارتفاعه 18 بوصة فقط. لو قيل لنا آنذاك إن الدائرة المتكاملة قادرة على استيعاب مليارات الترانزستورات ومسارات متوافقة مع 1.5 جيجابت في الثانية، لضحكنا. أما الآن، فلا أعرف إن كانت هناك حدود للحجم والسرعة أصلاً.
غالبًا ما يمكن معالجة مشاكل سلامة الإشارة على الأقراص ذات الدوائر المتكاملة والمسارات الأصغر حجمًا باستخدام تقنيات مألوفة: إدارة حجم المسارات وفصلها لتقليل التداخل، وبناء وصلات مسارات بمقاومات مناسبة لتجنب الانعكاسات. نعتبر أن الحد الأدنى لعرض المسارات هو ألف جزء من البوصة، وأن المسافة الدنيا بينهما تتراوح بين 7 و8 آلاف جزء من البوصة، بغض النظر عن عدد أطراف الشريحة. ويفضل أن تكون المسافة بينهما عشرة آلاف جزء من البوصة.
هندسة PCB الجديدة
اتخذ تصميم لوحات الدوائر المطبوعة عالية الكثافة مسارين. الأول يؤدي إلى لوحات الدوائر المطبوعة عالية الكثافة، المستخدمة في الهواتف المحمولة والكاميرات الرقمية وغيرها من الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية والمنزلية، حيث تُركّب جميع الدوائر على لوحة صغيرة الحجم، ويجب توزيع الطاقة باعتدال لإطالة عمر الخدمة بين الشحنات. أما المسار الثاني فيؤدي إلى لوحات الدوائر المطبوعة عالية الأداء في الحواسيب العملاقة وأجهزة التوجيه فائقة السرعة، والأنظمة المماثلة.
في هذه اللوحات الصغيرة، لا يحتاج مصممو هذه اللوحات إلى ضغط المكونات في مساحات ضيقة، بل إن الأداء مع متطلبات طاقة منخفضة هو العامل الأهم. تعمل لوحات الدوائر المطبوعة الأكبر بسرعات عالية جدًا. يواجه نوعا الأقراص عالية الكثافة مشاكل مختلفة، بينما يلجأ المصممون إلى الجيل التالي من الدوائر المتكاملة ذات العناصر الأصغر حجمًا.
بالنسبة للأقراص عالية الأداء التي تحتوي على دوائر متكاملة تحتوي على 1,000 أو 2,000 أو حتى المزيد من الدبابيس، فمن المحتمل أن تتطلب الحدود المادية التي تفرضها الاتصالات القياسية تقنيات تصميم مختلفة جذريًا.
ومن الأمثلة على ذلك شركة The Signal، التي تدعي أنها من دعاة سلامة الإشارة، وتقع شركتها في أولاثي بولاية كانساس، وهي عبارة عن لوحة دوائر مطبوعة ثلاثية الأبعاد على شكل مكعب.
هذا ليس مجموعة طبقات مكدسة، بل هو تصميم متكامل خاص بالتصميم ثلاثي الأبعاد، حيث تعمل جميع العمليات المهمة عموديًا عبر طبقات متعددة من المعالجات.
تُركز تقنيات أخرى على الصفائح. يُمكن أن يُساعد تعديل مادة الصفائح على تقليل فقدان الإشارة، كما يُمكن للصفائح الرقيقة جدًا دعم توصيلات أقصر وأكثر. بعض الصفائح الجديدة المُنتجة لا يتجاوز سُمكها ألفي بوصة، وتصبح أرق. ووفقًا لبوجاتين، تُمكّن هذه الصفائح المُصممين من تقليل عدد طبقات لوحة الدوائر المطبوعة إلى النصف مع تحسين الأداء.
ارتفعت سرعات تشغيل لوحات الدوائر المطبوعة عالية الكثافة من ١٠ إلى ٢٠ ميجاهرتز في ثمانينيات القرن الماضي، لتصل إلى جيجابت في الثانية في القرن الحادي والعشرين. في ثمانينيات القرن الماضي، كان بإمكانك تصميم لوحة وأنت مغمض العينين. أما الآن، فعليك أن تفتح كلتا عينيك على مصراعيهما.
