كيف ينبغي الحجم والموقع وقناع اللحام من هل يمكن التحكم في المسارات داخل نقاط التوصيل في لوحات الدوائر المطبوعة؟

في تصميم لوحات الدوائر المطبوعة, ، وتُعد الثقوب المارة (thru-holes)، والثقوب العمياء (semi-through-holes)، والثقوب المدفونة (inner layer vias) هياكل أساسية لتحقيق التوصيلات الكهربائية بين الطبقات. وتؤثر منطقية تصميمها بشكل مباشر على سلامة الإشارة في لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)، وقوتها الميكانيكية، وإمكانية تصنيعها. يجب تحديد المواصفات من ثلاثة جوانب: مطابقة الحجم، وقواعد التخطيط، والتحكم في المعاوقة. يجب تحسين المعلمات بناءً على سيناريو التطبيق لتجنب مشاكل مثل التداخل بين الإشارات وكسر جدران الثقوب. تناقش هذه المقالة، التي أعدها فريق هندسة لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) في شركة Geyuan Electronics، كيفية التحكم في الحجم والموقع وقناع اللحام للثقوب داخل نقاط التوصيل في لوحات الدوائر المطبوعة (PCB). يمكنك معرفة المزيد عن أفكار التصميم ذات الصلة والمبادئ الأساسية.

العلاقة بين اللوحات والفتحات في لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)

تُعد «المنصة» عنصرًا أساسيًّا في التصميم. تُستخدم المنصات لتثبيت المكونات على لوحة الدوائر الكهربائية وإنشاء نقاط توصيل بين أطراف المكونات والمسارات الموجودة على اللوحة. يمكن أن توجد الـ«بادز» على طبقة واحدة، مثل «بادز» الأجهزة المثبتة على السطح؛ أو يمكن أن تكون «بادز» ثلاثية الأبعاد ذات ثقوب عابرة، لها جسم أسطواني في المستوى Z (الاتجاه الرأسي) ومناطق مسطحة على كل طبقة نحاسية (أفقية). يتشكل الجسم الأسطواني للـ«بادز» أثناء تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة العملية التي تتم أثناء حفر الثقوب وطلاء جدران الثقوب على لوحة الدائرة المطبوعة. في المستويين X و Y، يمكن أن تكون الوسادات دائرية أو مستطيلة أو مثمنة أو مستطيلة مدورة أو مستطيلة مشطوفة أو بأشكال مخصصة. يمكن استخدام الوسادات بشكل مستقل كوسادات حرة الشكل في التصميم، ولكنها تُستخدم بشكل أكثر شيوعًا في محرر مكتبة لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) جنبًا إلى جنب مع كائنات أساسية أخرى لتشكيل حزم المكونات.

تُعد «الثقب» (via) عنصرًا أساسيًّا في التصميم. تُستخدم الثقوب لإنشاء وصلات كهربائية رأسية بين طبقتين كهربائيتين أو أكثر على لوحة الدوائر المطبوعة (PCB). والثقب هو كائن ثلاثي الأبعاد له جسم أسطواني في المستوى Z (الاتجاه الرأسي) ومنطقة مسطحة حلقية على كل طبقة نحاسية (أفقية). يتشكل الجسم الأسطواني للثقب المار خلال عملية التصنيع عند حفر جدران الثقب وطلاءها. تكون الثقوب المارة دائرية في المستويين X و Y، على غرار الوسادات الدائرية. والفرق الرئيسي بين الثقوب والوسادات هو أن الثقوب يمكن أن تمتد عبر جميع طبقات لوحة الدوائر المطبوعة (من الأعلى إلى الأسفل)، ويمكنها أيضًا أن تربط بين طبقة سطحية وطبقة داخلية، أو بين طبقتين داخليتين.

لماذا يُعد تصميم مسارات التوصيل في لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) أمرًا مهمًا؟

إذا كنت تعمل مع حزم BGA أو حزم ذات مسافة دقيقة بين المسارات، فمن المؤكد أنك سمعت عن لوحات الدوائر المطبوعة ذات الثقوب المارة. فبدلاً من وضع الثقوب المارة بجوار نقاط التوصيل، يضعها المهندسون مباشرةً داخل نقاط التوصيل. لماذا؟ لأن ذلك يوفر المساحة ويقلل من الحث في التصميمات عالية السرعة. ولكن هناك مشكلة: يجب ملء هذه الثقوب وتطليتها؛ وإلا فإن اللحام سيتدفق إلى داخلها أثناء التجميع، مما يتسبب في ضعف التوصيلات. ولهذا السبب، تستخدم تصميمات لوحات الدوائر المطبوعة ذات الثقوب المارة دائمًا تقنية ملء اللوحات.

