تأتي اللوحات المطبوعة (Printed Circuit Boards – PCBs) بأشكال عديدة بحسب البنية والمواد المستخدمة ومجالات التطبيق.
ومن أبسط اللوحات أحادية الوجه إلى اللوحات عالية المستوى مثل الـBackplane والدوائر الصلبة-المرنة (Rigid-Flex)، تختلف أنواع PCB في التكلفة والموثوقية وكثافة التوصيلات وتعقيد التصنيع.
يشرح هذا الدليل أكثر أنواع PCB شيوعًا، وطريقة بنائها، وحالات استخدامها النموذجية.
اللوحات أحادية الوجه ومزدوجة الوجه
1) اللوحة أحادية الوجه (Single-Sided PCB)
تحتوي اللوحة أحادية الوجه على مسارات نحاسية موصلة على جانب واحد فقط من اللوحة، بينما يكون الجانب الآخر عادةً عازلًا.
وهي أبسط الأنواع وأكثرها اقتصادية.
الخصائص الرئيسية:
- كثافة توصيل منخفضة
- عملية تصنيع بسيطة
- تكلفة منخفضة جدًا
- وظائف محدودة — غير مناسبة للدوائر المعقّدة
وبما أن جميع المسارات على سطح واحد، فإن خيارات التوجيه محدودة؛ لذا تناسب الدوائر البسيطة ذات المكونات القليلة.
أمثلة على الاستخدام:
- إلكترونيات استهلاكية أساسية
- الأجهزة منخفضة التكلفة
- دوائر تحكم بسيطة
2) اللوحة مزدوجة الوجه (Double-Sided PCB)
تتضمن اللوحة مزدوجة الوجه طبقة نحاس على كلا الجانبين، ما يسمح بوضع المسارات والمكونات على السطحين.
يتم الربط الكهربائي بين الجانبين عبر ثقوب مطلية (PTH) أو فيا (Vias).
الخصائص الرئيسية:
- كثافة توصيل أعلى من الأحادية
- إمكانية تركيب المكونات على الجانبين
- تكلفة متوسطة
- مناسبة للدوائر متوسطة التعقيد
مواد شائعة:
- ركيزة ورقية-راتنجية للإلكترونيات الاستهلاكية
- مواد منخفضة الفقد مثل PTFE (تفلون) لتطبيقات RF والميكروويف
أمثلة على الاستخدام:
- إلكترونيات استهلاكية
- إلكترونيات السيارات
- أنظمة الترددات الراديوية والميكروويف
تعد اللوحات الأحادية ومزدوجة الوجه الأكثر توفيرًا لمنتجات السوق الكميّة واسعة الانتشار.
اللوحات متعددة الطبقات (Multilayer PCB)
تحتوي اللوحة متعددة الطبقات على أكثر من طبقتين موصلتين — عادةً ثلاث طبقات فأكثر — يتم كبسها معًا حراريًا وتحت ضغط.
ميزات بنيوية:
- ربط الطبقات الداخلية عبر فيا مطلية
- استخدام الطبقات الخارجية لإشارات أو لتوزيع القدرة
- طبقات قدرة وأرضي مستمرة لتقليل الضوضاء
تحسن اللوحات متعددة الطبقات سلامة الإشارة (SI) وتوزيع القدرة (PI) والأداء الكهرومغناطيسي (EMI)، وهي أساسية للأنظمة عالية السرعة وعالية الكثافة.
أعداد الطبقات المعتادة:
- من 3 إلى 50 طبقة وفقًا لتعقيد النظام
تركيب المواد:
- ألياف زجاجية (Fiberglass) مدعّمة بإيبوكسي أو أنظمة راتنج أخرى
- توفر ثباتًا حراريًا عاليًا، وثابت عزل مضبوطًا، ومقاومة كيميائية جيدة
أمثلة على الاستخدام:
- الحواسيب الشخصية والخوادم
- معدات الشبكات والاتصالات
- أنظمة رقمية عالية السرعة
- الحواسيب العملاقة
تعتمد معظم الأنظمة الرقمية المعقّدة على اللوحات متعددة الطبقات لتحقيق الأداء والتصغير.
