لوحة الدوائر المطبوعة لوحدة CFP: مواصفات التصنيع، قواعد التصميم، ودليل استكشاف الأخطاء وإصلاحها

إجابة سريعة (30 ثانية)

بالنسبة للمهندسين الذين يقومون بتصميم أو توريد أجهزة لوحات الدوائر المطبوعة لوحدة CFP للمرسلات والمستقبلات الضوئية عالية السرعة، يعتمد النجاح على التحكم الصارم في سلامة الإشارة وتبديد الحرارة.

اختيار المواد: يجب استخدام رقائق منخفضة الفقد (Panasonic Megtron 6/7, Rogers RO4350B) للتعامل مع سرعات 25 جيجابت في الثانية أو أكثر لكل مسار.
التحكم في المعاوقة: تتطلب الأزواج التفاضلية تفاوتًا صارمًا (±5% أو ±7%) لتقليل فقدان العودة.
أصابع الذهب: الطلاء بالذهب الصلب (30-50 ميكروبوصة) إلزامي للواجهة القابلة للتوصيل لتحمل دورات الإدخال المتكررة.
إزالة النتوءات (Stubs): الحفر الخلفي ضروري للممرات عالية السرعة لتقليل انعكاس الإشارة والارتعاش (jitter).
الإدارة الحرارية: تولد المحركات البصرية عالية الكثافة حرارة كبيرة؛ غالبًا ما تتطلب التصميمات عملات نحاسية، أو نحاسًا ثقيلًا، أو مصفوفات كثيفة من الممرات الحرارية.
الانتهاء السطحي: يُفضل ENEPIG إذا كان الربط السلكي مطلوبًا للمجموعة الفرعية البصرية (OSA)؛ وإلا، فإن ENIG أو الذهب الصلب هو المعيار.

متى تنطبق لوحة الدوائر المطبوعة لوحدة CFP (ومتى لا تنطبق)

يضمن فهم متطلبات عامل الشكل المحددة التوافق مع معايير اتفاقية المصادر المتعددة (MSA).

استخدم لوحة الدوائر المطبوعة لوحدة CFP عندما:

تطوير مرسلات ومستقبلات 100G/400G: تقوم ببناء أجهزة لشبكات الألياف الضوئية بعيدة المدى أو الحضرية باستخدام عوامل الشكل CFP، CFP2، CFP4، أو CFP8.
الحمل الحراري العالي: يتضمن التطبيق بصريات متماسكة أو تصميمات لوحات دوائر مطبوعة لوحدات CWDM طويلة المدى حيث تتجاوز تبديد الطاقة 20W-30W.
التوجيه المعقد: يتطلب التصميم أكثر من 10 طبقات مع فتحات عمياء/مدفونة لتوجيه مسارات SerDes عالية الكثافة ضمن مساحة مدمجة.
واجهات قابلة للتوصيل: يجب أن تتصل اللوحة مباشرة بمنفذ جهاز توجيه أو محول عبر موصل حافة ذو أصابع ذهبية.
تجميع مختلط: تحتاج إلى دمج مكونات SMT القياسية مع ربط الأسلاك للرقائق العارية للمحرك البصري.

لا تستخدم لوحة دوائر مطبوعة لوحدة CFP عندما:

تطبيقات السرعة المنخفضة: للروابط التي تقل عن 10 جيجابت في الثانية، تكون وحدات SFP+ أو XFP القياسية على مواد FR4 أكثر فعالية من حيث التكلفة.
بيانات المستهلك قصيرة المدى: غالبًا ما تستخدم الكابلات البصرية النشطة (AOC) لـ HDMI/USB الاستهلاكية تقنيات لوحات دوائر مطبوعة أبسط وأقل تكلفة من وحدات CFP من فئة شركات الاتصالات.
التصغير الشديد: إذا كانت المساحة محدودة بشكل صارم بأحجام QSFP-DD أو OSFP، فلن تتناسب لوحة عامل الشكل CFP القياسية مع القفص الميكانيكي.
التوصيلات البينية السلبية: لا تتطلب كابلات DAC النحاسية البسيطة (كابلات التوصيل المباشر) الدوائر النشطة المعقدة والإدارة الحرارية لوحدة CFP.