تعريف الفوط الصحية في لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)

عادةً ما يكون الشكل الخارجي لوسادات الثقوب المارة دائريًّا أو مربعًا أو بيضاويًّا. وترد أدناه تفاصيل تعريفات الأبعاد المحددة.

حجم الفتحة	إذا كان الدبوس الفعلي مستديرًا: قطر الثقب = قطر الدبوس الفعلي + 0.20~0.30 مم (حوالي 8.0~12.0 ميل)؛ إذا كان الدبوس الفعلي مربعًا أو مستطيلًا: قطر الثقب = طول قطر الدبوس الفعلي + 0.10-0.20 مم (حوالي 4.0-8.0 ميل).
حجم الوسادة	يُساوي حجم الوسادة القياسي تقريبًا قطر الثقب زائد 0.50 ملم (20.0 ميل).

مواصفات تصميم نقاط التوصيل على لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)

في تصميم لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)، يجب أيضًا تصميم نقاط التوصيل وفقًا لمعيار IPC-7351. يحدد المعيار IPC-7351 إرشادات تصميم اللوحات بالنسبة لأنواع المكونات وأحجامها وتغليفها، مما يضمن استخدام المزيد من المكونات ويساعد على تقليل استهلاك المواد. وعلى الرغم من أن بعض المكونات الإلكترونية لا تتوافق مع هذا المعيار، إلا أن المعيار IPC-7351 يمكن أن يساعد في تحديد المواقع بدقة وتقليل التباين.

لذلك، يجب ألا يقل القطر الأدنى لكل نقطة توصيل عن 0.25 مم، كما يجب ألا يتجاوز القطر الأقصى لنقطة التوصيل بأكملها ثلاثة أضعاف قطر فتحة المكون. بشكل عام، تستخدم المكونات ذات الثقوب المارة وسادات مستديرة يبلغ قطر كل منها 1.8 ضعف قطر الثقب على الأقل؛ ويجب ألا يقل قطر الوسادة للوحات أحادية الجانب عن 2 مم؛ وتبلغ النسبة المثلى لحجم الوسادة إلى قطر الثقب المار للوحات ثنائية الجانب 2.5. بالنسبة للمكونات المناسبة لآلات الإدخال الأوتوماتيكية، يجب أن يكون حجم الوصلة للوحات ذات الوجهين هو قطر الثقب القياسي + 0.5 إلى + 0.6 مم.

يجب أن تكون المسافة بين حافتي أيّ من الوسادات أكبر من 0.4 مم، كما يجب أن تكون المسافة بين حافتي أيّ من الوسادات في صفٍّ عمودي على اتجاه قمة الموجة أكبر من 0.5 مم (في هذه الحالة، يمكن اعتبار هذا الصف من الوسادات بمثابة مجموعة أسلاك أو مقبس، والمسافة بينها قريبة جدًا، مما قد يؤدي بسهولة إلى حدوث توصيل جانبي) .

في حالة التوصيلات الكثيفة، يُنصح باستخدام نقاط التوصيل البيضاوية والمستطيلة. يجب أن يبلغ قطر أو العرض الأدنى لنقاط التوصيل في لوحات الدوائر المطبوعة أحادية الجانب 1.6 مم، أو التأكد من استخدام لوحة دوائر مطبوعة أحادية الجانب بسماكة 0.3 مم مع حلقة لحام بسمك 0.2 مم على جانب واحد؛ حيث إن النقاط الكبيرة جدًّا قد تتسبب بسهولة في حدوث توصيلات غير مرغوب فيها. بالنسبة للأسلاك عالية الكثافة، يُنصح باستخدام لوحات التوصيل الدائرية والمستطيلة. يبلغ قطر هذه اللوحات عادةً 1.4 مم، أو أقل من ذلك.

يجب تصميم النقاط التي تزيد فتحاتها عن 1.2 مم أو التي يزيد قطرها عن 3.0 مم على شكل نقاط نجمية أو على شكل نبات البرسيم. بالنسبة للمكونات ذات الثقوب المارة، ولتجنب كسر رقائق النحاس أثناء اللحام، يجب تغطية وصلات اللوحات أحادية الجانب بالكامل برقائق النحاس؛ بينما يجب أن تحتوي اللوحات ثنائية الجانب على الأقل على لوحات على شكل دمعة.

