تحتوي لوحة PCB ذات أربع طبقات عادةً على أربع طبقات من النحاس، وليس أربع طبقات من المواد إجمالًا. تفصل مادة عازلة بين طبقات النحاس، وقد تحتوي اللوحة النهائية أيضًا على قناع لحام وعلامات مطبوعة وطبقة تشطيب سطحي. هذه المواد الفيزيائية مهمة، لكنها لا تُحسب طبقات نحاس إضافية.
قد يحتوي ملف تصميم PCB على مزيد من «الطبقات»: رسومات النحاس وفتحات قناع اللحام وفتحات معجون اللحام وحدود اللوحة وتعليمات أخرى. يصف بعضها مواد تبقى على اللوحة؛ بينما يوضح بعضها الآخر لشريك التصنيع أو التجميع كيفية معالجتها.
للاطلاع على مقدمة أساسية عن اللوحة نفسها، راجع ما هي لوحة PCB؟. عند طلب لوحة متعددة الطبقات، يهم هذا التمييز لأن صحة عدد الطبقات وحدها لا تحدد الملف المقابل لكل موضع أو وظيفة كل طبقة نحاسية أو طريقة اتصال الطبقات بعضها ببعض.
عدد طبقات النحاس مقابل البنية الفيزيائية
تحمل طبقات النحاس الخصائص الكهربائية للوحة، مثل المسارات ووسادات المكوّنات والمستويات ومناطق النحاس الأخرى. قد تتضمن الطبقة مسارات للإشارات أو مستوى أرضي أو توزيعًا للطاقة أو مزيجًا من ذلك. يشير العدد إلى مستويات النحاس المنفصلة في اللوحة، لا إلى عدد الشبكات أو أشكال النحاس المفردة.
تتكون العوازل بين طبقات النحاس من مادة عازلة كهربائيًا (dielectric). وقد تشمل بنية لوحة PCB صلبة ما يلي:
- القلب (Core): مادة عازلة متصلبة، تُورّد عادةً مع رقائق نحاسية ملتصقة بوجه واحد أو بالوجهين.
- البريبريغ (Prepreg): مادة مقوّاة بالراتنج ومتصلبة جزئيًا، يمكنها ربط الطبقات أثناء التصفيح متعدد الطبقات.
- رقائق النحاس والنحاس المترسب كهربائيًا: مواد موصلة تُشكّل لتكوين الدوائر.
- قناع اللحام والوسيلة الإيضاحية: طبقات تُوضع على سطح اللوحة عندما تكون محددة في التصميم.
يمكن أن تبدأ لوحة صلبة شائعة ذات طبقتين من النحاس بقلب مكسو بالنحاس: طبقة نحاس على كل جانب من القلب العازل. ولا تحتاج بالضرورة إلى طبقة بريبريغ مستقلة بين كل رقاقة والقلب. قد تستخدم البنى متعددة الطبقات البريبريغ لربط القلوب والطبقات الأخرى. ويعتمد ترتيب المواد الفعلي على تكديس الطبقات وعملية التصنيع المتفق عليهما.
وبالمثل، تحتوي لوحة ذات أربع طبقات نحاسية على أكثر من أربع مناطق مادية. وعبارة «أربع طبقات» اختصار مفيد لعدد طبقات النحاس، لكنها ليست مواصفة بنية كاملة.
رسم مفاهيمي غير مرسوم بمقياس، وليس مواصفة للوحة فعلية. تشرح التسميات الإنجليزية في SVG المقطع: تشير “Top solder mask” إلى قناع اللحام العلوي، و“Surface coating” إلى طلاء السطح، و“L1 copper” حتى “L4 copper” إلى طبقات النحاس الأربع، و“Insulating material” إلى المادة العازلة الفاصلة بينها. وتوضح التسميات السفلية أن القناع والوسيلة الإيضاحية وملفات التصميم ليست طبقات نحاس إضافية، وأن الوسيلة الإيضاحية علامة منفصلة، وأن فتحات القناع غير ظاهرة. يصف عدد طبقات النحاس والمادة العازلة وملفات مخرجات التصميم أشياء مختلفة.
