يركز مصنعو لوحات الدوائر المطبوعة بشكل متزايد على تصميم لوحات الدوائر المطبوعة الأصغر حجمًا. تكنولوجيا موكو لم يتم استبعادها؛ فنحن ندمج عددًا أقل من مكونات الفتحة العابرة مع دمج المزيد من تقنية التركيب السطحي (SMTبالنسبة للثقوب الكبيرة المطلية، نُخصص مساحة أقل على اللوحة. بدلاً من الثقوب المطلية، نستخدم بشكل متزايد مكونات SMT. جميع لوحات الدوائر المطبوعة لدينا مصممة لاستخدام الفتحات.
يشير المصطلح "الفتحة" إلى ثقب مُطلي موجود في لوحات الدوائر المطبوعة، ويُستخدم لتتبع أثر من الطبقة السطحية للوحة إلى الطبقة الداخلية والطبقات الأخرى. يمكن طلاء فتحات لوحات الدوائر المطبوعة لتشكيل توصيلات كهربائية، ويمكن حفرها ميكانيكيًا.
على الرغم من أهمية الفتحات في لوحات الدارات المطبوعة متعددة الطبقات، إلا أن تصميمها وإنتاجها يمثلان تحديًا. فهي تُنشئ مسارات للتيار الحراري والتدفق الكهربائي بين طبقات اللوحة المختلفة. الفتحات هي في الأساس قنوات تختلف في النوع والحجم.
أنواع PCB عبر
هناك خمسة أنواع من لوحات الدوائر المطبوعة، وهي:
1. الطريق الأعمى - الطريق الأعمى هو ليزر ينتقل من طبقة واحدة فقط إلى التالية.
2. الفتحة المدفونة - هذا النوع من الفتحات يكون بين الطبقات الداخلية ويكون مطلوبًا عندما توجد مشاريع متسلسلة أو متعددة الطبقات.
3. طريق مباشر - يربط طريق مباشر بين الطبقتين الخارجيتين عن طريق الحفر من الأعلى إلى الأسفل.
4. الثقوب الدقيقة - يتم حفر الثقوب الدقيقة باستخدام الليزر بدلاً من الحفر الميكانيكي، مما يسمح بأقل من 0.006 بوصة.
5. فتحة التوصيل في الوسادة - يتم وضع هذه الفتحة داخل وسادة مكون التركيب السطحي.
الطريق الأعمى مقابل الطريق المدفون
تُستخدم الفتحات المدفونة والمغلقة لربط طبقات مختلفة من لوحة الدوائر المطبوعة. توفر الفتحات المدفونة ربطًا بين الطبقات الداخلية، حيث تكون اللوحة مخفية تمامًا عن محيطها الخارجي. في الوقت نفسه، توفر الفتحات المخفية ربطًا بين الطبقات الخارجية مع طبقة أو عدة طبقات داخلية من لوحة الدوائر المطبوعة. يُعد هذان الفتحان مفيدين في لوحات الدوائر المطبوعة عالية الكثافة (HDI)، حيث تُفقد كثافتهما المثالية بزيادة حجم اللوحة أو زيادة طبقاتها.
PCB Micro-via
يمكن حفر الثقوب الدقيقة باستخدام الليزر، لأن قطرها أصغر من قطر الثقوب المثقوبة. ونظرًا لصعوبة طلاء النحاس داخل الثقوب الدقيقة، فإن عمقها أقل من طبقتين فقط. وبالتالي، عندما يكون قطر الثقوب صغيرًا، تزداد قدرة حوض الطلاء على القذف، مما يؤدي إلى تكوين طلاء نحاسي عديم الكهرباء.
وفقًا لموقعها في طبقات اللوحة، يتم تصنيف الفتحات الدقيقة إلى متخطية مكدسة أو متدرجة.
• المسارات المكدسة - يمكن إنشاؤها عن طريق تكديسها فوق بعضها البعض في طبقات مختلفة.
• فتحات متدرجة - يمكن توزيع هذه الفتحات على عدة طبقات، على الرغم من أنها مكلفة.
• يمكن تمرير فتحات التخطي عبر طبقة، مع التأكد من عدم وجود أي اتصال كهربائي بين الطبقة. وبالتالي، لا يمكن للطبقة المخطوفة تكوين رابط كهربائي مع فتحة التخطي.
PCB عبر الوسادة
تم ابتكار طريقة التوصيل عبر الوصلات (Via-in-pad) نظرًا لسرعة الإشارة العالية وسمك وكثافة مكونات لوحة الدوائر المطبوعة (PCB). تُحسّن هياكل التوصيل عبر الوصلات القياسية وتقنية VIPPO من إمكانية التوجيه وخصائص سلامة الإشارة.