بالنسبة لجميع الموصلات والمكونات الأخرى الحاملة للأحمال أو الثقيلة، يجب زيادة مساحة رقائق النحاس التي تغطي أسلاك التوصيل في نطاق 2 مم إلى أقصى حد، ويجب ألا تكون هناك مساحات فارغة لضمان امتصاص كافٍ للحام. وهذا يمنع رقائق النحاس من التقشر بسهولة عند تعرض المقبس لقوة خارجية. بالنسبة للمكونات الكبيرة (مثل المحولات، والمكثفات الإلكتروليتية التي يبلغ قطرها 15.0 مم أو أكثر، والمقابس عالية التيار، وما إلى ذلك)، قم بزيادة رقائق النحاس ومساحة تغطية اللحام كما هو موضح في الشكل أدناه؛ يجب أن تكون المساحة المظللة مساوية على الأقل لمساحة الوصلة. أو بدلاً من ذلك، صممها على شكل لوحات متناثرة أو على شكل نجمة.

يجب تصميم جميع المكونات المعزولة آليًّا بحيث تتضمن وسادات تقطير على طول اتجاه الانحناء لضمان اكتمال وصلات اللحام عند نقطة الانحناء. بالنسبة للمكونات الأفقية، يجب ثني الأرجل اليمنى واليسرى إلى الداخل، أما بالنسبة للمكونات الرأسية، فيجب ثني الرجل اليسرى إلى الخارج مع إمالة الرجل اليمنى لأسفل بزاوية 15° وإمالة الرجل اليمنى لأعلى بزاوية 15°. تأكد من أن المسافة بين حافة المكون والوسادات المحيطة به لا تقل عن 0.4.

في حالة وجود مسارات أرضية ومسارات طاقة كبيرة على لوحة الدوائر المطبوعة (تتجاوز مساحتها 500 مم²)، يجب فتح نوافذ محلية أو تصميم المنطقة على شكل شبكة مملوءة.

إرشادات التصميم الأساسية لأبعاد الثقوب ومواقعها وقناع اللحام في لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)

يحدد تصميم الثقوب المارة داخل لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) بشكل مباشر موثوقية اللحام وسلامة الإشارة. فقد تؤدي الثقوب المارة ذات الحجم الزائد إلى عدم كفاية رقائق النحاس على اللوحات (مما يجعل من الصعب تثبيت المسامير أثناء اللحام)، كما أن أي انحراف في الموضع يتجاوز 0.05 مم قد يتسبب في امتداد حافة الثقب المار خارج حدود اللوحة (مما يؤدي إلى فقدان اللحام). وعلى عكس مخاطر “التصميم القائم على الخبرة”، يجب أن يلتزم التصميم العلمي بأربعة مواصفات رئيسية: مطابقة الحجم، ودقة تحديد الموضع، وتوافق قناع اللحام، وكفاية رقائق النحاس. وتحتوي كل مواصفة على معايير واضحة للمعلمات ومتطلبات كمية لتجنب عيوب التصميم التي تؤدي إلى مشاكل تصنيعية لاحقة. نحلل اليوم المواصفات الأساسية لتصميم الثقوب داخل اللوحات، من خلال الجمع بين معلمات محددة ودراسات حالة لمساعدتك على إتقان النقاط التصميمية الرئيسية بدءًا من الحجم وصولًا إلى قناع اللحام.

مرجع الأبعاد التحكم في «Via» و«Pad» التصميم

تعد نسبة حجم الثقوب إلى المساحات المخصصة لها جوهر التصميم. ومن الضروري التأكد من أن “الثقوب لا تتجاوز حدود المساحات المخصصة لها، وأن هناك ما يكفي من رقائق النحاس المتبقية على تلك المساحات من أجل اللحام”. وفيما يلي المعلمات والمعايير الأساسية:

1. التحكم نسبة قطر الثقب (Dv) إلى حجم الوصلة (Dp)