مثال افتراضي لأربع طبقات نحاسية
افترض أن لوحة صلبة تحتوي على أربع طبقات نحاسية، مرقمة من الأعلى إلى الأسفل:
| معرّف النحاس | الوظيفة الافتراضية | ما يلزم تأكيده |
|---|---|---|
| L1 | إشارات ووسادات مكوّنات على الجانب العلوي | الاتصالات والخصائص النحاسية ومتطلبات المرجع للتصميم الفعلي |
| L2 | مستوى أرضي | استمرارية المستوى والخلوصات والشبكات المتصلة به |
| L3 | توزيع الطاقة أو مسارات الإشارات أو كلاهما | تعيينات الشبكة الفعلية وما إذا كان النحاس يوفر مرجعًا مناسبًا عند الحاجة |
| L4 | إشارات ووسادات مكوّنات على الجانب السفلي | الاتصالات والتوجيه ومتطلبات المرجع للتصميم الفعلي |
هذا مثال مرجعي افتراضي، وليس وصفة تكديس طبقات عامة. قد توزّع لوحة أخرى ذات أربع طبقات هذه الوظائف بطريقة مختلفة. يجب تأكيد أسماء الطبقات في التصميم وترتيبها الفيزيائي والاتصالات المقصودة للوحة المعنية.
قد توفر بنية الطبقات الأربع مساحة أكبر للتوجيه وفرصًا أكثر لوضع نحاس مرجعي بالقرب من طبقات الإشارة مقارنة ببنية ذات طبقتين. لكنها لا تثبت وحدها قبول التداخل الكهرومغناطيسي أو سلامة الإشارة أو قيمة المعاوقة. وتعتمد هذه النتائج على عوامل تشمل الهندسة وخصائص العازل ومسارات تيار الرجوع والانقطاعات والبنية النهائية. لا يكون المستوى القريب مفيدًا إلا إذا دعم مسار الرجوع المقصود.
في أعمال المعاوقة المضبوطة، قدّم المسارات المعنية والقيم المستهدفة والسماحيات مع تكديس طبقات متفق عليه؛ ولا تستنتج ضمانًا من عبارة «أربع طبقات». يتناول مقال تصميم تكديس طبقات PCB خيارات البنية بمزيد من التفصيل.
علاقة الثقوب النافذة بالطبقات
قد يمر الثقب النافذ المطلي عبر اللوحة، لكن مروره عبر طبقة نحاسية لا يعني اتصاله بها كهربائيًا. يحدد التصميم لكل طبقة ما إذا كان الثقب متصلًا بوسادة أو بمنطقة نحاسية، أم معزولًا عنها بخلوص.
في المثال الافتراضي، قد يصل ثقب نافذ إشارة على L1 بإشارة على L4 مع بقائه معزولًا عن L2 وL3. وقد يتصل ثقب آخر بنحاس الأرضي إذا نص التصميم على ذلك. راجع الشبكة الفعلية وهندسة الطبقات بدلًا من افتراض أن كل ثقب نافذ يصل الطبقات الأربع.
تبدأ الثقوب العمياء والمدفونة وتنتهي عند طبقات مختلفة. إذا استخدمها التصميم، فاذكر طبقات طرفيها ومتطلباتها صراحةً؛ فوجود أربع طبقات نحاسية لا يعني تلقائيًا وجود هذه الثقوب أو الاتفاق عليها.
القناع والوسيلة الإيضاحية والمعجون: وظائف مختلفة
قناع اللحام طبقة حقيقية، توضع عادةً على الأسطح الخارجية للوحة. تكشف فتحاته خصائص نحاسية مختارة، مثل الوسادات، للمعالجة والتجميع اللاحقين. وقد تتلقى المناطق النحاسية المكشوفة تشطيبًا سطحيًا محددًا؛ فلا ينبغي تفسير الفتحة على أنها طلب لترك النحاس عاريًا.
القناع ليس بديلًا عن رسم النحاس. تحدد فتحة القناع الموضع الذي ينبغي غياب الطلاء عنه، بينما تحدد بيانات النحاس الميزة الموصلة. قد تكشف فتحة غير مقصودة نحاسًا كان ينبغي أن يبقى مغطى، في حين قد يغطي غياب الفتحة وسادة معدّة للحام. للاطلاع على مزيد من السياق، راجع ما هو قناع اللحام؟.
الوسيلة الإيضاحية، التي تُسمى غالبًا الطباعة الحريرية، علامة مادية أيضًا عند تطبيقها. وقد تعرض مراجع المكوّنات أو مؤشرات القطبية أو بيانات تعريف أخرى. وهي ليست طبقة نحاس كهربائية. إذا تعارضت علامة مع وسادة أو فتحة، فاحسم المعالجة المقصودة قبل الإصدار بدلًا من افتراض إزالة جزء منها.