القواعد والمواصفات

وحدات الألياف الضوئية عالية الأداء لا تترك مجالاً لأخطاء التصنيع. توصي APTPCB (مصنع لوحات الدوائر المطبوعة APTPCB) بالالتزام بهذه المواصفات لضمان التوافق مع MSA وسلامة الإشارة.

القاعدة	القيمة/النطاق الموصى به	لماذا يهم	كيفية التحقق	إذا تم تجاهلها
المادة الأساسية	Megtron 6، Megtron 7، أو سلسلة Rogers 4000	يقلل من الفقد العازل عند ترددات 25 جيجاهرتز+.	التحقق من ورقة مواصفات IPC-4101 على شهادات المواد.	فقدان إدخال عالٍ؛ لا تصل الإشارة إلى أهداف المسافة.
تحمل المعاوقة	±5% إلى ±7% (فرق 100Ω)	يطابق معاوقة IC جهاز الإرسال والاستقبال والموصل لمنع الانعكاسات.	كوبونات TDR (قياس الانعكاسية في المجال الزمني).	فقدان عائد عالٍ؛ زيادة معدل خطأ البت (BER).
صلابة الأصابع الذهبية	130-200 كنوب (ذهب صلب)	يمنع التآكل أثناء الإدخال/الإزالة المتكررة للوحدة.	اختبار الصلابة الدقيقة؛ فحص السمك بالأشعة السينية.	يؤدي تآكل التلامس إلى فشل اتصال متقطع.
سمك الذهب	30 ميكروبوصة كحد أدنى (حتى 50 ميكروبوصة)	يضمن المتانة ومقاومة الأكسدة.	قياس XRF.	الأكسدة أو التآكل يكشف النيكل/النحاس.
عمق الحفر الخلفي	طول الجذع < 10 ميل (0.25 مم)	يزيل جذوع الفتحات غير المستخدمة التي تعمل كهوائيات/مرشحات.	تحليل المقطع العرضي أو الأشعة السينية.	تسبب الرنينات فجوات في الإشارة عند الترددات العالية.
نسبة أبعاد الفتحة (Via)	10:1 أو 12:1 كحد أقصى	يضمن طلاءً موثوقًا به في الفتحات العميقة على اللوحات السميكة.	التقطيع الدقيق (Micro-sectioning).	الطلاء غير المكتمل يسبب دوائر مفتوحة تحت الإجهاد الحراري.
استواء السطح	تقوس/التواء < 0.5%	حاسم للمحاذاة البصرية ولحام BGA.	مقياس قياس الالتواء.	اختلال محاذاة العدسة البصرية؛ كسور في وصلات لحام BGA.
الممرات الحرارية	0.2 مم - 0.3 مم، مملوءة ومغطاة	تنقل الحرارة من الدوائر المتكاملة إلى غلاف الوحدة.	فحص بصري؛ اختبار التوصيل الحراري.	ارتفاع درجة حرارة الوحدة؛ انحراف طول موجة الليزر؛ إيقاف التشغيل.
حاجز قناع اللحام	3-4 ميل كحد أدنى	يمنع جسور اللحام على المكونات ذات الخطوة الدقيقة.	الفحص البصري (AOI).	دوائر قصيرة على وسادات الموصلات ذات الخطوة الدقيقة.
النظافة	التلوث الأيوني < 1.56 ميكروغرام/سم²	المكونات البصرية حساسة للغاية للانبعاثات الغازية/البقايا.	اختبار روز / كروماتوغرافيا الأيونات.	ضبابية العدسات؛ تآكل طويل الأمد.

خطوات التنفيذ

يتطلب بناء لوحة دوائر مطبوعة لوحدة CFP موثوقة تدفق عملية يمنح الأولوية لتسجيل الطبقات وجودة الطلاء.