يتتبع المصنعون مسار إشارة الفتحات القياسية من الوسادة إلى الفتحة لتجنب تسرب طبقة اللحام إليها. يُوضع مسار داخل فتحة في فتحة داخل وسادة في وسادة مُكوّن التركيب الخارجي.
يتم ذلك بملء الفتحة أولاً باستخدام إيبوكسي غير موصل، وفقًا لمتطلبات مُصنِّع لوحة الدوائر المطبوعة. بعد ذلك، تُغطى الفتحة وتُغطَّى بالغطاء لتوفير مساحة. نتيجةً لذلك، يتمدد مسار الإشارة، مما يُزيل تأثير المحاثة والسعة الانتهازية.
والأهم من ذلك، أن لوحة التوصيل الداخلي تُقلل حجم لوحة الدوائر المطبوعة وتستوعب مساحة أرضية صغيرة. هذه الطريقة مناسبة تمامًا لمكونات بغا بصمة القدم. من الضروري تنفيذ عملية الحفر الخلفي باستخدام وسادة ثقب في الثقب لتحقيق نتائج ممتازة. يُزال صدى الإشارة الموجود في الأجزاء المتبقية من الثقب بالحفر الخلفي.
مكونات PCB عبر
أ) البرميل - هو أنبوب موصل يستخدم لملء الحفرة المتسربة.
ب) الوسادة - تقوم بربط جميع أطراف البرميل بمساراته.
ج) الوسادة المضادة - وهي فتحة خلوص تستخدم لفصل الطبقة غير المتصلة والأسطوانة.
الاستخدامات الشائعة للمسارات في تصميم PCB
• توجيه الإشارة - يستخدم عدد كبير من لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) فتحات التوصيل لتوجيه الإشارة. مع ذلك، تستخدم اللوحات السميكة فتحات توصيل مخفية أو مخفية، بينما تستخدم اللوحات الخفيفة فتحات توصيل دقيقة فقط.
• توجيه الطاقة - يتم تقييد الفتحات الموجودة في معظم لوحات PCB باستخدام الفتحات العريضة ذات الثقوب لتوجيه شبكات الطاقة والأرض، على الرغم من أنه يمكن استخدام الفتحات العمياء أيضًا.
• توجيه الهروب - تستخدم مكونات التركيب السطحي الأكبر (SMT) غالبًا فتحات الثقوب العابرة لتوجيه الهروب. تُعد الفتحات الدقيقة أو العمياء هي الأكثر استخدامًا لتوجيه الهروب، ولكن يمكن استخدام فتحة في الوسادة في العبوات الصلبة مثل أجهزة BGA عالية عدد الدبابيس.
• الخياطة - يمكن استخدام فتحات التوصيل المثقوبة أو المخفية لتوفير توصيلات متعددة للسطح. على سبيل المثال، يُحيط شريط معدني مُخيط بفتحات التوصيل بالمنطقة الحساسة للدوائر الكهربائية لربطها بالسطح الأرضي للحماية من التداخل الكهرومغناطيسي.
التوصيل الحراري - تُستخدم الفتحات الحرارية للتوصيل الحراري من المُكوّن إلى خارج الطبقة الداخلية المُتصلة به. عادةً، تتطلب الفتحات الحرارية فتحةً كثيفةً عمياءً أو فتحةً مُخترقةً، حيث يجب أن تكون هذه الفتحات في وسادات هذه الأجهزة.
أهمية المسارات عند تصميم لوحة الدوائر المطبوعة
عند استخدام لوحة دوائر كهربائية بسيطة، لا تكون الفتحات ضرورية. ومع ذلك، فهي مطلوبة فقط عند التعامل مع لوحة متعددة الطبقات. عند تصميم لوحات الدوائر المطبوعة، تُعد الفتحات ضرورية لأنها:
• تساعدك على إنشاء كثافة متميزة للمكونات في لوحات متعددة الطبقات.
• زيادة كثافة المسارات في الألواح متعددة الطبقات، إذ يُمكن تركيبها فوق بعضها البعض وتحتها في اتجاهات مختلفة. تسمح الفتحات بتوصيل مسارات مختلفة، مما يُمثل عوامل اتصال رأسية.
• عندما لا يتم دمج المسار مع عملية التوجيه الخاصة بـ لوحة الدوائر المطبوعة متعددة الطبقات، يتم وضع المكونات في النهاية بشكل مضغوط.
• تسهيل نقل الطاقة والإشارة بين الطبقات. يجب توجيه مكونات لوحة الدوائر المطبوعة على مستوى واحد عند عدم الرغبة في استخدام مسار. والأهم من ذلك، أن المكونات المثبتة على السطح في لوحة الدوائر المطبوعة متعددة الطبقات تُصعّب توجيه الأجزاء على مستوى واحد.
