عندما تنظر إلى لوحة دوائر مطبوعة (PCB) ترى غالبًا صفيحة خضراء مسطّحة مع وسادات نحاسية لامعة ومسارات رفيعة. لكن تحت هذا السطح يوجد “ساندوتش” مُصمَّم بعناية من النحاس ومواد عازلة—وهذه هي طبقات الـPCB.
هذه الطبقات تتحكم في حركة الإشارات، وتوزيع الطاقة، واستقرار اللوحة على المدى الطويل.
يشرح هذا الدليل ما هي طبقات الـPCB، وكيف يتم ترتيبها (Stack-up)، وعدد الطبقات الذي تحتاجه فعلًا، وكيف تتعرّف إلى عدد طبقات أي لوحة. ستجد أيضًا أمثلة عملية لتراص لوحات من 2 و4 و6 و8 طبقات يستخدمها المهندسون بكثرة.
نظرة سريعة: ما هي طبقات الـPCB وما هي الأعداد الشائعة؟
طبقة الـPCB هي صفيحة نحاسية موصلة أو طبقة داعمة ضمن بنية اللوحة. تُرَصّ الطبقات معًا باستخدام مواد عازلة (Dielectric) للحصول على لوحة دوائر متكاملة.
معظم اللوحات تأتي بعدد زوجي من الطبقات—عادةً 2 أو 4 أو 6 أو 8—للحفاظ على تناسق التراص وسهولة التصنيع.
| عدد الطبقات | التطبيقات الشائعة | المزايا | نقاط المقايضة |
|---|---|---|---|
| طبقتان | متحكمات بسيطة، قواطع LED، لوحات إنترنت الأشياء منخفضة السرعة | تكلفة منخفضة، تصنيع سريع | مساحة توصيل محدودة، تحكم أضعف في الضوضاء الكهرومغناطيسية (EMI) |
| 4 طبقات | إلكترونيات استهلاكية، واجهات USB أو HDMI | سلامة إشارة أفضل، طبقة أرضي صلبة | تكلفة أعلى قليلًا |
| 6 طبقات | صناعي/سيارات، حافلات بيانات متوسطة السرعة | تحكم جيد في EMI، كثافة توصيل أعلى | تكلفة أعلى وصعوبة أكبر في الإصلاح |
| 8 طبقات | حواسيب عالية السرعة، اللوحات الأم | تحكم ممتاز في المعاوقة وتدريع جيد | تكلفة تصنيع مرتفعة |
ماذا نعني بـ“الطبقات” في الـPCB؟
كل لوحة تجمع بين طبقات موصلة وأخرى غير موصلة. أهمها:
- طبقات الإشارة (Signal Layers): تنقل الإشارات بين المكوّنات عبر المسارات والفتحات (Vias).
- مستويات الأرضي GND (Ground Planes): توفر مسار عودة منخفض المعاوقة للإشارة وتساعد على الحماية من الضوضاء الكهرومغناطيسية.
- مستويات الطاقة PWR (Power Planes): توزع الفولتية على الدارات بالتساوي وتقلل هبوط الفولت.
- النواة والـPrepreg: مواد عازلة معززة بالألياف الزجاجية (غالبًا FR-4) تفصل الطبقات النحاسية وتحدد سماكة اللوحة.
- قناع اللحام (Solder Mask): الطلاء الأخضر (أو الأزرق/الأحمر/الأسود) الذي يعزل ويحمي النحاس من الأكسدة وجسور اللحام.
- الطباعة الحريرية (Silkscreen): نصوص/رموز بيضاء لتعليم المكوّنات وأرقامها وشعار الشركة.
يُظهر مقطع عرضي للوحة تناوب طبقات النحاس مع الطبقات العازلة—مثل كعكة طبقية. النحاس يصنع الدارات الكهربائية، بينما يمنح العازل الصلابة والعزل.
تراصات شائعة وكيف تعمل
الـStack-up هو ترتيب كل طبقات النحاس والعازل والمسافات بينها. التصميم الجيد يقلل الضوضاء، ويحسّن التحكم في المعاوقة، ويخفّض EMI.
لوحة بطبقتين
الأبسط: علوية + سفلية.
يمكن تركيب مكونات ومسارات على الجهتين. غالبًا نستخدم مسارات أعرض و“سكب أرضي” لتحسين مسارات العودة.
الإيجابيات: الأرخص والأسرع تصنيعًا.
السلبيات: مساحة توصيل محدودة؛ صعب التحكم بالمعاوقة أو EMI.
