من خلال تقنيات التصميم في تصميم لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)

في تصميم لوحات الدوائر المطبوعة, ، وتُعد «الثقوب» عاملاً حاسماً من الناحية التصميمية. وهي تتألف من الثقب نفسه، ومنطقة الوسادة المحيطة به، ومنطقة عزل طبقة الطاقة (POWER)، وتُصنف عموماً إلى ثلاثة أنواع: الثقوب العمياء، والثقوب المدفونة، والثقوب المارة. فريق الهندسة في شركة جيوان للإلكترونيات, ، من خلال تحليل السعة والتحريض الطفيفين في الثقوب المارة (vias) أثناء عملية تصميم لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)، تم تلخيص بعض الاعتبارات الرئيسية وتقنيات التصميم ذات الصلة بتصميم الثقوب المارة في لوحات الدوائر المطبوعة. حاليًا، يُستخدم تصميم لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) على نطاق واسع في مجالات مثل الاتصالات وأجهزة الكمبيوتر ومعالجة الرسومات. وتسعى جميع تصميمات المنتجات الإلكترونية عالية التقنية وذات القيمة المضافة العالية إلى تحقيق استهلاك منخفض للطاقة، وإشعاع كهرومغناطيسي منخفض، وموثوقية عالية، وتصغير الحجم، وخفة الوزن. ولتحقيق هذه الأهداف، يُعد تصميم الثقوب عاملاً حيويًا في تصميم لوحات الدوائر المطبوعة (PCB).

المكونات الأساسية والمواصفات الفنية لثقوب التوصيل في لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)

تُعد الثقوب (الفياس) عنصراً حاسماً في تصميم لوحات الدوائر المطبوعة متعددة الطبقات. وتتكون الثقب بشكل أساسي من ثلاثة أجزاء: الثقب نفسه، ومنطقة الوصلة المحيطة به، ومنطقة عزل طبقة الطاقة. وتتضمن عملية تصنيع الثقب ترسيب طبقة معدنية كيميائياً على السطح الأسطواني لجدار الثقب لربط رقائق النحاس في الطبقات الوسيطة. يكون شكل السطحين العلوي والسفلي للفتحة مثل الوسادات العادية، والتي يمكن توصيلها مباشرةً بالمسارات الموجودة على السطحين العلوي والسفلي، أو تركها غير موصولة. تعمل الفتحات على توفير التوصيلات الكهربائية وتثبيت المكونات أو تحديد مواقعها.

تصنيف الثقوب المارة

تصنف المسارات عمومًا إلى ثلاث فئات: الثقوب العمياء، والثقوب المدفونة، والثقوب المارة.

ثقب أعمى	توجد الثقوب العمياء على السطحين العلوي والسفلي للوحات الدوائر المطبوعة، ولها عمق معين، وتُستخدم لربط الدوائر السطحية بالدوائر الداخلية الكامنة تحتها. وعادةً لا يتجاوز عمق وقطر الثقب نسبة معينة.
حفرة مدفونة	الثقوب المدمجة هي ثقوب توصيل تقع في الطبقة الداخلية للوحة الدوائر المطبوعة ولا تمتد إلى سطح اللوحة.
ثقب مارّ	الثقوب المارة هي ثقوب تخترق لوحة الدائرة الكهربائية بالكامل، ويمكن استخدامها لإجراء التوصيلات الداخلية أو كثقوب تثبيت للمكونات. ونظرًا لأن الثقوب المارة أسهل في التصنيع وأقل تكلفة، فإنها تُستخدم بشكل شائع في لوحات الدوائر المطبوعة.

تحليل تصميم الثقوب المارة في لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)

تقع كل من الثقوب العمياء والثقوب المدفونة في الطبقات الداخلية للوحة الدوائر المطبوعة. ويتم تشكيلها باستخدام عملية صب الثقوب المارة قبل عملية التصفيح، وقد تتداخل عدة طبقات داخلية أثناء عملية تشكيل الثقوب. ونظرًا لأن الثقوب المارة أسهل في التنفيذ وتكلفتها أقل، فإنها تُستخدم في الغالبية العظمى من لوحات الدوائر المطبوعة بدلاً من النوعين الآخرين من الثقوب. وما لم يُنص على خلاف ذلك، تُعتبر الثقوب المذكورة أدناه ثقوبًا مارّة.