المحاكاة والتدريب
مع ازدياد تعقيد الألواح، وعدم رغبة مُصنّعيها في إهدار دوائر متكاملة ذات 1,500 سن بسبب سوء التصميم، تُعدّ المحاكاة والنمذجة أمرًا بالغ الأهمية للوحات الدوائر المطبوعة. إذا لم ينجح شيء ما، فيجب اتخاذ إجراء مُؤهّل، ولن تتمكن من اتباع القواعد العامة المُجرّبة. تُشبه الأقراص بشكل متزايد الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASICs)، ونحتاج الآن بشكل متزايد إلى نفس نوع المحاكاة المُستخدم في الدوائر المتكاملة. تتوفر الآن أدوات المحاكاة التي تُجري هذه العملية عادةً، ولكن لا تزال مجموعات أدوات سلامة الأداء مفقودة حتى اليوم.
لوحة الدوائر المطبوعة عالية الكثافة للغاية
تعرض شركة MOKO Technology منصة التكنولوجيا Dencitec، التي تسمح بكثافة عالية للغاية من الوظائف المتكاملة للوحات الدوائر المطبوعة ذات الإنتاجية العالية.
تشمل هذه الخيارات موصلات وتباعدات بعرض يصل إلى 25 ميكرومترًا، بسماكة نحاسية تبلغ 20 ± 5 ميكرومتر على جميع الطبقات الموصلة، وقطر فتحة ليزر 35 ميكرومترًا، وحلقات متبقية بقطر 30 ميكرومترًا على الطبقات الداخلية و20 ميكرومترًا على الطبقات الخارجية، وفتحات عمياء مملوءة بالنحاس مع إمكانية تكديس الفتحات، وفتحات في وسادات. هذا يتيح مساحة أكبر لدمج خيارات إضافية مثل مصدر الطاقة (البطاريات، إلخ). بالإضافة إلى ذلك، تُمكّن المواد الحديثة من تصنيع دوائر فائقة الرقة، مثل دوائر مرنة رباعية الطبقات بسماكة إجمالية تقل عن 120 ميكرومترًا. على النقيض من ذلك، فإن العمليات القياسية المستخدمة بشكل شائع لا تحقق نتائج جيدة إلا حتى عرض ومسافة موصلات تصل إلى 50 ميكرومتر، والعمليات شبه المضافة الكلاسيكية مثل تقنية الأغشية الرقيقة تمكن من عرض ومسافة موصلات أقل من 15 ميكرومتر، ولكنها تقتصر عمومًا على تنسيقات الإنتاج.
محاكاة لترسب النحاس الجلفاني في إنتاج ثنائي الفينيل متعدد الكلور
قبل أن ننتج لوحة PCB عالية الكثافةنقوم بتحليل البيانات الواردة بعناية. بهذه الطريقة، نحدد جميع التأثيرات المحتملة على الإنتاج، والتي قد تؤثر على الجودة والموثوقية على المدى الطويل.
حتى الآن، كان الطلاء الكهربائي مجالًا يصعب فيه تحديد كيفية عمل تصميم معين بدقة. يعتمد سمك طبقة النحاس المُترسبة على لوحة الدائرة على كثافة التصميم. فإذا كانت الكثافة منخفضة، فإننا نخاطر بتراكم كميات كبيرة؛ وإذا كانت الكثافة عالية، فإننا نخاطر بتراكم كميات قليلة. فالهيكل النحاسي القوي جدًا يعني أن الثقوب فيه تصبح صغيرة جدًا. أما الهيكل النحاسي المنخفض جدًا فيعني أن جدران الثقوب ضعيفة جدًا، مما قد يؤدي إلى انكسار الثقوب المطلية أثناء التجميع وفقدان موثوقيتها على المدى الطويل.