الوسادات الدائرية	يجب أن يكون قطر الثقب Dv ≤ 1/2 قطر الوصلة Dp، وأن يكون عرض رقاقة النحاس المتبقي عند حافة الوصلة ≥ 0.1 مم (الحد الأدنى المطلوب لمساحة اللحام).
مثال	يبلغ قطر الوصلة الدائرية للمكون Dp = 0.3 مم، والحد الأقصى لـ Dv هو 0.15 مم (0.3 × 1/2). عرض رقاقة النحاس المتبقية = (0.3 – 0.15) / 2 = 0.075 مم (قريب من 0.1 مم، لذا اختر بعناية؛ يُوصى بأن تكون Dv = 0.12 مم، مع عرض متبقي يبلغ 0.09 مم).يبلغ قطر الوصلة الدائرية للمكون Dp = 0.4 مم، ويبلغ Dv 0.2 مم كحد أقصى، ويبلغ عرض رقاقة النحاس المتبقية = (0.4 – 0.2) / 2 = 0.1 مم (يفي بالمتطلبات).
وسادات مربعة	يجب أن يكون قطر الثقب (Dv) أقل من أو يساوي نصف طول جانب الوصلة، وأن يكون عرض رقاقة النحاس المتبقية على كل جانب من جوانب الوصلة ≥ 0.1 مم؛;
مثال	يبلغ طول ضلع المربع 0.3 مم × 0.3 مم، ويبلغ الحد الأقصى لقيمة Dv 0.15 مم، ويبلغ العرض المتبقي 0.075 مم على كل جانب (يجب تخفيض قيمة Dv إلى 0.12 مم، بحيث يتبقى 0.09 مم).
مبدأ الحظر	يجب ألا يتجاوز Dv حدود الوصلة (أي Dv > Dp) أبدًا، وإلا فإن الثقب سيظهر خارج الوصلة، وسوف يتدفق اللحام إلى داخل الثقب أثناء عملية اللحام، مما يؤدي إلى عدم كفاية اللحام على الوصلة وارتفاع معدل الوصلات غير الملحومة إلى ما يزيد عن 10%.

2. عن طريق مطابقة القطر مع دبابيس المكونات

يجب أن يكون قطر الثقب متوافقًا مع حجم سلك المكون لتجنب عدم إمكانية إدخال السلك (في حالة المكونات ذات الثقوب المارة) أو عدم كفاية ملء اللحام (في حالة المكونات المثبتة على السطح).

مكونات التثبيت السطحي	يجب أن يكون قطر الثقب Dv أصغر بمقدار 0.05-0.1 مم من عرض سلك المكون (على سبيل المثال، بالنسبة لمقاوم 0402 بعرض سلك يبلغ 0.15 مم، Dv = 0.1-0.12 مم) لضمان أن يغطي اللحام السلك والثقب.
مكونات المكونات الإضافية	يكون قطر الثقب Dv أكبر بمقدار 0.05-0.1 مم من قطر سلك المكون (على سبيل المثال، إذا كان قطر السلك 0.2 مم، فإن Dv = 0.25-0.3 مم) لتسهيل إدخال السلك وضمان ملء الثقب باللحام.
أمثلة من واقع الحياة	عند تصميم الثقوب المارة داخل مساحات التوصيل لمكون 0402، حيث كانت قيمة Dp تساوي 0.3 مم وقيمة Dv تساوي 0.2 مم (على مقياس 1/2)، بلغ عرض رقاقة النحاس المتبقية 0.05 مم فقط. وأثناء عملية اللحام، لم يتمكن اللحام من تغطية المسامير بالكامل، مما أدى إلى معدل الوصلات غير الملحومة بلغ 15%. وبعد تعديل Dv إلى 0.12 مم، أصبح العرض المتبقي 0.09 مم، وانخفض معدل الوصلات غير الملحومة إلى 1.2%.

وضع يجب أن تكون اللوحات والثقوب الموصلة في التصميم تأكد من أن الثقوب الموصلة تكون في المنتصف وتجنب أي انحراف.

قد يؤدي عدم محاذاة القنوات إلى توزيع غير متساوٍ لرقائق النحاس على اللمسات، بحيث تكون طبقة رقائق النحاس في أحد الجانبين ضيقة جدًّا (<0.05 مم). وقد يتسبب ذلك في انحراف تدفق اللحام أثناء عملية اللحام. وفيما يلي المواصفات الأساسية:

1. الإزاحة بين مركز الثقب ووسط اللوحة

إزاحة ≤ 0.05 مم (حوالي 1/3 من قطر الثقب)، مع ضمان ألا يتجاوز الفرق في عرض رقاقة النحاس المتبقية على كل جانب من جوانب الوصلة 0.03 مم؛;

مثال: Dv = 0.15 مم، وسادة Dp = 0.4 مم. إذا كان الإزاحة 0.05 مم، فإن العرض المتبقي على أحد الجانبين = (0.4 - 0.15)/2 - 0.05 = 0.125 - 0.05 = 0.075 مم، والعرض على الجانب الآخر = 0.125 + 0.05 = 0.175 مم، بفارق يبلغ 0.1 مم (مقبول). إذا كان الإزاحة 0.08 مم، فإن العرض المتبقي على أحد الجانبين يبلغ 0.045 مم، وهو ما يتجاوز حدود التفاوت المسموح به.

في الحالات التي تتطلب دقة عالية (مثل طبقات إشارات التردد اللاسلكي): يجب ألا يتجاوز الانحراف 0.03 مم لتجنب التغيرات المفاجئة في المعاوقة الناتجة عن عدم تناسق مسار الإشارة (قد يؤدي انحراف يبلغ 0.05 مم إلى انحراف في المعاوقة يتجاوز 5%).