لوحة الأسلاك المنفصلة / المتعددة (Discrete Wiring أو Multiwire PCB)
تطورت لوحة الأسلاك المنفصلة من تقنية اللوحات متعددة الطبقات، حيث تستبدل طبقات الإشارة المحفورة بطبقات أسلاك منفصلة مُشكّلة فرديًا.
لمحة عن عملية التصنيع:
- حفر مستويات القدرة على وجهي الركيزة.
- لصق طبقات لاصقة شبه-مُعالجة (Prepreg) على الجانبين.
- دمج/دحرجة أسلاك أو موصلات منفصلة داخل طبقات اللصق وفق مخطط التوجيه.
- إضافة طبقة تغطية ثانية ثم الكبس والحفر والإتمام كلوحة متعددة الطبقات قياسية.
الخصائص الأساسية:
- مكافئة كهربائيًا للوح متعدد الطبقات
- استبدال طبقات الإشارة بطبقات أسلاك منفصلة
- مناسبة للتوجيه عالي الكثافة حيث العزل بالغ الأهمية
يتطلب التصميم أدوات CAD متخصصة لتوليد بيانات مسارات الأسلاك بدقة. تمنح مرونة عالية وسرعة في التعديلات للنماذج الأولية، لكنها أقل جدوى للإنتاج الكمي بسبب التعقيد والتكلفة.
في النمذجة الأولية: سرعة إنجاز وتكاليف تجهيز منخفضة.
في الإنتاج الكمي: اللوحات متعددة الطبقات القياسية أكثر اقتصادية وأسهل في ضمان الاتساق.
الدوائر الهجينة (Hybrid Circuit Boards)
تجمع الدوائر الهجينة بين ركائز خزفية ومقاومات مطبوعة ومكونات مُثبتة سطحيًا، لتكون جسرًا بين PCB وتقنيات الطبقات السميكة.
البنية النموذجية:
- قاعدة خزفية أحادية أو مزدوجة الوجه
- مكونات نشطة (Active) مُثبتة سطحيًا
- استخدام معاجين معدنية لطباعة شبكات المقاومات
المزايا:
- حجم مدمج
- ثبات حراري وأبعادي ممتاز
- موثوقية عالية للتصاميم المصغّرة
أمثلة على الاستخدام:
- أجهزة السمع الطبية
- أجهزة طبية مصغّرة
- إلكترونيات متخصصة صغيرة الحجم
اللوحة المرنة (Flexible PCB – FPC)
تصنع اللوحات المرنة عبر لصق رقائق النحاس على ركيزة مرنة مثل بولي أميد (PI) أو ألياف أراميد.
يمكنها الانحناء أو الطي أو الالتواء مع الحفاظ على الاستمرارية الكهربائية.
ميزات بنيوية:
- متاحة بتكوينات أحادية/مزدوجة/متعددة الطبقات
- بديل لحِزَم الأسلاك التقليدية (Wiring Harness)
- خفيفة الوزن وتوفّر مساحة
المزايا:
- تقليل عدد الموصلات ومشاكل التوصيل
- توفير مساحة التجميع
- تحسين المرونة الميكانيكية والموثوقية
أمثلة على الاستخدام:
- الكاميرات
- الطابعات ومحركات الأقراص
- إلكترونيات الطيران والفضاء
- مسجلات الفيديو
اللوحة الصلبة-المرنة (Rigid-Flex PCB)
تجمع اللوحة الصلبة-المرنة بين طبقات صلبة ومرنة ضمن بنية واحدة.
يُصنَّع القسم المرن أولًا، ثم يُلصق داخل الجزء الصلب.