لوحة بـ4 طبقات
الخيار الأكثر شيوعًا اليوم. تشكيل نموذجي:
- الطبقة 1: إشارة (علوية)
- الطبقة 2: مستوى أرضي (GND)
- الطبقة 3: مستوى طاقة (PWR)
- الطبقة 4: إشارة (سفلية)
يوفر هذا مراجع ثابتة بين طبقات الإشارة، ما يحسّن سلامة الإشارة والتحكم في EMI—مثالي لـUSB وHDMI والميكروكنترولر.
لوحة بـ6 طبقات
عند الحاجة لكثافة توصيل أعلى أو عزل أفضل:
إشارة – أرضي – إشارة – طاقة – أرضي – إشارة.
يوجد مستويَا أرضي للتدريع، ويمكن للطبقات الداخلية أن تحمل أزواجًا تفاضلية أو مسارات تماثلية حسّاسة. شائع في السيارات والتحكم الصناعي.
لوحة بـ8 طبقات
لوحات الحوسبة عالية السرعة واللوحات الأم:
إشارة – أرضي – إشارة – طاقة – أرضي – إشارة – أرضي – إشارة.
تعدد مراجع الأرضي يقلل التداخل ويحسّن المعاوقة عبر أزواج PCIe وDDR وUSB 3.x.
كيف تقرر عدد الطبقات المناسب؟
يعتمد القرار على عدة عوامل. خريطة سريعة يتبعها كثير من المهندسين:
- سرعة الإشارة ونوعها
- أقل من 100 ميجاهرتز، تماثلي بسيط أو منطق منخفض السرعة → طبقتان.
- 100 ميجاهرتز–1 جيجاهرتز (USB 2.0، إيثرنت) → 4 طبقات.
- أعلى من 1 جيجاهرتز وأزواج تفاضلية (USB 3.x، PCIe، HDMI) → 6 أو 8 طبقات.
- كثافة المكونات وحجم اللوحة
كلما زاد عدد المكونات وصغر الحجم احتجت طبقات توصيل أكثر. - توزيع الطاقة والأرضي
المستويات المخصصة تقلل ضوضاء الفولت وتحسّن الاستقرار. - التوافق الكهرومغناطيسي/الضوضاء (EMI/EMC)
مرجع قريب لمسار الإشارة وعودة محكمة يحسّنان الأداء. - الميزانية ومدة التصنيع
الطبقات الأقل = تكلفة أقل وزمن أقصر.
إرشادات عامة:
- طبقتان للنماذج الأولية والأجهزة منخفضة التكلفة.
- 4–6 طبقات لمعظم الإلكترونيات الاستهلاكية والصناعية.
- 8 طبقات فأكثر للواجهات عالية السرعة ومتعددة القنوات.
لماذا معظم لوحات الـPCB متعددة الطبقات زوجية؟
ستلاحظ أن معظم اللوحات تأتي بعدد زوجي—للأسباب التالية:
كفاءة التصنيع
الطبقات الفردية تتطلب ترك رقائق نحاسية دون قرين أثناء الكبس، ما يضيف خطوات ويزيد الإجهاد الميكانيكي والمخاطر والتكلفة.
التوازن الميكانيكي
التراص المتناظر يمنع التقوّس/الالتواء خلال دورات الحرارة.
إذا كان أحد الجانبين أغنى بالنحاس/الراتنج فقد تنحني اللوحة بعد اللحام. الطبقات الزوجية تبقي الجانبين متوازنين.
الأداء الكهربائي
اقتران طبقات الإشارة مع مستويات مرجعية متقابلة يجعل المعاوقة أكثر ثباتًا ومسارات العودة أقصر—فتتحسن جودة الإشارة.
لهذا نادرًا ما ترى لوحات بثلاث أو خمس طبقات في الإنتاج؛ يُفضَّل تحويلها إلى 4 أو 6 طبقات.
كيف تتعرّف على عدد طبقات لوحة ما؟
مفيد للصيانة والهندسة العكسية والتوثيق. طرق عملية:
1) فحص بصري (دون أدوات)
- حافة اللوحة: قد ترى “خطوطًا” رفيعة تمثل النحاس والعازل.
- تمرير الضوء: اللوحات ثنائية الطبقة تسمح بالمرور أكثر؛ متعددة الطبقات تبدو معتمة.
- عمق الفتحات (Vias): الفتحات العمياء/المدفونة غالبًا مؤشر لطبقات داخلية.
2) باستخدام ملفات التصميم
مع ملفات Gerber أو ODB++ ستجد ملفًا لكل طبقة نحاس (Top.GTL، Inner1.*، Bottom.*). عدّ ملفات النحاس لمعرفة العدد.