2. المسافة الدنيا بين الثقب وحافة الوصلة

يجب أن تكون المسافة الدنيا بين حافة الثقب وحافة الوصلة ≥0.08 مم لمنع تمزق رقاقة النحاس نتيجة قرب الثقب الشديد من حافة الوصلة (حيث إن عملية الحفر أثناء التصنيع قد تتسبب بسهولة في تلف الوصلة).

طريقة الحساب: المسافة الدنيا = (حجم الوصلة – حجم الثقب) / 2 – الإزاحة؛;

مثال: Dp=0.4 مم، Dv=0.2 مم، الإزاحة 0.03 مم، المسافة الدنيا = (0.4-0.2)/2 -0.03=0.1-0.03=0.07 مم (قريبة من 0.08 مم، يجب تعديل الإزاحة إلى 0.02 مم، والمسافة الدنيا 0.08 مم).

نقاط اللحام، والثقوب الموصلة، و قناع اللحام ينبغي تجنب أن يؤثر قناع اللحام على عملية اللحام.

قد يؤدي التصميم غير السليم لقناع اللحام إلى “تغطية قناع اللحام للمنصات” أو “تسرب قناع اللحام إلى الثقوب”، مما يؤثر على قابلية اللحام للبلل. وفيما يلي المواصفات الأساسية:

1. حجم نافذة مقاومة اللحام

يجب أن يكون حجم فتحة قناع اللحام الخاصة بالثقوب الموجودة داخل المساحات أكبر بمقدار 0.1-0.2 مم من حجم المساحة (أكبر بمقدار 0.05-0.1 مم من كل جانب) لضمان عدم تغطية قناع اللحام للمساحات.

مثال	يبلغ قطر اللوحة الدائرية Dp 0.4 مم، ويبلغ قطر فتحة قناع اللحام 0.4 + 0.2 = 0.6 مم (أكبر بمقدار 0.1 مم من كل جانب).
يحظر	يجب أن يكون حجم النافذة أقل من حجم الوصلة أو مساوياً لها؛ وإلا فإن طبقة مقاومة اللحام ستغطي حافة الوصلة (بعرض 0.05 مم)، ولن يتمكن اللحام من الالتصاق أثناء عملية اللحام، مما يؤدي إلى حدوث عيب يُعرف بـ “عدم كفاية النحاس المكشوف على الوصلة”.

2. معالجة قناع اللحام في الثقوب المارة

بالنسبة للثقوب التي تتطلب ملءً باللحام: لا يلزم وضع طبقة مقاومة اللحام داخل الثقب (أي أن فتحات طبقة مقاومة اللحام تغطي الثقب)، لضمان أن يتمكن اللحام من ملء الثقب (معدل الملء ≥ 80%).

الثقوب التي لا تتطلب ملءً باللحام: يمكن تطبيق طبقة مقاومة اللحام داخل الثقب (سد الثقب) لمنع تدفق اللحام إلى داخل الثقب وتسبب نقص اللحام على نقاط التوصيل. ومع ذلك، من الضروري التأكد من أن حشوة مادة مقاومة اللحام مسطحة (بروز ≤ 0.03 مم) ولا تؤثر على وضع المكونات.

في تصميم الرقاقات والمسارات،, مواصفات توصيل رقائق النحاس يجب ضمان التوصيل الكهربائي وتبديد الحرارة.

يجب أن يفي التوصيل باستخدام رقائق النحاس للثقوب المارة داخل المساحات بمتطلبات “المقاومة المنخفضة والتبديد العالي للحرارة”. وفيما يلي المواصفات الأساسية:

سماكة رقائق النحاس

يجب أن تكون سماكة رقائق النحاس في نقاط التوصيل ≥35 ميكرومتر (1 أونصة). يجب تغطية رقائق النحاس المحيطة بالثقوب بشكل كامل دون أي انقطاعات أو فجوات (عرض الفجوة ≤0.03 مم) لتجنب زيادة المقاومة في حالة التشغيل (قد تؤدي فجوة بحجم 0.05 مم إلى زيادة المقاومة بمقدار 20%).

رقائق نحاسية لتبديد الحرارة

بالنسبة للثقوب الموصلة (vias) الموجودة في مساحات التوصيل الخاصة بالمكونات عالية الطاقة (مثل مصابيح LED ومقاومات الطاقة)، يجب تصميم رقائق نحاسية لتبديد الحرارة (بمساحة تساوي أو تزيد عن ضعف مساحة منطقة التوصيل) حول مساحات التوصيل هذه. يتم توصيل الحرارة إلى الطبقة الداخلية لتبديد الحرارة عبر الثقوب لمنع ارتفاع درجة حرارة المكونات بشكل مفرط (على سبيل المثال، بالنسبة لمقاوم طاقة 0603 بقدرة 1 واط، تتجاوز درجة الحرارة 120 درجة مئوية عندما تكون رقائق النحاس المخصصة لتبديد الحرارة غير كافية، وتنخفض إلى 85 درجة مئوية بعد زيادة مساحتها).

