لوحات الدوائر المطبوعة كثيرة الأنواع، لكن عندما تحتاج لتحمّل تيار عالٍ أو إدارة حرارية قوية، تبرز لوحات النحاس السميك (Thick Copper PCB) — وتُعرف أيضًا بـ لوحات النحاس الثقيل (Heavy Copper PCB).
تستخدم هذه اللوحات سماكة نحاس أكبر داخل الطبقات وعلى المسارات لتحسين الموصلية، والمتانة الميكانيكية، وتبديد الحرارة.
في هذا الدليل ستتعرّف إلى ماهية لوحات النحاس السميك، وكيف تُصنَّع، ولماذا تعدّ أساسية لإلكترونيات القدرة، والأنظمة السيارة، والأنظمة الصناعية.
ما هي لوحة النحاس السميك أو النحاس الثقيل؟
عادةً ما تستخدم اللوحة القياسية نحاس 1 أونصة (1 oz)، أي أن أونصة واحدة من النحاس تُوزَّع بالتساوي على قدم مربعة واحدة من مساحة اللوحة.
- نحاس 1 oz ≈ سماكة 35 ميكرومتر ≈ 1.37 ميل.
عندما تزداد كمية النحاس إلى 3 oz (≈ 105 ميكرومتر) أو أكثر لكل طبقة، تُسمّى عادةً لوحة نحاس ثقيل. أما اللوحات ذات 8–20 oz فتُصنَّف غالبًا نحاسًا ثقيلًا جدًا (Extra-Heavy).
مقارنةً باللوحات القياسية، تمتلك لوحات النحاس السميك مسارات أعرض وأكثر سماكة تسمح بمرور تيار أكبر مع مقاومة أقل. كما أن النحاس الإضافي يحسّن التوصيل الحراري والمتانة الميكانيكية، ما يجعلها مثالية للبيئات القاسية والتطبيقات عالية الاستطاعة.
متى تختار النحاس السميك؟
لست بحاجة إلى لوحة نحاس ثقيل في كل تصميم. يُفضَّل استخدامها عندما يجب على دائرتك:
- تمرير تيار عالٍ — مثل المحوّلات، المضخِّمات، وأنظمة توزيع القدرة.
- التعامل مع أحمال حرارية قوية — مثل مشغلات LED، متحكّمات المحركات، أو المحوّلات التي تولّد حرارة باستمرار.
- مقاومة الظروف القاسية — بما في ذلك الاهتزاز، دورات الحرارة العالية، أو الإجهاد الميكانيكي في التطبيقات السيارة أو العسكرية أو الصناعية.
باختصار، اختر لوحات النحاس السميك حين تكون الموصلية الكهربائية، والإدارة الحرارية، والاعتمادية طويلة الأمد هي الأولوية.
وزن النحاس، سماكته، وسعة التيار
لأن “الأونصة” مقياس وزن، يفضّل كثير من المهندسين النظر إلى النحاس بمصطلح السماكة. فيما يلي جدول تحويل مبسّط:
| وزن النحاس | السماكة التقريبية (µm) | السماكة (mil) | تطبيقات نموذجية |
|---|---|---|---|
| 0.5 oz | 17 | 0.7 | إشارات وتحكّم |
| 1 oz | 35 | 1.37 | لوحات قياسية |
| 2 oz | 70 | 2.74 | دوائر قدرة |
| 3 oz | 105 | 4.11 | نحاس ثقيل |
| 6 oz | 210 | 8.22 | توزيع قدرة |
| 10 oz | 350 | 13.7 | صناعي/دفاعي |
| 20 oz | 700 | 27.4 | تطبيقات قصوى |
بصيغة مبسّطة:
- نحاس أكثر سماكة = مقاومة أقل = سعة تيار أعلى.
تعتمد سعة التيار على عرض المسار، وسماكة النحاس، وارتفاع الحرارة المسموح. ووفق إرشادات IPC-2152، قد يُخفَّض ارتفاع الحرارة بنسبة 30–40% للتيار نفسه عند مضاعفة سماكة النحاس. لذلك يستخدم المصمّمون النحاس السميك لخطوط القدرة ومسارات التيار العالي.
قواعد تصميم لوحات النحاس الثقيل
التصميم بالنحاس السميك ليس كالتصميم بلوحات 1 oz القياسية. هذه القواعد تساعد على قابلية التصنيع واستقرار الأداء:
عرض المسار والتباعد
مع زيادة السماكة، تصبح الحتّ الجانبي (Side Etching) أكثر بروزًا، ويصعب الحفاظ على عرض/تباعد دقيقين. حدّيات تقريبية شائعة:
- 3 oz: حد أدنى لعرض/تباعد المسار 8–10 mil.
- 6 oz: حوالي 12–15 mil.
- 10 oz فأكثر: 20 mil أو أكثر.
استشر دائمًا قدرات المورِّد وطبّق تعويض الحتّ على الطبقات الخارجية.
الفيا (الثقوب الموصّلة) والطلاء بالنحاس
النحاس السميك يعني سماكة طلاء أكبر داخل الفيا، ما يحسّن تمرير التيار لكنه قد يسبّب ترسيبًا غير متجانس. استخدم أقطار فيا أكبر (≥ 0.3 مم منتهية)، وسماكة نحاس داخلية ≈ 25–30 µm أو أكثر لمسارات التيار العالي.