تصف طبقة المعجون عادةً معلومات فتحات قالب معجون اللحام. وهي مخرج للتجميع في المقام الأول وليست طبقة دائمة في اللوحة العارية. أثناء التجميع، يترسب المعجون عبر فتحات القالب ثم يعاد صهره؛ أما بيانات المعجون نفسها فليست طبقة ملتصقة داخل PCB. قد لا تحتاج جهة اللوحة التي لا تنطبق عليها متطلبات التركيب السطحي إلى ملف معجون، لكن ينبغي توضيح ذلك لمتلقي بيانات التجميع.
ويظهر هذا التمييز أيضًا في وثائق KiCad Pcbnew Layers، التي تفصل بين أغراض طبقات النحاس والقناع والمعجون والوسيلة الإيضاحية وطبقات التصميم الأخرى.
اربط كل ملف بالجهة التي ستستلمه
الجدول التالي خريطة نقل توضيحية للوحة الافتراضية ذات الأربع طبقات أعلاه. أسماء الملفات أمثلة وصفية وليست أعراف تسمية إلزامية. أكّد الأسماء والتنسيقات الفعلية مع كل جهة مستلمة.
| المخرج أو المعلومات | الغرض في هذا المثال | الجهة المستلمة وشرط المراجعة |
|---|---|---|
| L1 top copper | وسادات الجانب العلوي ونحاس الإشارات | مُصنّع اللوحة؛ أكّد أنه أول طبقة نحاس وأنه يطابق المنظر من الأعلى. |
| L2 copper | نحاس الأرضي | مُصنّع اللوحة؛ أكّد موضع الطبقة وتعيين الشبكة وخلوصات الثقوب النافذة. |
| L3 copper | نحاس الطاقة و/أو الإشارات | مُصنّع اللوحة؛ حدّد الوظيفة الفعلية وتأكد من عدم الخلط بينه وبين L2. |
| L4 bottom copper | وسادات الجانب السفلي ونحاس الإشارات | مُصنّع اللوحة؛ أكّد موضع الطبقة واتجاهها بالنسبة إلى الملفات الأخرى. |
| Top and bottom mask | المناطق المطلوب فتح قناع اللحام فيها | مُصنّع اللوحة؛ تحقّق من تطابق الملفات مع الجانبين الصحيحين والميزات المقصودة كشفها. |
| Top and bottom legend | تعريف المكوّنات والعلامات المطبوعة الأخرى | مُصنّع اللوحة؛ حدّد الجانب الذي لا يحمل وسيلة إيضاحية وافحص التعارض مع الفتحات. |
| Top and/or bottom paste | معلومات فتحات القالب المقترحة | جهة التجميع أو القالب؛ حدّد الجوانب المعنية وراجع متطلبات الفتحات. هذه ليست طبقة نحاس إضافية. |
| Board outline | المحيط النهائي والميزات المفرزة ذات الصلة | مُصنّع اللوحة؛ اجعل المحيط واضحًا وميّزه من الخطوط الميكانيكية الأخرى. |
| Drill and slot information | مواقع الثقوب وأنواعها ذات الصلة | مُصنّع اللوحة؛ حدّد متطلبات الثقوب المطلية وغير المطلية وأي نهايات خاصة للثقوب النافذة. |
| Stackup and fabrication drawing | ترتيب النحاس ومتطلبات البنية والملاحظات الداعمة | مُصنّع اللوحة؛ طابق هذه المستندات مع الرسومات وأي متطلبات للمعاوقة المضبوطة. |
لا يغني الجدول عن حزمة تصنيع أو تجميع كاملة. فمثلًا، يحدد المحيط الشكل، لكن قد تحتاج سماحيات الثقوب والسماكة النهائية والتشطيب السطحي ومتطلبات أخرى إلى مواصفات منفصلة. يقدم مقال أساسيات رسم التصنيع نقطة بداية لهذا التسليم.
ما الذي يمكن للمقطع العرضي أن يوضحه وما الذي لا يمكنه إثباته؟
مقطع مجهري لثقب نافذ في عينة اختبار من NASA/GSFC، أعده Charles E. Powers عام 2009. تشير الأسهم الأصلية إلى حلقات حلقية مفقودة. لا يوجد مقياس مرفق؛ ولا تثبت الصورة العدد الإجمالي لطبقات اللوحة أو حالة قبولها أو أي عمل لـ APTPCB. اعتماد الصورة وسجل المصدر.