تصميم ومحاكاة التراص:
- الإجراء: تحديد عدد الطبقات (عادة 10-16 طبقة) واختيار سمك اللب/البريبيرغ.
- المعلمة: موازنة وزن النحاس لمنع الالتواء؛ ضمان مستويات مرجعية لخطوط السرعة العالية.
- التحقق: تشغيل محاكاة SI لتأكيد الممانعة وميزانيات الفقد.
شراء المواد:
- الإجراء: طلب رقائق عالية التردد (على سبيل المثال، مواد Megtron PCB).
- المعلمة: التحقق من أن قيم Dk (ثابت العزل الكهربائي) و Df (عامل التبديد) تتطابق مع المحاكاة.
- التحقق: فحص تاريخ انتهاء صلاحية المواد وظروف التخزين.
تصوير وحفر الطبقات الداخلية:
- الإجراء: طباعة وحفر أنماط الدوائر مع تعويض عامل الحفر.

المعلمة: تحمل عرض المسار ±0.5 ميل لخطوط المعاوقة.
التحقق: AOI (الفحص البصري الآلي) لاكتشاف الدوائر القصيرة/المفتوحة قبل التصفيح.

التصفيح والحفر:
- الإجراء: ضغط الطبقات تحت التفريغ والحرارة؛ حفر ثقوب التوصيل (via holes).
- المعلمة: دقة التسجيل ±3 ميل.
- التحقق: التحقق بالأشعة السينية من محاذاة الطبقات.
الحفر الخلفي (الحفر بعمق متحكم به):
- الإجراء: حفر بقايا التوصيلات (via stubs) في الشبكات عالية السرعة.
- المعلمة: طول البقية المتبقية < 10 ميل.
- التحقق: اختبار الاستمرارية الكهربائية لضمان عدم قطع الوصلة النشطة.
الطلاء والتشطيب السطحي:
- الإجراء: طلاء الثقوب النافذة؛ تطبيق التشطيب السطحي.
- المعلمة: تطبيق الذهب الصلب على أطراف الحافة؛ ENEPIG أو ENIG على وسادات المكونات.
- التحقق: اختبار الشريط اللاصق للالتصاق؛ XRF للسمك.
التشكيل والشطف:
- الإجراء: توجيه محيط اللوحة وشطف حافة الإصبع الذهبي.
- المعلمة: زاوية شطف من 20 درجة إلى 45 درجة لإدخال سلس.
- التحقق: فحص الملاءمة الميكانيكية باستخدام مقياس قفص CFP قياسي.
الاختبار الكهربائي:
- الإجراء: إجراء اختبار المسبار الطائر أو سرير المسامير.
- المعلمة: التحقق بنسبة 100% من قائمة الشبكة؛ TDR للمعاوقة.
- التحقق: إنشاء تقرير اختبار يؤكد عدم وجود دوائر مفتوحة/قصيرة.

أوضاع الفشل واستكشاف الأخطاء وإصلاحها

حتى مع المواد عالية الجودة، يمكن أن تفشل لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs) لوحدات CFP إذا انحرفت ضوابط عملية التصنيع.

1. معدل الخطأ العالي في البتات (BER)

الأسباب: عدم تطابق المعاوقة، أو بقايا الثقوب الطويلة (via stubs)، أو تأثير نسيج الألياف.
الفحوصات: مراجعة تقارير TDR؛ فحص عمق الثقب الخلفي (backdrill)؛ التحقق من نمط نسيج الزجاج (يوصى بالزجاج المنتشر).
الإصلاح: إعادة التصنيع بتسامح معاوقة أضيق أو ثقب خلفي أعمق.
الوقاية: استخدام أقمشة زجاجية منتشرة وتوجيه متعرج للأزواج التفاضلية.