من منظور تصميم لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)، تتكون الفتحة (via) بشكل أساسي من جزأين: الثقب الموجود في الوسط ومنطقة الوصلة المحيطة بالثقب. ويحدد حجم هذين الجزأين حجم الثقب. ومن الواضح أنه في تصميمات لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) عالية السرعة والكثافة، يفضل المصممون دائمًا أن تكون الثقوب صغيرة قدر الإمكان، مما يتيح مساحة أكبر لتوجيه المسارات على اللوحة. علاوة على ذلك، تتميز الثقوب الأصغر بسعة طفيلية أقل، مما يجعلها أكثر ملاءمة للدوائر عالية السرعة. ومع ذلك، فإن تقليل حجم الثقبة يؤدي أيضًا إلى زيادة التكلفة، ولا يمكن تقليل الحجم إلى ما لا نهاية. فهو مقيد بعمليات الحفر والطلاء: فالثقوب الأصغر تتطلب أوقات حفر أطول وتكون أكثر عرضة لمشاكل التمركز؛ وعندما يتجاوز عمق الثقب ستة أضعاف قطر المثقاب، لا يمكن ضمان طلاء نحاسي متجانس على جدران الثقب. على سبيل المثال، يبلغ سمك (عمق الثقب) لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) النموذجية المكونة من 6 طبقات حوالي 50 ميل، لذا لا يمكن لمصنعي لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) توفير أقطار حفر أصغر من 8 ميل.

السعة الطفيلية للثقوب الموصلة

تتمتع الثقوب نفسها بسعة طفيلية تجاه الأرض. إذا كان قطر الثقب على مستوى الأرض هو D2، وقطر لوحة الثقب هو D1، وسماكة لوحة الدائرة المطبوعة (PCB) هي T، والمثابرة الكهربائية للركيزة هي ε، فإن السعة الطفيلية للثقب تكون تقريبًا: C = 1.41εTD1/(D2-D1). ويتمثل التأثير الرئيسي للسعة الطفيلية للثقوب على الدائرة في إطالة زمن صعود الإشارة وتقليل سرعة الدائرة. على سبيل المثال، بالنسبة للوحة PCB بسماكة 50 ميل، إذا تم استخدام ثقب بقطر داخلي يبلغ 10 ميل وقطر قاعدة يبلغ 20 ميل، وكانت المسافة بين القاعدة ومنطقة النحاس الأرضية تبلغ 32 ميل، فيمكننا تقريب السعة الطفيلية للثقب باستخدام الصيغة أعلاه: C = 1.41 × 4.4 × 0.050 × 0.020 / (0.032 – 0.020) = 0.517 pF. التغير في زمن الصعود الناتج عن هذه السعة هو: T10 – 90 = 2.2C(Z0/2) = 2.2 × 0.517 × (55/2) = 31.28 بيكو ثانية. من هذه القيم، يتضح أنه على الرغم من أن تأثير انخفاض زمن الصعود الناتج عن السعة الطفيلية لثقب توصيل واحد ليس كبيرًا جدًّا، إلا أنه ينبغي على المصممين النظر بعناية في استخدام ثقوب التوصيل لتبديل الطبقات عدة مرات في مسار التوجيه.

كيف يتم حساب السعة الطفيلية؟

تتمتع الفتحة نفسها بسعة طفيلية تجاه الأرض. إذا كان قطر فتحة العزل الخاصة بالثقب المار على مستوى الأرض هو D2، وقطر لوحة التوصيل الخاصة بالثقب المار هو D1، وسماكة لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) هي T، والثابت العازل للركيزة هو ε، فإن مقدار السعة الطفيلية للثقب المار يساوي تقريبًا:

C = K * ε0 * 3.14 * TD1 / (D2 – D1)

حيث ε₀ هي السعة الكهربائية للفراغ، وK هي السعة الكهربائية النسبية (بالنسبة إلى ε₀ في الفراغ) للوحة الدوائر المطبوعة.