يعرض المقطع المجهري قطعًا عبر منطقة معينة من لوحة أو عينة اختبار. وقد يساعد المفتش على فحص الخصائص الظاهرة في ذلك الموضع، لكن الصورة ليست مخططًا عامًا لعدد الطبقات. وعلى وجه الخصوص، لا ينبغي استخدام غياب ميزة ظاهرة عند موضع قطع واحد لإعادة تكوين اللوحة كاملة أو تحديد القبول من دون معايير التصميم والفحص المنطبقة.
مثال: حزمة طبقات معكوسة أو مسماة خطأ
سيناريو مراجعة افتراضي: يتلقى مشترٍ حزمة ذات أربع طبقات بملفات اسمها L1-top وL2-ground وL3-power وL4-bottom. ويذكر الرسم أيضًا أربع طبقات نحاسية، لكن المراجعة تشير إلى أن الملف المسمى L1-top يحتوي على النمط المتوقع في الجانب السفلي.
لا تحسم التعارض بالثقة في اسم الملف أو لون العرض أو لقطة شاشة واحدة. فالألوان وأعراف العرض ليست موحدة، وقد يبدو منظر الجانب السفلي مختلفًا بحسب طريقة عرضه.
تشمل المراجعة العملية ما يلي:
- أوقف الإصدار وحدد المنظر المرجعي. اسأل المصمم أي جانب يعد علويًا وكيف ينبغي عرض الرسومات. لا تفترض ضرورة عكس ملف لمجرد أنه يبدو معكوسًا في العارض.
- قارن السمات المميزة بين المخرجات. افحص موصلًا واضحًا أو خاصية توجيه أو نمط وسادات مكوّن مقابل بيانات النحاس والقناع والوسيلة الإيضاحية والتجميع المقصودة للجانبين العلوي والسفلي. تحقق من المحاذاة مع المحيط ومواقع الحفر.
- تحقق من ترتيب النحاس الداخلي بصورة منفصلة. لا يثبت تحديد ملف الجانب العلوي بصورة صحيحة أن L2 وL3 بالترتيب الصحيح. قارن قائمة الطبقات وتكديسها بمحتوى النحاس الفعلي والشبكات المقصودة.
- عالج العواقب الكهربائية. إذا بدت طبقة داخلية مسماة خطأ، فتحقق من اتصالات الثقوب النافذة وخلوصاتها وفق نية التصميم. قد يؤدي تبديل اسمي ملفين فحسب إلى إنشاء اتصالات غير صحيحة أو إبطال ترتيب المرجع المقصود.
- أصدر حزمة مصححة. اطلب من مسؤول التصميم تحديد الملفات المعتمدة وترتيب الطبقات، ومراجعة المخرج أو الوثائق المتعارضة، وإبلاغ كل مستلم بالمراجعة الجديدة. احذف الحزمة السابقة أو وضّح بجلاء أنها أُلغيت واستُبدلت.
إذا تعذر على المصمم تحديد المخرج المعتمد، فتوقف واطلب التوضيح قبل التصنيع. قد يكون عدد طبقات النحاس صحيحًا ومع ذلك تكون اللوحة خاطئة بسبب سوء نقل الرسومات أو الترتيب أو الاتصالات.
قبل طلب التصنيع
لتيسير المراجعة مع APTPCB، اذكر عدد طبقات النحاس وقدّم الملفات مع خريطة للطبقات ومتطلبات التكديس وملاحظات التصنيع. حدّد أي خصائص تحتاج إلى اتفاق خاص، مثل المعاوقة المضبوطة أو الثقوب غير النافذة. وبالنسبة إلى التجميع، حدّد ملفات المعجون ومخرجات التجميع الأخرى والجهات التي ستستلمها كلٌّ على حدة.
إذا كانت الحزمة جاهزة، استخدم طلب عرض السعر. وإذا لم يكن تعيين الطبقات أو المتطلبات واضحًا، فتواصل مع APTPCB قبل اعتبار الملفات معتمدة للإصدار.
مراجع المصادر العامة
- KiCad، Pcbnew Layers.
- NASA، عرض تقديمي عن تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة، سجل NASA Technical Reports Server رقم 20190001381.
- NASA/GSFC، صورة فحص عينة اختبار لـ Charles E. Powers، 2009، سجل NASA Technical Reports Server رقم 20090027819؛ راجع أعلاه اعتماد الصورة وسجل المصدر المرتبط.