2. ارتفاع درجة حرارة الوحدة

الأسباب: ثقوب حرارية غير كافية، أو طلاء نحاسي رديء في الوسادات الحرارية، أو مسار تدفق هواء مسدود.
الفحوصات: التصوير الحراري؛ مقطع عرضي للثقوب الحرارية.
الإصلاح: زيادة وزن النحاس؛ إضافة تقنية العملة النحاسية إذا كانت ممكنة.
الوقاية: محاكاة التدفق الحراري خلال مرحلة التصميم؛ تعظيم مستويات الأرضي.

3. اتصال متقطع (رفرفة الرابط)

الأسباب: أكسدة الأصابع الذهبية، أو سمك الذهب غير الكافي، أو التآكل الميكانيكي.
الفحوصات: فحص الموصل الحافي بالمجهر؛ اختبار الصلابة.
الإصلاح: إعادة طلاء الأصابع (صعب) أو استبدال الوحدة.
الوقاية: تحديد الذهب الصلب (Au + Co/Ni) بسمك يزيد عن 30 ميكروبوصة.

4. فشل المحاذاة البصرية

الأسباب: التواء أو انحراف لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) يتجاوز 0.5%.
الفحوصات: وضع اللوحة على لوح سطح جرانيتي؛ قياس ارتفاع الزاوية.
الإصلاح: ضبط دورة التصفيح؛ موازنة توزيع النحاس.
الوقاية: استخدام تكوينات متناظرة وموازنة نحاسية وهمية. 5. رفع ربط الأسلاك (لتصاميم COB)
الأسباب: تلوث السطح أو تشطيب غير صحيح (مثل ENIG مع "black pad").
الفحوصات: اختبار الشد؛ اختبار القص.
الحل: تبديل تشطيب السطح إلى ENEPIG.
الوقاية: تنظيف بلازما صارم قبل ربط الأسلاك.

6. تداخل الإشارة (Crosstalk)

الأسباب: المسارات قريبة جدًا، مستويات مرجعية مقسمة.
الفحوصات: محاكاة/قياس تداخل الإشارة القريب والبعيد.
الحل: زيادة التباعد (قاعدة 3W)؛ ربط الفتحات الأرضية (ground vias) على طول الأزواج التفاضلية.
الوقاية: الحفاظ على مستويات مرجعية صلبة؛ تجنب التوجيه فوق الانقسامات.

قرارات التصميم

اتخاذ الخيارات الصحيحة مبكرًا في مرحلة التصميم يوفر التكلفة ويقلل من وقت التسليم لمشاريع لوحات الدوائر المطبوعة لوحدة CFP.

تطور عامل الشكل: بينما كان CFP الأصلي كبيرًا، غالبًا ما تستهدف التصميمات الأحدث تنسيقات لوحات الدوائر المطبوعة لوحدة CFP2 أو لوحات الدوائر المطبوعة لوحدة CFP4. تتطلب عوامل الشكل الأصغر هذه توصيلات بينية عالية الكثافة (HDI) وخطوة أكثر إحكامًا، مما يستلزم غالبًا استخدام الفتحات الدقيقة المحفورة بالليزر (laser-drilled microvias).
المادة مقابل التكلفة: بالنسبة لـ 100G، يعتبر Megtron 6 خيارًا قياسيًا. بالنسبة لـ 400G أو 800G (CFP8)، قد تحتاج إلى Megtron 7 أو Tachyon 100G. لا تبالغ في تحديد مواصفات المواد لتصاميم 40G القديمة حيث قد يكون FR4-High Tg كافيًا.
واجهة الموصل: موصل الحافة هو الميزة الميكانيكية الأكثر أهمية. تأكد من أن زاوية الشطب ومواصفات الطلاء الذهبي تتطابق تمامًا مع الموصل المقابل.
استراتيجية حرارية: قرر مبكرًا ما إذا كانت الفتحات الحرارية القياسية كافية أم أنك بحاجة إلى عملات نحاسية مدمجة. تضيف العملات النحاسية تكلفة وتعقيدًا كبيرين ولكنها ضرورية لوحدات التماسك عالية الطاقة.
التقطيع إلى لوحات (Panelization): الوحدات البصرية صغيرة. قم بتقطيعها إلى لوحات بكفاءة لتقليل الهدر، ولكن تأكد من أن إطار اللوحة صلب بما يكفي لمنع الالتواء أثناء إعادة التدفق (reflow).