الحث الطفيلي للثقوب الموصلة

تتميز الثقوب (الفياس) بكل من السعة الطفيلية والمحاثة الطفيلية. وفي تصميم الدوائر الرقمية عالية السرعة، غالبًا ما تفوق الآثار الضارة للمحاثة الطفيلية للثقوب تلك الناجمة عن السعة الطفيلية. وتؤدي محاثة التسلسل الطفيلية للثقوب إلى إضعاف مساهمة مكثفات التحويل، مما يقلل من فعالية الترشيح لنظام إمداد الطاقة بأكمله. يمكننا استخدام الصيغة التالية لحساب الحث الطفيلي التقريبي للثقب بشكل تقريبي: L = 5.08h[ln(4h/d) + 1] حيث L هو حث الثقب، و h هو طول الثقب، و d هو قطر ثقب الحفر المركزي. يتضح من الصيغة أن قطر الثقب له تأثير صغير نسبيًا على الحث، في حين أن طول الثقب له التأثير الأكبر. باستخدام المثال أعلاه، يمكن حساب الحث الكهرومغناطيسي للثقب المرور على النحو التالي: L = 5.08 × 0.050[ln(4 × 0.050/0.010) + 1] = 1.015 nH. إذا كان زمن صعود الإشارة 1 نانو ثانية، فإن مقاومتها المكافئة هي: XL = πL/T10 – 90 = 3.19 أوم. لا يمكن تجاهل هذه المقاومة عند مرور تيار عالي التردد عبرها. يجب إيلاء اهتمام خاص لحقيقة أنه عند توصيل مكثف التجاوز بمستوى الطاقة ومستوى التأريض، فإنه يحتاج إلى المرور عبر فتحتين، مما سيضاعف الحث الطفيلي للفتحتين.

كيف يتم حساب الحث الطفيلي؟

وبالمثل، تتميز الثقوب (vias) بكل من السعة الطفيلية والمحاثة الطفيلية. في تصميم الدوائر الرقمية عالية السرعة، غالبًا ما تفوق الآثار الضارة للحث الطفيلي للثقوب تأثير السعة الطفيلية. ويضعف الحث التسلسلي الطفيلي مساهمة المكثفات الالتفافية، مما يقلل من فعالية الترشيح لنظام إمداد الطاقة بأكمله.

يمكننا بسهولة حساب الحث الطفيلي لثقب التوصيل باستخدام الصيغة التالية:

L = 5.08 ساعة [ln(4 ساعة/يوم) + 1]

يشير الحرف L إلى الحث الكهربائي للثقب.

h هو طول الممر.

d هو قطر الفتحة المركزية.

وكما يتضح من المعادلة، فإن قطر الثقب له تأثير ضئيل نسبيًا على الحث، في حين أن طول الثقب هو الذي له التأثير الأكبر على الحث. وتؤثر السعة الطفيلية للثقب على الدائرة بشكل أساسي من خلال إطالة زمن صعود الإشارة وتقليل سرعة الدائرة.

تصميم فتحات التوصيل في لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) التقنيات

من خلال التحليل السابق للخصائص الطفيلية للثقوب الموصلة، يمكننا أن نلاحظ أنه في تصميم لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)، غالبًا ما تؤدي الثقوب الموصلة التي تبدو بسيطة في ظاهرها إلى آثار سلبية كبيرة على تصميم الدائرة. وللحد من الآثار السلبية للخصائص الطفيلية للثقوب الموصلة، ينبغي مراعاة ما يلي خلال عملية التصميم:

(1) اختر حجمًا مناسبًا للثقوب المارة. بالنسبة لتصميمات لوحات الدوائر المطبوعة متعددة الطبقات ذات الكثافة العادية، يُفضل استخدام ثقوب مارة بأبعاد 0.25 مم/0.51 مم/0.91 مم (ثقب الحفر/الوسادة/منطقة عزل الطاقة)؛ بالنسبة لبعض لوحات الدوائر المطبوعة عالية الكثافة، يمكن أيضًا استخدام ثقوب ربط بحجم 0.20 مم/0.46 مم/0.86 مم، أو تجربة ثقوب ربط غير نافذة؛ أما بالنسبة لثقوب ربط الطاقة أو التأريض، فيمكن النظر في استخدام أحجام أكبر لتقليل المعاوقة؛;

(2) كلما كانت مساحة عزل التيار الكهربائي (POWER) أكبر، كان ذلك أفضل. وبالنظر إلى كثافة الثقوب المارة (via) على لوحة الدوائر المطبوعة (PCB)، فإن المعادلة عمومًا هي: D1 = D2 + 0.41 مم.

(3) يجب تجنب تغيير طبقات مسارات الإشارات على لوحة الدوائر المطبوعة قدر الإمكان، أي يجب تقليل عدد الثقوب الموصلة إلى أدنى حد ممكن؛;

(4) يساعد استخدام لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) الأقل سمكًا على تقليل المعلمتين الطفيفتين للثقوب الموصلة؛;

(5) يجب توصيل دبابيس الطاقة والتأريض عبر ثقوب ربط (vias) أقرب ما يمكن، ويجب أن تكون الأسلاك بين الثقوب والدبابيس قصيرة قدر الإمكان، لأنها تزيد من الحث. وفي الوقت نفسه، يجب أن تكون أسلاك الطاقة والتأريض سميكة قدر الإمكان لتقليل المعاوقة؛;

(6) ضع بعض الثقوب الأرضية بالقرب من الثقوب المخصصة للتبديل بين طبقات الإشارات لتوفير مسارات حلقيّة قصيرة المدى للإشارات. وبالطبع، يجب تحليل المشكلات المحددة على أساس كل حالة على حدة خلال عملية التصميم. مع الأخذ في الاعتبار كل من التكلفة وجودة الإشارة، يأمل المصممون دائمًا أن تكون الثقوب صغيرة قدر الإمكان في تصميم لوحات الدوائر المطبوعة عالية السرعة، بحيث يمكن ترك مساحة أكبر للأسلاك على اللوحة. بالإضافة إلى ذلك، كلما كانت الثقوب أصغر، كلما كانت سعتها الطفيلية أصغر، وهو ما يجعلها أكثر ملاءمة للدوائر عالية السرعة. في تصميم لوحات الدوائر المطبوعة عالية الكثافة، أدى استخدام الثقوب غير المارة وتقليل حجمها إلى زيادة في التكلفة. علاوة على ذلك، لا يمكن تقليل حجم الثقوب إلى ما لا نهاية، فهو مقيد بعمليات الحفر والطلاء الكهربائي لـ شركات تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة. يجب تحقيق التوازن في تصميم مسارات التوصيل في لوحات الدوائر المطبوعة عالية السرعة.

عن طريق الاختيار في لوحات الدوائر المطبوعة القياسية

في تصميم لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) بشكل عام، يكون للسعة والمحاثة الطفيلية للثقوب تأثير ضئيل نسبيًا على تصميم اللوحة. بالنسبة لتصميمات لوحات الدوائر المطبوعة ذات الطبقات من 1 إلى 4، يُفضل عمومًا استخدام ثقوب بحجم 0.36 مم/0.61 مم/1.02 مم (ثقوب الحفر/الوسادات/مناطق عزل الطاقة). بالنسبة لبعض خطوط الإشارة ذات المتطلبات الخاصة (مثل خطوط الطاقة وخطوط التأريض وخطوط التوقيت، وما إلى ذلك)، يمكن استخدام ثقوب ربط مقاس 0.41 مم/0.81 مم/1.32 مم، أو يمكن اختيار أحجام أخرى من الثقوب وفقًا للحالة الفعلية.

