ما هي لوحة الدارات المطبوعة بالتغليف السطحي؟
لوحة الدارات المطبوعة بالتغليف السطحي (Surface-Mount PCB) هي لوحة تُلحَّم عليها المكوّنات مباشرة على البادات السطحية من دون استخدام ثقوب. تُعرف هذه الطريقة باسم تقنية التركيب السطحي (SMT)، وتُسمّى المكوّنات SMD.
مقارنةً بتقنية الثقب المار (THT)، تسمح SMT بكثافة أعلى جدًا للمكوّنات. فالمكوّنات أصغر وأخف ويمكن تركيبها على جانبي اللوحة.
SMT أم THT: أيهما تختار؟
الفرق الرئيسي بين SMT و THT هو أسلوب تثبيت المكوّنات.
- في THT تمتلك المكوّنات أرجلًا طويلة تمر عبر ثقوب وتُلحَم في الجهة الأخرى.
- في SMT تُثبت المكوّنات على بادات سطحية وتُلحَم بواسطة إعادة الانصهار (Reflow).
متى تختار SMT؟
- عند الحاجة إلى لوحات أصغر وكثافة دوائر أعلى.
- للتجميع الآلي والإنتاج الكمي.
- عندما تكون سرعة الإشارة والأداء مهمين.
متى تختار THT؟
- للمكوّنات الكبيرة أو الثقيلة مثل الموصلات والمحولات.
- عند الحاجة إلى قوة ميكانيكية عالية.
في كثير من المنتجات الحديثة نستخدم تقنية هجينة: دوائر المنطق والإشارات بـ SMT، ومكوّنات القدرة أو الموصلات بـ THT.
عملية تصميم لوحات SMT
يبدأ تصميم لوحة SMT بتخطيط واضح. الخطوات الأساسية:
1) المخطط والفلوتبرنت
- استخدم فلوتبرنت SMD قياسية من مكتبتك.
- تحقّق من علامات القطبية، وأرقام الأرجل، والمرجعيات لتجنّب أخطاء التركيب.
2) توزيع المكوّنات (Placement)
- قسّم اللوحة حسب الوظيفة: قدرة، إشارة، تحكم.
- ضع المكوّنات الحساسة والعالية التردد متقاربة.
- اترك مسافة كافية لآلات الالتقاط والوضع ولمراحل إعادة الانصهار.
3) التوصيل (Routing)
- استخدم مسارات قصيرة ومباشرة لتقليل الضجيج والمقاومة.
- للإشارات عالية السرعة اضبط الممانعة وحافظ على توازن الأزواج التفاضلية.
- مع حزم BGA خطّط لمخارج الأرجل بعناية، ويمكن استخدام Via-in-Pad عند الحاجة.
4) تفاصيل التصنيع
- أضف علامات مرجعية (Fiducials) وثقوب تجهيز للمحاذاة.
- استخدم تجميعة الألواح (Panelization) مثل V-cut أو mouse-bite لتحسين المناولة.
الاستنسل (Stencil) ومعجون اللحام
الاستنسل صفيحة معدنية رقيقة لطباعة معجون اللحام على البادات قبل وضع المكوّنات، لضمان كمية مناسبة من اللحام لكل باد.
1) لماذا الاستنسل مهم؟
الطباعة اليدوية قد تؤدي إلى زيادة أو نقص في اللحام، ما يسبب عيوبًا في التلحيم.
2) السماكة وتصميم الفتحات
- السماكات الشائعة بين 0.10 – 0.15 مم.
- السماكات الأقل للمسافات الضيقة، والأكبر للبّادات الكبيرة.
- لحزم QFN/BGA قد نُقلّل فتحات الاستنسل قليلًا لتجنّب الجسور.
- للمكوّنات الصغيرة مثل 0402/0201 يساعد التصميم الجيد على منع “الوقوف” أو الانزياح.
3) أساسيات معجون اللحام
- يتكوّن من مسحوق معدني ومُدَهّن (Flux).
- اختر السبيكة المناسبة: خالٍ من الرصاص SAC305 أو Sn63Pb37 حسب المتطلبات.
- خزّنه مبردًا واستخدمه ضمن فترة الصلاحية.
عملية تجميع لوحات SMT
التجميع مؤتمت بدرجة كبيرة ويتبع هذه المراحل:
1) طباعة معجون اللحام
يوضع الاستنسل فوق اللوحة وتُمرَّر ممسحة معدنية لتوزيع المعجون بالتساوي. ثبات الطباعة أساسي لجودة اللحام.
2) الالتقاط والوضع (Pick-and-Place)
تضع الآلات عالية السرعة المكوّنات وفق بيانات التصميم. تُغذَّى المكوّنات عبر بكرات أو صوانٍ أو أنابيب.
3) إعادة الانصهار (Reflow)
تمر اللوحة عبر فرن بإطار زمني حراري: تسخين أولي – تشبيع – ذروة – تبريد. يذوب اللحام ويكوّن وصلات متينة.
4) التنظيف والطلاء الواقي
يُزال بقايا الفلكس عند الحاجة. للبيئات القاسية يمكن استخدام الطلاء الواقي ضد الرطوبة والغبار.