نصائح تصميم PCB للمسارات
عند استخدام المسارات في PCB، من الضروري مراعاة النصائح أدناه؛
• عند تصميم لوحات الدوائر المطبوعة، من الضروري استخدام أقصى قدر من الهياكل عبر.
• عند التكديس بين الفتحات المتدرجة والمكدسة، ضع في اعتبارك الفتحات المتدرجة حيث يجب ملء الفتحات المكدسة.
• قلّل نسبة العرض إلى الارتفاع قدر الإمكان لتحقيق كفاءة ممتازة للإشارات والأداء الكهربائي. علاوة على ذلك، قلّل من التداخل الكهرومغناطيسي والضوضاء والتداخل.
من المستحسن استخدام فتحات أصغر حجمًا لأنها:
• يسمح لك ببناء لوحة HDI عالية الجودة عن طريق تقليل المحاثة والسعة للدائرة الضالة.
• املأ الفوط الداخلية في كل مرة، باستثناء عندما تكون داخل الفوط الحرارية.
تذكر دائمًا أن مصفوفة الوسادة التي تُثبّت عليها رقاقة BGA قد تحتوي على فتحات عمياء أو ذات ثقوب. عند معرفة ذلك، تأكد من تسوية الفتحات وملؤها لتجنب تلف وصلات اللحام.
• عند تصميم لوحات الدوائر المطبوعة، من الضروري معرفة أن الفتحات تساعد في تأمين وصلات اللحام للشريط والحرارة من حجب المجموعة، مما يعيق تكوين وصلات لحام ممتازة داخل وصلات QFN.
عند التعامل مع الوسادات الحرارية، استخدم ورشة تجميع بدلًا من ثقب مباشر. لا يمكن تحقيق ذلك إلا من خلال إدخال فتحات بتصميم نافذة داخل قالب طبقة اللحام فوق الوسادة. هذا يُجنّب انبعاث الغازات ودمج اللحام أثناء عملية التصميم.
• استخدم موقع حزمة BGA للبحث دائمًا عن الخلوص عبر أقل أثر في المكونات الموجهة.
• املأ دائمًا مجموعة لوحة التوصيل الخاصة بك.
• استخدم مسارًا قصيرًا محددًا مسبقًا لفصل فتحة التوصيل عن وسادتها عند تجميع عظمة الكلب.
• تتطلب وثائق PCB قالب حفر يحتوي على نقاط XY لكل ثقب ورمز ميزة.
عن طريق العلاج
يُضيف مُصنِّعو لوحات الدوائر المطبوعة معالجةً إضافيةً للثقوب لتحسين الأداء الحراري للوحة. تُساعد هذه المعالجات الإضافية أيضًا على تجنُّب العديد من مشاكل التجميع، مثل الحشو والتغطية والانسداد والحشو الموصل. تُعدُّ المعالجات المناسبة للثقوب ضروريةً لأنها تُساعد على تجنب أعمال استكشاف الأخطاء وإصلاحها المُكلفة.
أ) التغطية - وهي عملية شائعة يستخدمها المصنّعون لتجفيف أقنعة اللحام بالأغشية. يبلغ سُمك الغشاء الجاف 4 مم، وهو كافٍ لتغطية حتى الثقوب الكبيرة بفعالية.
ب) الحشو - يستخدم المُصنِّعون معجون إيبوكسي غير موصل لملء ثقب عادي أو ثقب مُتعدٍّ. تحتوي هذه الثقوب المملوءة على بضعة ملليمترات تمنع قناع اللحام من الوصول إلى الوسادة. تُعد هذه التقنية ممتازة للاستخدام في لوحات الدوائر المطبوعة متوسطة الكثافة، حيث يُقلل قناع اللحام من احتمالية التصاق اللحام بين الوسادة والثقب.
ج) السد - تتضمن هذه المعالجة سد نهايات الفتحات بمعجون إيبوكسي غير موصل للكهرباء لمنع تسرب الفتيل أو تدفق اللحام أثناء عملية اللحام. لكي يُثقب الإيبوكسي الثقب بفعالية، يجب أن يكون قطر الفتحة أقل من 20 مم. يستخدم المُصنِّعون قناع لحام لتغطية الفتحة المسدودة.
د) الحشو الموصل - يستخدم مُصنِّعو لوحات الدوائر المطبوعة النحاس النقي أو راتنجات الإيبوكسي مع النحاس لملء الفتحات الدقيقة بمعجون موصل، مما يُعزز توصيلية لوحة الدوائر المطبوعة. يمكن استخدام تقنية الحشو الموصل لجميع أنواع الفتحات.