تقنية التثبيت بدون ثقوب في تصميم فتحات التوصيل في لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)

تشمل الثقوب غير المارة الثقوب العمياء والثقوب المدفونة. ويمكن أن يؤدي استخدام الثقوب العمياء والمدفونة في تقنية الثقوب غير المارة إلى تقليل حجم ووزن لوحات الدوائر المطبوعة بشكل كبير، وتقليل عدد الطبقات، وتحسين التوافق الكهرومغناطيسي، وتعزيز ميزات المنتجات الإلكترونية، وخفض التكاليف، فضلاً عن جعل عملية التصميم أبسط وأسرع.

في التصميم والتصنيع التقليديين للوحات الدوائر المطبوعة (PCB)، تطرح الثقوب العديد من المشكلات. أولاً، فهي تشغل مساحة كبيرة من المساحة القابلة للاستخدام. ثانياً، يشكل العدد الكبير من الثقوب المتجمعة معاً عقبات كبيرة أمام عملية توجيه المسارات داخل لوحات الدوائر المطبوعة متعددة الطبقات. تستهلك هذه الثقوب المساحة المطلوبة لتوجيه المسارات، كما أن اختراقها الكثيف لأسطح طبقات الطاقة والتأريض قد يعطل خصائص مقاومتها، مما قد يؤدي إلى تعطلها. علاوة على ذلك، فإن الحفر الميكانيكي التقليدي يتطلب عمالة أكثر بـ 20 مرة مقارنة باستخدام تقنيات الثقوب غير المارة.

في تصميم لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)، وعلى الرغم من أن أحجام نقاط التوصيل (pads) والثقوب المارة (vias) قد تقلصت تدريجيًا، فإنه إذا لم يتناقص سمك طبقة اللوحة بشكل متناسب، فستزداد نسبة العرض إلى الارتفاع للثقوب المارة، مما يقلل من الموثوقية. مع نضوج تقنيات الحفر بالليزر المتقدمة والنقش الجاف بالبلازما، أصبح من الممكن استخدام الثقوب العمياء الصغيرة غير المارة والثقوب المدفونة الصغيرة. وإذا كان قطر هذه الثقوب غير المارة 0.3 مم، فإن المعلمات الطفيلية الناتجة تبلغ حوالي 1/10 من تلك الخاصة بالثقوب التقليدية، مما يحسن موثوقية لوحات الدوائر المطبوعة. وبسبب استخدام تقنية الثقوب غير المارة، يقل عدد الثقوب الكبيرة على PCB, ، مما يوفر مساحة أكبر للآثار.

يمكن استخدام المساحة المتبقية لتوفير تدريع واسع النطاق من أجل تحسين الأداء فيما يتعلق بالتداخل الكهرومغناطيسي (EMI) والتداخل الراديوي (RFI). وفي الوقت نفسه، يمكن استخدام المزيد من المساحة المتبقية لتدريع جزئي للمكونات والشبكات الحيوية في الطبقات الداخلية، مما يضمن الأداء الكهربائي الأمثل. ويسهل استخدام الثقوب غير المارة (non-through-vias) توزيع أطراف المكونات بشكل أفضل، مما ييسر توجيه الأجهزة ذات الكثافة العالية من المسامير (مثل الأجهزة المعبأة بتقنية BGA)، ويقصر أطوال التوصيلات البينية، ويلبي متطلبات التوقيت للدوائر عالية السرعة.

ما الفرق بين فتحات التوصيل في لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) وثقوب المكونات؟

في تصميم لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)، هناك فرق بين الثقوب الموصلة (vias) وثقوب المكونات، ولا ينبغي أبدًا استخدامهما بالتبادل.

تُستخدم المسارات عادةً لتسهيل التوصيل بين جانبين، وتتمثل طريقة المعالجة التقليدية في تطبيق طبقة من الزيت.