5) الفحص والاختبار
- SPI لفحص حجم معجون اللحام.
- AOI لفحص التركيب وبصريات اللحام.
- الأشعة السينية لفحص اللحامات المخفية مثل BGA وQFN.
العيوب الشائعة وكيفية منعها
حتى مع الأتمتة قد تظهر عيوب. الأكثر شيوعًا:
| العيب | السبب المحتمل | المنع |
|---|---|---|
| وقوف المكوّن (Tombstoning) | عدم توازن المعجون أو الحرارة | تصميم بادات متوازن، منحنى إعادة انصهار صحيح |
| الجسور (Bridging) | كمية لحام زائدة أو تباعد ضيق | ضبط فتحات الاستنسل |
| نقص اللحام | حجم معجون قليل | زيادة الفتحة أو السماكة |
| كرات لحام | تناثر الفلكس أثناء التسخين | تحسين منحنى الحرارة |
| فراغات في BGA | غازات محتبسة أثناء التسخين | ضبط معدل الارتفاع الحراري وتصميم الفتحات |
التصميم الجيد للبادات وضبط العملية يرفع العائد بشكل كبير.
الفوائد الكهربائية والموثوقية في SMT
1) أداء كهربائي أفضل
الأرجل الأقصر تعني حِثًّا وسِعةً أقل، فتقلّ التشوهات. يتحسن تكامل الإشارة والطاقة خاصة عند ترددات الجيجاهرتز.
2) حجم ووزن أقل
تُمكّن SMT من منتجات أصغر وأخف، وهو مهم للأجهزة المحمولة وإنترنت الأشياء.
3) موثوقية حرارية وميكانيكية
تصميم البادات وحجم اللحام الصحيح يعطي وصلات قوية.
لمكوّنات القدرة استخدم فيا حرارية ومساحات نحاسية كبيرة لتحسين تبديد الحرارة.
لكن الدورات الحرارية المتكررة قد تُتعب اللحامات، لذا يجب موازنة المواد والتخطيط.
مواد اللوحة والطلاءات السطحية
1) المادة الأساسية
لإعادة الانصهار الخالية من الرصاص فضّل رقائق ذات درجة انتقال زجاجي Tg عالية ومعامل تمدد حراري CTE منخفض (مثل FR-4 أعلى من 170°C).
2) التشطيبات السطحية وتأثيرها
- ENIG: لحامية ممتازة وسطح مستوٍ، مناسب للمسافات الضيقة.
- الفضة الغاطسة: اقتصادية وجيدة للتردد العالي.
- OSP: صديقة للبيئة ومناسبة للاستخدام قصير الأجل.
- HASL: اقتصادية لكن أقل استواءً، ليست مثالية لـ SMT الدقيق.
3) التحكم في الاعوجاج
اعوجاج اللوحة قد يسبب لحامات سيئة. استخدم رصًّا طبقيًا متماثلًا وتوازنًا في النحاس لتقليل الانحناء أثناء إعادة الانصهار.
التركيب الهجين والحِزم المتقدمة
تستعمل كثير من المنتجات مزيجًا من SMT و THT على اللوحة نفسها.
1) أمثلة شائعة
- SMT لدوائر الإشارة والمنطق.
- THT لمكوّنات القدرة أو الموصلات.
2) التعامل مع BGA و QFN
- في BGA تعدّ مخارج الأرجل وتصميم Via-in-Pad عناصر أساسية.
- في QFN صمّم بادًا حراريًا مركزيًا مع فتحات استنسل مناسبة لتقليل الفراغات.
3) إعادة الانصهار على الجهتين
عند وجود مكوّنات على الجهتين، تُلحَم المكوّنات الأخف أولًا على الجهة السفلية. تتم الدورة الثانية بحذر لتجنّب إعادة صهر اللحامات السابقة.
أسئلة شائعة حول لوحات SMT
س1: لماذا تظهر فراغات في لحامات BGA؟
قد تُحبس الغازات أو يحدث تفريغ سيئ للمعجون. استخدم تصميم فتحات محسّن وتسخينًا مضبوطًا.
س2: ما أفضل طلاء سطحي لـ SMT؟
يُفضَّل ENIG والفضة الغاطسة لسطح مستوٍ وسهولة اللحام.
س3: ما أهم فائدة لـ SMT في الدوائر عالية السرعة؟
التوصيلات الأقصر تقلل العناصر الطفيلية وتحسّن جودة الإشارة.
الخلاصة
تقنية التركيب السطحي هي العمود الفقري للإلكترونيات الحديثة. فهي تتيح لوحات أصغر وأسرع وأكثر موثوقية، مع تكلفة أقل في الإنتاج الكبير.
باتّباع ممارسات تصميم جيدة—توزيع سليم، واستنسل مدروس، ومنحنى إعادة انصهار مضبوط—يمكنك تحقيق تجميعات عالية الجودة وعائد إنتاج مرتفع.
في FastTurn PCBs نُتقن تصنيع لوحات SMT والتجميع الهجين بسرعة وموثوقية. من النموذج الأولي إلى الإنتاج الكامل، نضمن الدقة والثبات والتسليم في الوقت المحدد لكل لوحة.