الأسئلة الشائعة

1. ما هو الفرق الرئيسي بين لوحات الدوائر المطبوعة CFP و CFP2 و CFP4؟ الفرق الأساسي هو الحجم وكثافة الطاقة. CFP هو الأكبر؛ CFP2 هو نصف الحجم؛ CFP4 هو ربع الحجم. تتطلب الوحدات الأصغر توجيه HDI أكثر إحكامًا وإدارة حرارية أكثر تقدمًا.

2. لماذا يعتبر الحفر الخلفي (backdrilling) أمرًا بالغ الأهمية للوحات الدوائر المطبوعة لوحدات CFP؟ يزيل الحفر الخلفي الجزء غير المستخدم من الفتحة المطلية (stub). عند سرعات 25 جيجابت في الثانية وما فوق، تسبب هذه الأجزاء غير المستخدمة انعكاسات للإشارة تؤدي إلى تدهور سلامة الإشارة.

3. هل يمكنني استخدام FR4 القياسي للوحة الدوائر المطبوعة لوحدة CFP؟ بشكل عام، لا. يحتوي FR4 القياسي على فقدان إشارة كبير جدًا لمعدلات البيانات عالية السرعة (25G/50G لكل مسار) المستخدمة في وحدات CFP الحديثة. أنت بحاجة إلى مواد لوحات الدوائر المطبوعة عالية السرعة.

4. ما هو أفضل تشطيب سطحي لوحدات CFP؟ يلزم استخدام الذهب الصلب لأصابع موصل الحافة. بالنسبة لبقية اللوحة، ENIG شائع، ولكن ENEPIG أفضل إذا كنت تقوم بربط الأسلاك بالقوالب العارية (COB).

5. كيف تتحكم في المعاوقة على هذه اللوحات؟ نقوم بتعديل عرض المسار وسمك العازل بناءً على خصائص المواد المحددة. نتحقق من ذلك باستخدام قسائم TDR على كل لوحة إنتاج.

6. ما هو العدد النموذجي للطبقات لوحدة CFP؟ تتراوح معظم التصميمات من 10 إلى 16 طبقة لاستيعاب التوجيه الكثيف لأزواج التفاضلية عالية السرعة ومستويات الطاقة.

7. كيف تتعامل APTPCB مع الإدارة الحرارية لهذه اللوحات؟ نستخدم طبقات نحاسية سميكة، ومصفوفات كثيفة من الفتحات الحرارية (thermal vias)، ويمكننا دمج نوى معدنية أو قطع نحاسية لتبديد الحرارة الشديدة.

8. ما هي التفاوتات لحافة الأصابع الذهبية؟ عادةً ما يكون عرض وتباعد الأصابع بتفاوت ±0.05 مم، وزاوية الشطب تتراوح عادةً من 20 درجة إلى 45 درجة ±5 درجات.

9. هل تدعمون تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة لوحدات الكابلات الضوئية النشطة (AOC)؟ نعم، تشترك لوحات الكابلات الضوئية النشطة (AOC) في متطلبات مماثلة لوحدات CFP ولكنها غالبًا ما تكون أصغر ومرفقة بشكل دائم بكابل الألياف.

10. ما هي الملفات المطلوبة للحصول على عرض سعر؟ ملفات Gerber (RS-274X)، ملفات الحفر، رسم التراص (stackup drawing)، متطلبات المعاوقة، ورسم التصنيع الذي يحدد المواد والتشطيبات.

11. ما هو الوقت المستغرق لتسليم نماذج لوحات الدوائر المطبوعة لوحدات CFP؟ الوقت المستغرق القياسي هو 8-12 يومًا نظرًا لتعقيد عمليات الترقق والحفر الخلفي. تتوفر خيارات التسليم السريع.