خصائص العملية:
- ترابط كهربائي مستمر بين المناطق المرنة والصلبة
- الاستغناء عن الموصلات والكابلات
المزايا الأساسية:
- موثوقية أعلى وحجم أصغر
- تجميع مبسّط
- متانة ميكانيكية محسّنة
أمثلة على الاستخدام:
- أنظمة الطيران والإلكترونيات الجوية
- الأجهزة المحمولة (مثل الحواسيب المحمولة والأجهزة القابلة للطي)
اعتبارات التكلفة:
- أعلى تكلفة من استخدام لوحات صلبة منفصلة مع كابلات
- أداء متفوّق للتطبيقات ذات الموثوقية العالية
لوحات الـ Backplane
تُعد الـ Backplane شكلًا متخصصًا من اللوحات متعددة الطبقات تُستخدم لوصل البطاقات/الوحدات على مستوى النظام وتوزيع الطاقة.
الميزات البنيوية:
- عدد كبير من موصلات Press-Fit
- طبقات قدرة داخلية متعددة
- قادرة على تمرير تيارات تيار مستمر (DC) عالية
توزيع الطاقة:
- طبقات القدرة مدمجة داخل بنية اللوحة
- توصيل قضبان/موزعات القدرة (Busbars) أو مسامير (Studs) بالسطوح الخارجية
قد تتضمن بعض تصاميم الـBackplane مكونات فعّالة مُثبتة سطحيًا (مثل الدارات المتكاملة) لتعزيز الوظيفة والتحكم في الإشارة.
إلا أن الحجم الكبير والسماكة يفرضان تحديات تصنيع مهمّة؛ فالكُتلة الحرارية العالية تجعل لحام المكونات ذات المسافات الدقيقة صعبًا، ويتطلّب تحكمًا دقيقًا بالحرارة وعمليات تركيب متخصصة لضمان الموثوقية.
الأسئلة الشائعة: أنواع PCB
ما الأنواع الرئيسية للـ PCB؟
أحادي الوجه، مزدوج الوجه، متعدد الطبقات، الصلب (Rigid)، المرن (Flex)، الصلب-المرن (Rigid-Flex). وتُعد الـBackplane شكلًا متخصصًا من اللوحات متعددة الطبقات.
ما الفارق الأساسي بين الأحادي والمزدوج؟
الأحادي: نحاس على وجه واحد (أقل تكلفة وخيارات توجيه محدودة).
المزدوج: نحاس على الوجهين مع ثقوب مطلية/فيا للربط بين الجانبين (كثافة أعلى وتكلفة متوسطة).
متى أختار لوحة متعددة الطبقات؟
عند الحاجة لكثافة توصيل أعلى، ومعاوقة مضبوطة، وطبقات قدرة/أرضي متواصلة، وأداء أفضل في SI/PI/EMI للأنظمة السريعة والمعقّدة.
كيف أقرر بين الصلب، المرن، والصلب-المرن؟
الصلب = الأقل تكلفة والأفضل للهياكل الثابتة.
المرن = ينحني لتوفير المساحة وتقليل الموصلات.
الصلب-المرن = أعلى موثوقية عندما تكون الموصلات/الكابلات نقاط ضعف (تكلفة لوح أعلى مقابل مخاطر نظام أقل).
ما هي لوحة الـ Backplane؟
لوحة كبيرة وسميكة متعددة الطبقات تحتوي موصلات Press-Fit وطبقات نحاس سميكة لتوصيل بطاقات الإدخال وتوزيع تيار مستمر عالٍ على مستوى النظام.
الخلاصة
من اللوحات أحادية الوجه إلى الصلبة-المرنة والـBackplane، يوفّر تنوّع أنواع PCB للمهندسين خيارات مرنة للموازنة بين الأداء والتكلفة وإمكانية التصنيع.
إن فهم الأنواع المختلفة للـ PCB ضروري لاختيار الركيزة المناسبة، وبنية الطبقات، واستراتيجية التوصيل لأي تصميم إلكتروني حديث.