3) عبر برامج الـCAD
في Altium Designer: المسار Design → Layer Stack Manager يعرض كل الطبقات وسماكات العوازل.
في KiCad: Board Setup → Layers لعرض البنية.
في Autodesk Fusion 360: عرض الطبقات ضمن مساحة عمل الـPCB.
4) طرق متقدمة/إتلافية
لتحليل عميق يمكن قطع مقطع عرضي ومشاهدته تحت مجهر أو تصوير CT—لضمان الجودة أو تحليل الأعطال.
كم عدد طبقات اللوحات الأم (Motherboards)؟
اللوحات الأم ولوحات الخوادم أنظمة معقّدة عالية السرعة، تحتاج مستويات عديدة للطاقة والأرضي والتوصيل:
- الاستهلاكية: عادة 6–12 طبقة.
- محطات العمل والخوادم: قد تصل إلى 14–16 طبقة أو أكثر.
تُستَخدم الطبقات الإضافية لمجالات طاقة متعددة (CPU/GPU/الذاكرة)، وخطوط تفاضلية مضبوطة المعاوقة، وتدريع بين الشبكات الحساسة.
لكن الطبقات الأكثر لا تعني دائمًا أداءً أفضل. تراص جيد التصميم على 6 طبقات قد يتفوق على 8 طبقات بتصميم ضعيف.
ثلاثة عوامل رئيسية تؤثر على قرار عدد الطبقات
1) سلامة الإشارة والـEMI
يُفضَّل أن تمتلك كل طبقة إشارة مرجعًا قريبًا (أرضي/طاقة) لمعاوقة ثابتة. سماكة العازل وثابت العزل (Dk) يؤثران في المعاوقة والتداخل. اقتران أوثق بين الإشارة والعودة يقلل الضوضاء ويحسّن EMC.
2) قدرات التصنيع
يوجد حدود لأصغر عرض/تباعد مسار، وعدد دورات الكبس، وتحمّل سماكة اللوحة. مزيد من الطبقات يعني محاذاة وكبسًا أكثر تعقيدًا.
3) التكلفة ومدة التوريد
كل طبقة إضافية تعني مواد وحفرًا واختبارًا إضافيًا. قد تكلف لوحة 6 طبقات ~1.5–2× لوحة 4 طبقات. الموازنة مطلوبة بين الحاجة الكهربائية والميزانية.
| عدد الطبقات | الاستخدام النمطي | التكلفة النسبية | المدة |
|---|---|---|---|
| 2 | هوايات/أجهزة بسيطة | منخفضة | سريعة |
| 4 | إلكترونيات استهلاكية | متوسطة | متوسطة |
| 6 | صناعي/سرعات متوسطة | أعلى | أطول |
| 8+ | عالي السرعة/خوادم | الأعلى | الأطول |
الأسئلة الشائعة (FAQ)
1) كم عدد الطبقات الممكنة في الـPCB؟
الشائع 1–16 طبقة، لكن يمكن أن تتجاوز 30 وحتى 100+ في مجالات الطيران والاتصالات المتقدمة.
2) ما التراص النموذجي للوحة 4 طبقات؟
غالبًا: إشارة – أرضي – طاقة – إشارة، ما يؤمّن مراجع ثابتة لتوجيه بمعاوقة مضبوطة.
3) لماذا تُصنع معظم اللوحات متعددة الطبقات بعدد زوجي؟
لتحقيق تناظر ميكانيكي أفضل، وسهولة تصنيع أعلى، واستقرار كهربائي ومعاوقة أكثر قابلية للتنبؤ.
4) كيف أتعرف على عدد الطبقات دون ملفات التصميم؟
تفحّص حافة اللوحة وخطوط الطبقات، جرّب تمرير الضوء، أو استخدم Layer Stack Manager في Altium أو KiCad.
الخلاصة
طبقات الـPCB هي أساس كل تصميم إلكتروني حديث.
إنها تحدد كيفية سريان الإشارات وتوزيع الطاقة واستقرار اللوحة في ظروف التشغيل الحقيقية.
للاختيار الصحيح: ابدأ من سرعة الإشارة وكثافة المكونات، وأضف مستويات أرضي وطاقة مخصصة، وابقَ على تراص متناظر بعدد زوجي لتجنّب الالتواء، ووازن الأداء مع تكلفة التصنيع.
التراص المدروس لا يسهل التصنيع فحسب، بل يضمن أيضًا موثوقية التصميم من النموذج الأولي إلى الإنتاج الكمي.
