إذا كنت تصمم لوحة يجب أن تُصنَّع بسلاسة، وتجتاز اختبارات التوافق الكهرومغناطيسي (EMI)، وتعمل بثبات في الأجهزة الواقعية، فلا يمكنك التعامل مع التخطيط (Layout) كأمر ثانوي. إن قواعد تصميم PCB القوية—خصوصًا ما يتعلق بتوزيع المكوّنات، وتوجيه المسارات، وهندسة النحاس—هي ما يحوّل مخططًا كهربائيًا صحيحًا إلى منتج موثوق.
يقدّم هذا المقال مجموعة عملية من قواعد تصميم PCB ترتكز على ثلاث دعائم: توزيع مكوّنات PCB، وقواعد توجيه مسارات PCB، وعرض المسارات والتباعد بينها.
1. قواعد توزيع مكوّنات PCB (PCB Component Placement)
يعني توزيع المكوّنات ترتيب القطع على اللوحة وفقًا لوظيفة الدارة في المخطط (Schematic) وأبعاد كل حزمة (Package). تؤثر جودة التوزيع على مردود التجميع، وسهولة الفحص والإصلاح، وكذلك الأداء الكهربائي النهائي.
اتبع قواعد تصميم PCB التالية في التوزيع:
(1) اجعل التوزيع متوازنًا؛ واجمع المكوّنات حسب الوظيفة
- وزّع المكوّنات بشكل منتظم ومرتب.
- اجمع المكوّنات ضمن نفس الكتلة الوظيفية وضعها متقاربة نسبيًا لتسهيل الاختبار، وتتبع الأعطال، والصيانة.
(2) ضع المكوّنات المتصلة كهربائيًا قريبًا لتقليل طول التوصيلات
- المكوّنات التي تتصل ببعضها يجب أن تكون متجاورة قدر الإمكان.
- تقليل طول التوصيلات يرفع كثافة التوجيه ويساعد على تقليل التأثيرات الطفيلية (Parasitics).
(3) أبعد المكوّنات الحساسة للحرارة عن مصادر الحرارة
- أبعد المكوّنات الحساسة للحرارة عن عناصر القدرة العالية ومصادر السخونة لتقليل الانحراف (Drift) وتحسين الاستقرار.
(4) اعزل أو احمِ المكوّنات التي قد تسبب مشاكل EMI
- للمكوّنات التي قد تتداخل كهرومغناطيسيًا، استخدم التباعد، أو التدريع (Shielding)، أو العزل عند الحاجة.
2. قواعد توجيه مسارات PCB (PCB Routing Rules)
التوجيه هو المرحلة التي تتحول فيها قواعد تصميم PCB إلى نحاس فعلي. التوجيه الجيد يقلل الضوضاء، ويحد من الاقتران (Coupling)، ويحسن قابلية التصنيع.
(1) اختر الطبقات بهذا الترتيب: أحادي → ثنائي → متعدد
طالما تم تحقيق متطلبات الأداء، فالأفضل البدء ببنية أبسط:
- لوح أحادي الطبقة، ثم ثنائي الطبقة، ثم متعدد الطبقات.
(2) اجعل المسارات قصيرة؛ ووجّه الإشارات الحساسة/الضعيفة أولًا
- اجعل المسارات بين الأرجل (Pads) قصيرة قدر الإمكان.
- وجّه الإشارات الحساسة والضعيفة أولًا لتقليل التأخير والتداخل.
- في أقسام الأنالوج، يمكن تمرير مسار أرضي بجوار مسارات الدخل كنوع من التدريع عند الحاجة.
- اجعل توزيع المسارات على نفس الطبقة متوازنًا وحاول موازنة مساحة النحاس لتقليل خطر تقوس/التواء اللوحة (Warpage).
(3) تجنّب الزوايا الحادة: استخدم 45° أو انحناءات ناعمة
- تغييرات الاتجاه يُفضّل أن تكون بزوايا 45° أو منحنيات ناعمة بنصف قطر أكبر.
- هذا يقلل تركّز المجال، والانعكاسات، وعدم الاستمرارية الإضافية في الممانعة.
(4) افصل توجيه الديجيتال عن الأنالوج—وافصل شبكات الطاقة/الأرضي لكلٍ منهما
- افصل أقسام الديجيتال والأنالوج لمنع التداخل المتبادل.
- إذا كانا على نفس الطبقة، فاجعل توزيع الطاقة وتوزيع الأرضي لكل قسم منفصلًا.
- للإشارات ذات الترددات المختلفة، يمكن وضع مسار أرضي بينهما لتقليل التداخل المتبادل (Crosstalk).
(5) اجعل توصيلات الطاقة والأرضي قصيرة وقريبة
- التوجيه القصير والقريب للطاقة/الأرضي يقلل المقاومة الداخلية.
(6) اجعل اتجاه التوجيه بين الطبقات المتجاورة متعامدًا (X/Y) وتجنب التوازي الطويل
- استخدم اتجاهات توجيه متعامدة بين الطبقات المتجاورة لتقليل الاقتران.