الهدف هو الحصول على كثافة نحاسية موحدة وهيكل موحد على كامل لوحة الدائرة. نراعي هذا الأمر قدر الإمكان عند تركيب لوحات الدوائر المطبوعة على منتجات إنتاجنا. يمكننا وضع أنماط نحاسية إضافية (ما يسمى بأسطح التعويض) بين لوحة الدائرة وحولها لتعويض الكثافة. مع ذلك، تقتصر هذه الطرق على عدم قدرتنا على تعديل التصميم الفعلي للوحة الدائرة. فالمطور وحده هو من يمكنه القيام بذلك.
تاريخيًا، لم تكن هناك أدوات مطور لتحديد كثافة النحاس. واليوم، تقدم شركة MOKO Technology حلاً يتضمن صورة مُرمَّزة بالألوان للوحة الدائرة المطبوعة، تُظهر المناطق المحتملة للبنية الفوقية والبنية التحتية للنحاس.
نستخدم برنامج محاكاة جلفاني خاصًا يُقسّم اللوحة إلى خلايا صغيرة. تُقارن كثافة النحاس في كل خلية بمتوسط كثافة النحاس في لوحة الدائرة بأكملها، ثم يُحدَّد لونها. تُلوَّن كثافة النحاس الأقل من المتوسط على مقياس من الأخضر (المتوسط) والأصفر والبرتقالي إلى الأحمر. كلما زادت درجة اللون الأحمر، انخفضت الكثافة النسبية وزاد خطر تراكم النحاس الزائد في هذه المنطقة. تُلوَّن الخلايا ذات كثافة النحاس الأعلى على مقياس من الأخضر إلى الأزرق الداكن. كلما زادت درجة اللون الأزرق، زاد خطر تراكم النحاس غير الكافي.
باستخدام هذه البيانات المرئية، يمكن للمطور إضافة مناطق نحاسية في المناطق ذات الكثافة المنخفضة أو تقليل مناطق النحاس الكبيرة.
بالإضافة إلى ذلك، سنوفر مؤشر جلفانو لقياس تجانس كثافة النحاس على لوحة الدائرة. للوحة الدائرة المنتظمة تمامًا مؤشر يساوي 1، مما يعني عدم توقع حدوث أي مشاكل في الطلاء الكهربائي. تشير القيم المنخفضة إلى تجانس أقل، ويتم إبرازها في الصورة المرئية بمساحات حمراء وزرقاء. إذا انخفض المؤشر إلى 0.8 أو أقل، فيجب الانتباه جيدًا. في المثال الموضح أعلاه، يبلغ مؤشر الجلفانو 0.65. يمكن رؤية المنطقة الزرقاء، وهي صغيرة جدًا، بوضوح.
يتم إنشاء صورة الجلفانو عند تقديم طلب جديد. تُعد هذه الصورة جزءًا من "صورة لوحة الدوائر المطبوعة"، وهي تمثيل واقعي للوحات الدوائر المطبوعة الخاصة بك، وسنرسلها إليك مع تأكيد الطلب. قريبًا، ستصبح هذه المحاكاة جزءًا من وظيفة طلب السعر. سنجري عددًا من الفحوصات ونُنشئ تقريرًا بناءً عليها. بناءً على صورة الجلفانو، التي تم إنشاؤها أيضًا، يمكن للمصمم معرفة ما إذا كان بإمكانه إجراء تغييرات لتحسين تجانس لوحة دوائر PCB عالية الكثافة.
بعد التعديل، أصبح مؤشر الجلفانو ٠.٩٥. تُظهر الصورة ترسبًا متجانسًا للنحاس.
محاكاة الجلفانو - نمط طبقة مؤشر الجلفانو جيد - مؤشر الجلفانو جيد
بالطبع، قد تكون هناك قيود تصميمية تجعل كثافة النحاس الأقل تجانسًا أمرًا لا مفر منه. ولهذا، نُعدّ حلاً آخر لتحسين جودة وموثوقية لوحة الدوائر المطبوعة النهائية. سيُحسّن مشروع مصفوفة الأنود Elsyca Intellitool تجانس هيكل النحاس النهائي.