عادةً ما تُصمم فتحات المكونات لتكون فتحات إدخال تُستخدم أثناء عملية اللحام بالإدخال.

إذا تم استخدام الثقوب المارّة (vias) وثقوب المكونات بشكل متبادل، فعند اختيار حبر تغطية الثقوب المارّة، ستُغطى الثقوب المارّة أو تُسد بالحبر، مما يجعل من المستحيل التحكم في حجمها بشكل فعال. وهناك حالة أخرى تتمثل في استخدام ثقوب المكونات عن طريق الخطأ كفتحات توصيل. في هذه الحالة، عندما يقوم البرنامج بإغلاق نافذة فتحات التوصيل تلقائيًا، فإنه لا يستطيع تحديد فتحات التوصيل بشكل فعال، مما يؤدي إلى عدم تغطية فتحات التوصيل التي تحتاج إلى حبر تغطية.

لماذا تختار شركة «جيوان إلكترونيكس» لتصنيع منتجاتك من لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) بكميات كبيرة؟

تُعد «جيوان إلكترونيكس» منصة شاملة للبنية التحتية للتصنيع الذكي تعتمد على الذكاء الاصطناعي وتُخصص للمنتجات الإلكترونية. ومن خلال دمج البرمجيات الصناعية ونظم المهندسين،, الشركة المصنعة للمعدات الأصلية (OEM) من خلال دمج النظم البيئية لسلسلة التوريد والنظم البيئية للتصنيع المرن، قمنا ببناء نظام بيئي مغلق الدائرة لتصنيع المنتجات الإلكترونية وسلسلة التوريد، ونلتزم بتبسيط عملية ابتكار الأجهزة. منذ عام 2024، نعمل على تطوير “حل جي يوان”، الذي يتميز بقدرات فائقة في تصميم حلول إنترنت الأشياء؛ وكلاء الذكاء الاصطناعي وأدوات أتمتة التصميم الإلكتروني؛ وأدوات متطورة لتحليل تصميم قابلية التصنيع الداخلية؛ ونظام خدمة شامل لشراء المكونات الإلكترونية؛ ونظام بحث وتطوير وتصنيع ذكي للوحات الدوائر المطبوعة (PCB) متعددة الطبقات عالية الموثوقية؛ وتجميع SMT؛; PCBA; ؛ وخدمات شاملة لبحث وتطوير المنتجات الإلكترونية والتصنيع التعاقدي. نقدم للعملاء حلاً ذكيًّا شاملاً يربط بين التصميم والإنتاج والمشتريات والتسليم، مما يعيد تشكيل النموذج المجزأ الذي يتسم بعدم التكافؤ في المعلومات في مجال تصنيع المنتجات الإلكترونية التقليدية، ويحسن كفاءة السلسلة بأكملها بدءًا من التصميم وحتى الإنتاج الضخم، ويخلق قيمة للأفكار الإبداعية للمستخدمين.

تلخيص

لا يقتصر هذا المقال على تلخيص تقنيات تصميم الثقوب الموصلة (via) في لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) التي جمعها فريق الهندسة في شركة Geyuan Electronics فحسب، بل يتناول أيضًا المعلومات الأساسية حول الثقوب الموصلة والتقنيات المتطورة الحالية في هذا المجال. يمكن أن يؤدي اتباع هذه القواعد وتقنيات التصميم إلى تحسين سلامة الإشارة وكفاءة إدارة الحرارة ومعدل العائد من المرة الأولى بشكل كبير. ومن الضروري إجراء فحص قواعد التصميم (DRC) في المراحل المتأخرة من عملية التصميم، والتحسين وفقًا لمواصفات عملية الشركة المصنعة للوحات الدوائر المطبوعة. إذا كنت تبحث حاليًا عن شركة تصنيع محترفة للوحات الدوائر المطبوعة لإنتاج منتجاتك بكميات كبيرة، يرجى اتصل بنا للحصول على المساعدة.