يتطلب تصميم الثقوب المارة داخل نقاط التوصيل في لوحات الدوائر المطبوعة “تحديد المعلمات كمياً والتكيف الدقيق”. ويكمن جوهر الأمر في التحكم في نسبة الحجم، والإزاحة الموضعية، وفتحات قناع اللحام بين الثقوب المارة ونقاط التوصيل، وذلك لتجنب عيوب التصميم التي قد تؤدي إلى مشاكل لاحقة في اللحام والإشارات.

مطابقة المعلمات مرجع لـ وسادة و من خلال التصميم

تخترق الثقوب المرتبطة باللوحات (pad vias) طبقة لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) بالكامل، وهي مناسبة للحالات التي تتطلب توصيلية عبر الطبقة بأكملها (مثل خطوط الطاقة وخطوط الإشارات العامة). وينبغي أن يركز التصميم على قطر الثقب وحجم اللوحة والمسافة بين الثقوب.

توافق قطر الثقب مع حجم الوسادة	يجب تحديد قطر الثقب استنادًا إلى متطلبات سعة حمل التيار. بالنسبة للثقوب التقليدية المخصصة للإشارات، يُوصى بقطر يتراوح بين 0.3 و0.6 مم، ويجب أن يكون قطر الوصلة المقابلة 2 إلى 2.5 أضعاف قطر الثقب (على سبيل المثال، يجب أن يقترن قطر الثقب البالغ 0.4 مم بوصلة مقاس 0.8-1.0 مم) لضمان تغطية اللحام للوصلة بالكامل أثناء عملية اللحام وتجنب حدوث وصلات لحام باردة. بالنسبة للثقوب ذات التيار العالي (التي تحمل تيارات تزيد عن 5 أمبير)، يجب أن يكون قطر الثقب ≥1.0 مم، ويجب أن يكون قطر الوصلة ≥2.0 مم. وفي الوقت نفسه، ينبغي اعتماد تصميم “ورقة البرسيم” للوسادة (حيث يتم وضع 4-6 وسادات صغيرة حول الثقب) لتعزيز تبديد الحرارة والقوة الميكانيكية.
قواعد التخطيط	يجب أن تكون المسافة بين الثقوب الموصلة (vias) ووسادات المكونات ≥0.5 مم لمنع تدفق اللحام إلى الثقوب الموصلة وتسبب حدوث دوائر قصيرة أثناء عملية اللحام؛ كما يجب أن تكون المسافة بين الثقوب الموصلة وحواف اللوحة ≥1.0 مم لمنع تشقق حواف لوحة الدوائر المطبوعة (PCB)؛ ويجب أن تكون المسافة بين الثقوب الموصلة في المناطق عالية الكثافة ≥0.8 مم (المسافة بين المراكز). في حالة استخدام “الترتيب المتداخل” (حيث يكون موضع الثقوب في الطبقات المتجاورة متباعدًا بأكثر من 0.4 مم)، يمكن تقليل التباعد إلى 0.6 مم لزيادة كثافة الأسلاك.
معلمات التحكم في المعاوقة	بالنسبة لثقوب التوصيل الخاصة بالإشارات عالية التردد (التردد ≥ 1 جيجاهرتز)، يجب التحكم في مطابقة المعاوقة. ويتم تحقيق ذلك عن طريق ضبط سماكة طلاء جدار الثقب (عادةً ما تكون 20-30 ميكرومتر، و30-40 ميكرومتر في حالات الترددات العالية) وحجم الوصلة/الوصلة المضادة (يكون قطر الوصلة المضادة أكبر بمقدار 0.2-0.4 مم من الوصلة). على سبيل المثال، بالنسبة لثقب ذي مقاومة 50 أوم على ركيزة FR-4 (الثابت العازل 4.4)، يجب إقران ثقب بقطر 0.4 مم بوسادة مقاس 0.8 مم ووسادة مضادة مقاس 1.2 مم لضمان أن يكون فقدان انعكاس الإشارة ≤ -15 ديسيبل.