كثافة تعبئة أكبر للإلكترونيات المعقدة
يجب أن تواكب لوحات الدوائر المطبوعة عالية الكثافة التطورات في الرقائق الدقيقة. تُمثل الدوائر ذات الكثافة العالية قفزة تكنولوجية، يُتوقع أن تُحدث آثارًا بعيدة المدى تُضاهي آثار الانتقال إلى التركيب السطحي في منتصف الثمانينيات.
سيُحدث التصغير التدريجي للمكونات والرقائق والأنظمة نقلة تكنولوجية هائلة في صناعة لوحات الدوائر المطبوعة في السنوات القادمة، بالإضافة إلى إدخال تقنية التركيب السطحي (SMT) في منتصف الثمانينيات. ومن المتوقع حاليًا أن يشهد مجال الدوائر عالية التقنية أعلى معدلات النمو، نظرًا لنجاح دمج الرقائق الدقيقة، مما يتطلب أيضًا تقنية التوصيل. ويتمثل التحدي في إنتاج أجود الهياكل للوحات الدوائر المطبوعة ذات كثافة التكامل العالية (الترابط عالي الكثافة - HDI) بتكلفة اقتصادية.
حتى الآن، حُلّت مشاكل التلامس مع المكونات متعددة الأقطاب بنقل بعض التوصيلات إلى طبقة إشارة واحدة أو أكثر. ومع ذلك، يُعدّ إنتاج الدوائر متعددة الطبقات معقدًا نسبيًا، وبالتالي مكلفًا. ومع ذلك، لا يمكن تقليل عدد الطبقات إلا باستخدام هياكل نمطية للموصلات أدق أو باستخدام أقطار ثقوب أصغر. ولتوصيل طبقات الإشارة الفردية للوحة الدائرة إلكترونيًا ببعضها البعض، تُسمى مسارات الموصلات بالثقوب، أي تُحفر ثم تُطلى بالمعدن، وتُوصل إلى المستوى التالي أو الجانب السفلي من اللوحة. ونظرًا لأن لوحة الدائرة المطبوعة يمكن أن تحتوي على عدة آلاف من الثقوب، فهناك إمكانية هائلة للتوفير بمجرد تقليل قطر الثقب. ومع ذلك، ميكانيكيًا، لا يمكن إنتاج هذه الثقوب الدقيقة (الثقوب الدقيقة) التي يقل قطرها عن 0.1 مم إلا باستخدام الليزر، بينما يصل الحفر التقليدي عند 0.2 مم إلى حدوده القصوى.
ومع ذلك، فإن الثقوب الدقيقة ليست سوى الخطوة الأولى نحو دوائر أكثر تعقيدًا في هيكلة الأسلاك الدقيقة. تشمل خطوات العمل بالغة الأهمية هنا عملية التصوير بأكملها، والتي تُستخدم عادةً في هيكلة الغلاف النحاسي للمادة الأساسية للوحة الدائرة. تفرض تقنية الموصلات فائقة الدقة متطلبات عالية بشكل خاص على التعريض وعلى خطوة الحفر اللاحقة. إذا كان من المقرر إنتاج هياكل بعرض وتباعد أقل من 0.1 مم في الإنتاج التسلسلي، فإن إنتاجية الإنتاج تنخفض بشكل كبير في بعض الحالات. يمكن معالجة هذا الأمر من خلال أساليب إنتاج جديدة تُبسط عملية التصوير بأكملها بشكل كبير. يشمل ذلك التعريض المباشر لليزر، الذي يصف مقاومة الضوء مباشرةً بنمط الموصل. يتم التخلص تمامًا من خطوة التعريض التقليدية باستخدام فيلم.