12. كيف تضمنون النظافة للتجميعات البصرية؟ نستخدم دورات غسيل محددة واختبار التلوث الأيوني لضمان خلو اللوحات من البقايا التي قد تتصاعد منها الغازات وتسبب ضبابًا على العدسات البصرية.

تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة عالية السرعة: قدرات لسلامة الإشارة بسرعة 25 جيجابت في الثانية وما فوق.
لوحات الدوائر المطبوعة لمعدات الاتصالات: حلول خاصة بالصناعة لمراكز الاتصالات والبيانات.
تشطيبات سطح لوحات الدوائر المطبوعة: مقارنة مفصلة بين الذهب الصلب (Hard Gold)، وENIG، وENEPIG.

مسرد المصطلحات (المصطلحات الرئيسية)

المصطلح	التعريف
CFP	C Form-factor Pluggable؛ معيار لأجهزة الإرسال والاستقبال البصرية عالية السرعة.
MSA	Multi-Source Agreement؛ المعيار الذي يحدد عامل الشكل الميكانيكي والكهربائي.
SerDes	Serializer/Deserializer؛ كتل اتصال عالية السرعة تحول البيانات المتوازية إلى تسلسلية.
PAM4	تعديل سعة النبضة 4 مستويات؛ مخطط تعديل يضاعف معدل البيانات مقارنة بـ NRZ.
Backdrilling	عملية حفر الجزء غير المستخدم من الفتحة لتقليل انعكاس الإشارة.
فقدان الإدخال	فقدان قوة الإشارة الناتج عن إدخال جهاز في خط نقل.
فقدان الإرجاع	فقدان الطاقة في الإشارة المرتجعة/المنعكسة بسبب انقطاع في خط نقل.
الذهب الصلب	طلاء ذهبي مخلوط بالكوبالت أو النيكل لمقاومة التآكل على موصلات الحافة.
ENEPIG	نيكل كيميائي بلاديوم كيميائي ذهب بالغمر؛ تشطيب سطح عالمي.
Dk / Df	ثابت العزل الكهربائي / عامل التبديد؛ خصائص المواد الرئيسية للإشارات عالية السرعة.
CWDM	تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي الخشن؛ تقنية تجمع إشارات متعددة على حزم ليزر.
AOC	كابل بصري نشط؛ تقنية كابلات تقبل نفس المدخلات الكهربائية للكابلات التقليدية ولكنها تستخدم الألياف البصرية.

طلب عرض أسعار

هل أنت مستعد لتصنيع لوحة الدوائر المطبوعة لوحدة CFP الخاصة بك؟ توفر APTPCB مراجعات شاملة لتصميم قابلية التصنيع (DFM) لتحسين ترتيب الطبقات لديك من أجل سلامة الإشارة وقابلية التصنيع قبل بدء الإنتاج.

يرجى تجهيز ما يلي للحصول على عرض أسعار دقيق:

ملفات Gerber: بتنسيق RS-274X.
ترتيب الطبقات (Stackup): عدد الطبقات المطلوب وتفضيل المواد (مثل Megtron 6).
رسم الثقوب (Drill Drawing): بما في ذلك متطلبات الثقوب الخلفية (backdrill).
الكمية: حجم النموذج الأولي أو الإنتاج الضخم.

الخلاصة

تعد لوحة الدوائر المطبوعة لوحدة CFP العمود الفقري لشبكات الألياف الضوئية الحديثة عالية السرعة، وتتطلب اهتمامًا دقيقًا بخصائص المواد، والتحكم في المعاوقة، والدقة الميكانيكية. سواء كنت تصمم لمعايير CFP2 أو CFP4 أو معايير 800G الناشئة، فإن الالتزام بمواصفات التصنيع هذه يضمن أداء وحدات الإرسال والاستقبال الخاصة بك بشكل موثوق في بيئات مراكز البيانات المتطلبة.