تحسين الاتصال بين الطبقات الداخلية المرجع في «باد» و مدفون عن قصد

توجد المسارات المدمجة فقط في الطبقات الداخلية للوحة الدوائر المطبوعة (دون اختراق الطبقة السطحية). وهي مناسبة للحالات التي تتوفر فيها التوصيلية بين الطبقات وتكون هناك حاجة إلى زيادة مساحة التوجيه في الطبقة السطحية (مثل شبكة توزيع الطاقة في الطبقات الداخلية للوحة الدوائر المطبوعة متعددة الطبقات). وينصب التركيز في التصميم على تحديد موضعها في الطبقات الداخلية وعزل جدرانها.

موضع الطبقة الداخلية وأبعادها	يجب وضع الثقوب المدفونة بدقة عند تقاطع مسارات الطبقة الداخلية. يبلغ قطر الثقب الموصى به 0.2-0.5 مم، ويبلغ حجم لوحة الطبقة الداخلية 1.8-2 ضعف قطر الثقب (على سبيل المثال، يجب أن يتوافق قطر الثقب البالغ 0.3 مم مع لوحة طبقة داخلية بحجم 0.54-0.6 مم). يجب أن تكون المسافة بين الثقب المدفون ومسارات الطبقة الداخلية ≥0.2 مم لتجنب إتلاف مسارات الطبقة الداخلية أثناء الحفر.
معالجة عزل الجدران التي تحتوي على فتحات	بعد حفر الثقب المدفون، يجب “عزله” عن طريق ملئه براتنج الإيبوكسي (عمق الملء ≥ 95% من عمق الثقب). وبعد التصلب، يجب صقلها حتى تصبح ناعمة قبل تصنيع دوائر الطبقة الداخلية لمنع حدوث دوائر قصيرة بين الثقب المدفون ودوائر الطبقة الداخلية المجاورة. ويجب أن يكون راتنج الإيبوكسي المستخدم في الحشو من النوع المقاوم للحرارة العالية (Tg ≥ 150℃) لتجنب تليينه وتدفقه أثناء عملية اللحام اللاحقة.
تكييف البنية الطبقية	يجب أن تكون الثقوب المدمجة متوافقة مع بنية تراص لوحات الدوائر المطبوعة (PCB). على سبيل المثال، في لوحة PCB مكونة من 8 طبقات، إذا كان من الضروري تحقيق التوصيلية بين الطبقتين 2 و3، فيجب حفر الثقوب المدمجة وتصنيعها قبل تصفيح الطبقتين 2 و3. وإذا كان من الضروري تحقيق التوصيل بين الطبقات 4 و5، فيجب تصفيح الثقوب بشكل مستقل بين الطبقات 4 و5 ثم تصفيحها مع الطبقات الأخرى لضمان أن الثقوب المدفونة تخترق الطبقة الداخلية المستهدفة فقط ولا تؤثر على الطبقات الأخرى.

التحكم في العمق المرجع في «باد» و تصميم الثقوب العمياء

تخترق الثقوب العمياء الطبقات السطحية والداخلية فقط للوحة الدوائر المطبوعة (دون اختراق الطبقة السفلية). وهي مناسبة للحالات التي تكون فيها الطبقات السطحية والداخلية مترابطة، وتكون هناك حاجة إلى تقليل المساحة السطحية إلى أدنى حد ممكن (مثل توصيلات الإشارات السفلية في حزم BGA). وتتمثل الاعتبارات الأساسية للتصميم في دقة العمق ومحاذاة الطبقات.

نسبة العمق إلى الفتحة	يجب أن تكون نسبة عمق الثقب الأعمى (المسافة من السطح إلى الطبقة المستهدفة الداخلية) إلى قطر الثقب ≤1:1.5. على سبيل المثال، بالنسبة لثقب أعمى يبلغ قطره 0.3 مم، يبلغ أقصى عمق له 0.45 مم. سيؤدي تجاوز هذه النسبة إلى صعوبات في الحفر وخشونة مفرطة لجدران الثقب (Ra>1.0 ميكرومتر). إذا كان مطلوبًا ثقبًا أعمى أعمق (مثل عمق 0.6 مم)، فيجب اعتماد تصميم “ثقب أعمى متدرج” (الحفر على مرحلتين، أولاً الحفر بعمق 0.3 مم حتى الطبقة الوسطى، ثم الحفر بعمق 0.3 مم حتى الطبقة المستهدفة الداخلية) لضمان جودة جدران الثقب.
دقة محاذاة الطبقات البينية	يجب ألا يتجاوز انحراف المحاذاة بين الطبقتين العلوية والسفلية للثقوب العمياء 0.02 مم. خلال مرحلة التصميم، يجب وضع “علامات محاذاة” (مثل نقاط مرجعية دائرية يبلغ قطرها 1.0 مم) على لوحة الدوائر المطبوعة. وأثناء الإنتاج، تتم معايرة المحاذاة باستخدام نظام تحديد المواقع بالأشعة السينية. وفي الوقت نفسه، يجب أن تكون المسافة بين الطبقات للثقوب العمياء والثقوب العمياء المجاورة لها ≥0.3 مم لمنع حدوث انحراف في محاذاة لقمة الحفر أثناء الحفر، مما قد يؤدي إلى تلامس جدران الثقوب.
تكييف معالجة الأسطح	يجب أن تتوافق فتحة السطح للثقوب العمياء مع عملية المعالجة السطحية. بالنسبة لمعالجة الذهب بالغمر، يجب أن تكون سماكة طبقة الذهب بالغمر داخل الثقب الأعمى ≥0.8 ميكرومتر (باستخدام عملية “الذهب بالغمر النبضي” لتعزيز انتظام الطلاء داخل الثقب). بالنسبة لمعالجة OSP، يجب تطبيق طبقة OSP (بسماكة 0.2-0.5 ميكرومتر) داخل الثقب الأعمى لمنع أكسدة رقائق النحاس داخل الثقب، مما قد يؤثر على موثوقية عملية اللحام.