من الناحية الفنية، يتفوق التعرض المباشر على التعرض السابق للتلامس لأنه يوفر مرونة أكبر فيما يتعلق بأحجام الدفعات ودقة أعلى للهيكل. وبالتالي، يمكن تقليل عدد خطوات العملية بشكل كبير. كما يتم تقليل تكاليف تشغيل الغرفة النظيفة والأفلام والأقنعة والمقاومات الضوئية بالإضافة إلى النفقات الناتجة عن التخلص من المواد والمخلفات الضارة بالبيئة من خلال هذا الإجراء. يمكن تحقيق إنتاجية أعلى خاصة مع الموصلات الدقيقة جدًا لأن التماسك العالي لشعاع الليزر يتيح تصويرًا موثوقًا لأصغر الهياكل بأقل قدر من الإشعاع. ونظرًا لعمق المجال الأكبر لجهاز فصل الصور المباشر، يمكن تعويض حتى الاختلافات في الارتفاع إلى حد ما. كما يمكن تصور قياس اللوحة الضوئية التلقائي ومؤشرات الاستخدام الفردية كوظائف إضافية. الهيكلة المباشرة بالليزر أسهل من ذلك، حيث يقوم الليزر بطحن نمط الموصل مباشرة في الغلاف النحاسي، مما يعني عدم الحاجة إلى مقاومة.
تُعدّ الشركات الصينية رائدةً أيضًا في تطوير تقنيات التوصيل الجديدة. يُعدّ "MOV" من شركة Inboard في كارلسروه مفهومًا جديدًا، وهو اختصارٌ للأسلاك السطحية متعددة الطبقات. يُطلق على هذا النوع الجديد من لوحات الدوائر المطبوعة عالية الكثافة أيضًا اسم "لوحة الدوائر المتكاملة" نظرًا لاحتوائها على مكونات إلكترونية مثل المقاومات والمكثفات.
لا تقتصر لوحة الدوائر المتكاملة على توفير هياكل مسارات موصلات أدق وثقوب عمياء محفورة بالليزر بقطر أقل من 80 ميكرومتر للتلامس مع مسارات الموصلات فحسب، بل تتميز أيضًا ببيانات كهربائية مبهرة. فمقارنةً بالأسلاك التقليدية متعددة الطبقات، يقل طول الكابل الذي يؤدي نفس الوظيفة بنسبة 35%. كما يقل عدد الفتحات في جميع الطبقات بنسبة 80%، مما يقلل عدد طبقات الإشارة في المثال المرجعي من ست طبقات إلى طبقتين فقط.
لكن من المهم أن تتمكن من الاعتماد على تقنية التجميع أحادية الجانب مجددًا. يمكن تضمين المقاومات والمكثفات كمكونات مطبوعة. وقد نتج هذا التطور الجديد عن تزايد الطلب على تردد التشغيل، وعدد توصيلات المكونات، والتصاميم الأصغر حجمًا مثل مصفوفة الشبكة الكروية وتغليف الشريحة. على سبيل المثال، مع وجود 50 مقاومًا مطبوعًا على لوحة دوائر مطبوعة، هناك ميزة في التكلفة مقارنةً بتجميع SMD، وفقًا للتصميم الداخلي.
نعمل على إيجاد حلول فعّالة من حيث التكلفة لنقل البيانات الضوئية. يربط ألياف بصرية بلاستيكية على شكل شريط، متصلة بما يُسمى باللوحة الخلفية، مكونات أجهزة الحاسوب عبر شرائط بلاستيكية مسطحة جدًا وموصلة للضوء، يصل طولها إلى 50 سم. عملية التصنيع المبتكرة لموجه الموجة الشريطي مناسبة لأي مادة حاملة، وخاصةً مواد لوحات الدوائر المطبوعة. نتبع نهجًا مختلفًا، حيث ندمج الموصلات الضوئية المنتجة بتقنية الختم الساخن في طبقات خاصة من لوحات الدوائر. يتيح هذا استخدام مكونات بصرية سلبية، مثل الفروع، مما يسمح بتوصيل ضوئي مشابه لتقنية لوحات الدوائر الكهربائية. تتطور لوحات الدوائر من عنصر توصيل بسيط إلى تجميع معقد.