الحشوة الموصلة مقابل الحشوة غير الموصلة
يستخدم مصنعو لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) طريقة تصنيع فريدة تُسمى "حشو الثقوب" (Via Fill) لإغلاق الثقوب باستخدام الإيبوكسي بالكامل. من أهم فوائد حشو الثقوب:
• يزيد من إنتاجية التجميع
• يجعل الحوامل السطحية أكثر موثوقية
• يحسن الاتساق عن طريق تقليل فرص تراكم الهواء أو السوائل.
حشوة الفجوات غير الموصلة تُوصل الطاقة والحرارة باستخدام فتحات مطلية بالنحاس. يُستخدم إيبوكسي خاص منخفض الانكماش لملء الفتحة. من ناحية أخرى، تُوفر حشوة الفجوات الموصلة موصلية كهربائية وحرارية إضافية باستخدام جزيئات الفضة أو النحاس المنتشرة في جميع أنحاء الإيبوكسي.
تبلغ الموصلية الحرارية للحشوة غير الموصلة 0.25 واط/متر كلفن، بينما تتراوح الموصلية الحرارية للحشوة الموصلة بين 3.5 و15 واط/متر كلفن. في المقابل، تتجاوز الموصلية الحرارية للنحاس المطلي كهربائيًا 250 واط/متر كلفن.
على الرغم من أن حشوة الفتحات الموصلة غالبًا ما توفر الموصلية المطلوبة في بعض التطبيقات، إلا أنه لا يزال من الممكن إضافة فتحات إضافية باستخدام المعجون غير الموصل. توفر الموصلية الحرارية والكهربائية الممتازة تأثيرًا أقل تكلفة.
الفرق بين نوع النفق وقطر النفق
يُناقش الجدول أدناه الفرق في قطر الفتحة بين أنواع الفتحات المختلفة. كما يُناقش بوضوح وسادة الفتحة، والحد الأدنى لقطر الفتحة، والحلقة الحلقية لـ تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور تخطيط باستخدام فتحة دارة كهربائية (Version) حسب تطبيقه. كما يوضح الجدول تفاصيل الأبعاد المختلفة اللازمة للتنفيذ في لوحة الدوائر المطبوعة (PCB). كما يُذكر نسبة العرض إلى الارتفاع لكل نوع من الفتحات.
العوامل التي يجب مراعاتها عند اختيار الطريق الصحيح
من الضروري اختيار المسار المناسب لأي مشروع لوحة دوائر مطبوعة (PCB) من خلال فهم تصميم قابلية التصنيع. ضع دائمًا العوامل التالية في اعتبارك عند التفكير في تنفيذ أي مشروع لوحة دوائر مطبوعة.
١) نوع الفتحة - حدد أفضل نوع من الفتحات لمشروعك. عند توفر طبقة واحدة فقط بدون حشوة أو تقنية خاصة، قد تكون هناك ثقوب كبيرة.
٢) حجم الفتحة - ١٠ مم هو الحجم القياسي لفتحة لوحة الدوائر المطبوعة، أو ٧ مم بعد طلاء فتحة لوحة الدوائر المطبوعة، حيث يُحدد سُمك اللوحة حجم الفتحة. تحتوي الفتحات الدقيقة المثقوبة ميكانيكيًا أو بالليزر على فتحات بقطر ٤ مم.
3) التسامح مع المسار - من الضروري تحديد التسامح مع حجم ثقب المسار، على الرغم من أن معظم مزودي لوحات الدوائر المطبوعة يقدمون جميع الإرشادات الداخلية.
4) دعم التكنولوجيا الأكثر ملاءمة - عندما تحتاج إلى فتحات مدفونة أو عمياء، اطلب دائمًا من موردي PCB إنشاء مجموعة تدعم هذا النوع من التكنولوجيا.
٥) إرشادات IPC - من الضروري اتباع إرشادات IPC الخاصة بالتقنيات المتحالفة بدقة، مثل المسافة بين الثقوب وفقًا لتوجيهات مُصنِّع لوحة الدوائر المطبوعة. ونظرًا للاختلاف الطفيف في إرشادات تجميع IPC للأجهزة العسكرية، والفئات ٢، و٣، و٣DS، فمن الضروري أخذها في الاعتبار.
٦) الحلقة الحلقية - نظرًا لأهمية حجم وسادة الثقب، من الضروري التأكد من أن الثقب يحتوي على حلقة حلقية كبيرة بما يكفي بعد الحفر. نظرًا لأن المثاقب الميكانيكية تتأرجح قليلًا أثناء الحفر، فقد تُسبب مثقاب الكسر ضررًا للثقب إذا لم يكن لديه حلقة حلقية كافية.