تطبيقات الثقوب المارة المختلفة في لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)

الإلكترونيات العامة	يمكن للثقوب المارة (vias) والثقوب العابرة القياسية أن تتحمل عمليات التوصيل الكهربائي اليومية في الدوائر متعددة الطبقات، والربط، والتصنيع منخفض التكلفة.
الأجهزة المحمولة والأجهزة القابلة للارتداء	تساعد الهياكل «العمياء» في لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) على تجنب استخدام رقائق BGA ذات المسافات الدقيقة بين الأطراف دون إحداث تلف في الطبقات، مما يحافظ على رقة اللوحة مع إتاحة استيعاب بطاريات كبيرة الحجم.
الفضاء/الطب	تحافظ الوصلات المدمجة في لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) على نظافة الطبقات الخارجية، وتسهل تركيب المكونات وطلاءات الحماية المطابقة للشكل، كما تحمي الوصلات في الطبقات الداخلية.
شبكات الجيل الخامس (5G) والحوسبة عالية السرعة	يؤدي تكديس لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) باستخدام تقنية الميكروفيا (بشكل متداخل أو مكدس) إلى تقصير مسافة الانتقال الرأسي والحد من التأثيرات الطفيلية في الدوائر المطبوعة عالية الكثافة (HDI).
الإمداد بالطاقة والإضاءة	تقوم مجموعة من الثقوب الحرارية الموجودة أسفل المنظم، وموسفيت، ومصباح LED بنقل الحرارة إلى اللوحة، مما يتيح للمبدد الحراري أن يؤدي وظيفته على أكمل وجه.

تلخيص

إن الثقوب المصممة في لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) هي أكثر من مجرد ثقوب؛ فهي تشكل البنية القوية التي تتيح عمل الأجهزة الحديثة. بدءًا من الثقوب المارة الشائعة وصولاً إلى الثقوب العمياء، والثقوب المدفونة، والثقوب الدقيقة، تتيح لك مجموعة متنوعة من هياكل تراص لوحات الدوائر المطبوعة دمج المزيد من الوظائف في مساحة أصغر دون المساس بالموثوقية. وعندما تكون الكثافة العالية للغاية مطلوبة، مثل حزم BGA الأصغر من 0.8 مم، يمكن أن تتفوق الثقوب الموجودة داخل اللوحات عند دمجها مع عمليات ملء الثقوب داخل لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)، مما يضمن التصاقًا قويًّا للحام ولوحة مسطحة. حتى أحجام الثقوب القياسية في لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) يجب أن تظهر في قائمة المواد (BOM): فالفتحات الأصغر تحسن سلامة الإشارة وتوجيهها، ولكنها تزيد أيضًا من التكاليف وتقصر دورات الإنتاج. إذا كنت بحاجة إلى حجم صغير للغاية، فإن الثقوب العمياء والثقوب المدفونة تتيح تخطيطات HDI حقيقية للهواتف المحمولة والأجهزة القابلة للارتداء وأجهزة إنترنت الأشياء (IoT) عالية الكثافة. باختصار، يعتمد اختيار استراتيجية فتحات الوسادة المناسبة نصفًا على التصميم ونصفًا على التصنيع. إذا كنت ترغب في تقليل المشكلات غير المتوقعة وتحسين العائد، أو إذا كنت بحاجة إلى مصنع قادر على إنتاج لوحات الدوائر المطبوعة بكميات كبيرة، فيرجى الاتصال بفريقنا.