- تجنب المسارات المتوازية لمسافات طويلة، وتجنب محاذاة المسارات فوق بعضها مباشرة بين الطبقات.
(7) طابق الأطوال لإشارات I/O عالية السرعة والمسارات المتوازنة/التفاضلية
- في التصميمات عالية السرعة متعددة I/O، وكذلك المسارات المتوازنة/التفاضلية، يجب أن تكون الأطوال متساوية لتجنب فروقات التأخير أو الانزياح الطوري.
(8) استخدم Thermal Relief للأرجل المتصلة بمساحات نحاس كبيرة—إلا إذا كان التيار > 5A
للأرجل المتصلة بمساحات نحاس كبيرة، استخدم وصلات Thermal Relief:
- طول الذراع (Spoke length) ≥ 0.5 مم
- عرض الذراع (Spoke width) ≥ 0.13 مم
- لا تستخدم Thermal Relief للأرجل التي تحمل تيارًا أكبر من 5 أمبير.
(9) حافظ على مسافة أمان بين المسارات وحافة اللوحة
- المسارات الأقرب للحافة يجب أن تبعد عادةً أكثر من 5 مم عن حافة اللوحة.
- يمكن السماح لمسارات الأرضي أن تكون أقرب عند الضرورة.
- إذا كانت اللوحة تدخل في مجاري/سكك (Rails/Guides)، فاجعل المسافة أكبر من عمق مجرى السكة.
(10) صمّم الطاقة والأرضي بممانعة منخفضة (للألواح ثنائية ومتعددة الطبقات)
- في الألواح ثنائية الطبقة، ضع خطوط الطاقة والأرضي المشتركة قرب الحافة، وعند الإمكان وزعها على الجهتين لتحقيق ممانعة منخفضة.
- في الألواح متعددة الطبقات، استخدم طبقات مخصصة للطاقة/الأرضي ووصلها عبر ثقوب مطلية (Plated-through vias).
- يمكن تنفيذ نحاس الطبقات الداخلية الكبير (طاقة/أرضي) بنمط شبكي (Mesh) لتحسين قوة الالتصاق بين الطبقات.
(11) أضف نقاط فصل ونقاط اختبار لتسهيل الفحص
- أضف نقاط فصل (Breakpoints) ونقاط اختبار (Test Points) لتسهيل التحقق والاختبار في الإنتاج.
3. عرض المسارات والتباعد بينها (Trace Width and Spacing)
يعتمد عرض المسار على تيار الحمل، والارتفاع المسموح في الحرارة، وحدود التصنيع العملية (بما في ذلك التصاق النحاس). بشكل عام:
- المسارات النموذجية عرضها لا يقل عن 0.2 مم، وغالبًا بسماكة نحاس ≥ 18 ميكرومتر.
- لوحات SMT واللوحات عالية الكثافة قد تستخدم مسارات أرفع، لكن كلما صغر القياس زادت صعوبة التصنيع—اختر مسارات أعرض عندما يسمح المكان.
(1) ثبّت عرض مسارات الإشارة؛ واجعل الطاقة/الأرضي أعرض
- ثبات عرض مسارات الإشارة يساعد على ثبات الممانعة ومطابقتها.
- دليل شائع لعرض مسارات الإشارة: 0.2–0.3 مم (8–12 mil).
- استخدم نحاسًا أعرض للطاقة/الأرضي لتقليل التداخل.
- لإشارات التردد العالي، أضف تدريعًا أرضيًا مجاورًا عند الحاجة.
(2) خطوط السرعة العالية والميكروويف يجب أن تحقق ممانعة مميزة محددة
- يجب اختيار العرض والسماكة لتحقيق متطلبات الممانعة (Characteristic Impedance).
(3) تصميمات القدرة العالية: راعِ كثافة التيار والعزل
- ضع قيود التباعد/العزل في الحسبان، وليس العرض فقط.
- موصلات الطبقات الداخلية عادةً تتحمل كثافة تيار تقارب نصف الطبقات الخارجية.
(4) زد التباعد عند الإمكان لتحسين مقاومة العزل
تتأثر مقاومة العزل على الطبقات السطحية بـ:
- تباعد المسارات
- طول المقاطع المتوازية المتجاورة
- وسط العزل (مادة اللوح والهواء)
عندما يسمح التوجيه، زِد التباعد.
الخلاصة النهائية
هذه قواعد تصميم PCB وإرشادات تصميم PCB بسيطة، لكنها تمنع نسبة كبيرة من مشاكل الواقع العملي:
- ابدأ بتوزيع منضبط للمكوّنات (PCB component placement).
- طبّق قواعد توجيه محافظة للتحكم في الفصل، وتقليل الاقتران، وتحسين قابلية الاختبار.
- استخدم عروض مسارات وتباعدًا واقعيين يدعمان التيار، والممانعة، وقدرات التصنيع.
إذا رغبت، يمكنني أيضًا ترجمة الجزء الثاني بنفس الأسلوب ليكون متناسقًا بالكامل كمنشور عربي احترافي.