لتحسين الحرارة، ضع فيا حرارية تحت مكوّنات القدرة لنقل الحرارة إلى طبقات نحاسية أخرى أو إلى مشتّت خارجي.
قناع اللحام والبادّات
بسبب التضاريس الأعلى، قد ينكمش قناع اللحام أو يتدفّق بشكل مختلف. كبّر البادّات قليلًا واضبط فتحات القناع لتجنّب سوء محاذاة التعرّض.
اعتبارات المعاوقة والسرعات العالية
يغيّر النحاس السميك هندسة طبقات الإشارة. الارتفاع الأكبر للنحاس يخفض المعاوقة، لذا قد تحتاج إلى زيادة سماكة العازل للحفاظ على القيم المستهدفة. للتصاميم عالية السرعة، تواصل مبكرًا مع المورِّد لضبط المعاوقة على الطبقات السميكة.
أمثلة تكديس الطبقات (Stackups) الشائعة
لتحقيق توازن بين الأداء والكلفة، يدمج المصنّعون أوزان نحاس مختلفة ضمن لوحة واحدة.
المثال 1 – لوحة ثنائية الطبقات 6 oz
- لوحة ناقل قدرة أو محوّل بسيطة.
- 6 oz على كل وجه لتحمّل ≈ 50–100 أمبير.
- مسار حراري ممتاز، لكن الحتّ أثخن واللوحة أثقل.
المثال 2 – لوحة 4 طبقات: 2 oz خارجي / 3 oz داخلي
- توازن بين القدرة وتكامل الإشارة.
- الطبقات الخارجية للتجميع والتوجيه.
- الطبقات الداخلية كسطوح قدرة بسماكة أعلى لتبديد أفضل للحرارة.
المثال 3 – مزج طبقات ثقيلة (10–12 oz) مع طبقات قياسية
- لتطبيقات صناعية أو دفاعية عالية الاستطاعة.
- الطبقات العلوية لإشارات التحكّم (1–2 oz).
- طبقة داخلية/نواة لحمل التيار الثقيل (10–12 oz).
في كل حالة، يجب التحقق من بارامترات الكبس، حدود الحتّ، وتوافق الطبقات مع المورِّد قبل تثبيت التكديس.
الاعتمادية الحرارية والميكانيكية
أحد أهم أسباب اختيار النحاس السميك هو الاعتمادية الحرارية. فكلما زادت سماكة النحاس، زادت قدرة اللوحة على نشر وتخزين الحرارة.
تُظهر الاختبارات أن مسارات النحاس الثقيل تخفض ارتفاع الحرارة موضعيًا لأن الحرارة تنتشر أفقيًا عبر السطح النحاسي، مما يقلّل الحاجة إلى مشتّتات كبيرة أو تبريد قسري.
ميكانيكيًا، تعزّز طبقة النحاس الأقوى مقاومة اللوحة للالتواء والتشقّق عبر دورات الحرارة، وتوفّر بادّات أقوى تتحمّل إجهاد لحام أعلى لمكوّنات كبيرة مثل المحاثّات والموصلات.
النتيجة هي عمر خدمة واعتمادية أفضلين، خاصةً في البيئات السيارة والصناعية.
تحدّيات التصنيع ومحركات التكلفة
التحكّم في الحتّ (Etching)
عند 6 oz أو أكثر، يجب إزالة كمية كبيرة من النحاس كيميائيًا. قد يؤدي الحتّ غير المتجانس إلى جدران مائلة أو حواف متآكلة. للتعامل مع ذلك، يضبط المصنعون زمن الحتّ، والكيمياء، وتعويض العرض في الأفلام.
سماكة الطلاء وتجانسه
يتطلب النحاس السميك زمن طلاء أطول. التحدّي هو الحفاظ على توزيع نحاس متجانس عبر الألواح الكبيرة. عدم التجانس يسبب تفاوت السماكة بين المسارات الدقيقة والسطوح الكبيرة.
الحفر والمحاذاة
الحفر خلال النحاس السميك يولّد حرارة وتآكل أدوات أكبر. لذا تُستخدم لقم خاصة ومعدّلات تغذية مضبوطة للحصول على ثقوب نظيفة وتسجيل دقيق.
التكلفة ومدة التوريد
بسبب زمن العمليات الإضافي — خصوصًا الطلاء والحتّ — تكون لوحات النحاس السميك أعلى كلفة وقد تتطلب مدة أطول للتصنيع. العوامل المؤثرة تشمل:
- وزن النحاس في كل طبقة.
- سماكة اللوحة وعدد الطبقات.
- حدّيات عرض/تباعد المسارات.
- نوع الإنهاء السطحي وخطوات الاختبار المطلوبة.
نافذة القدرات (Capability Window)
يستطيع مصنع عالي الجودة مثل Fast Turn PCBs عادةً إنتاج:
- حتى 15 oz للطبقات الخارجية.
- وحتى 12 oz للطبقات الداخلية.
- حدّيات عرض/تباعد بنحو 8–10 mil عند 4 oz، وتباعدات أكبر للأوزان الأعلى.
- سماكة لوحة من 0.6 مم إلى 6 مم.
- إنهاءات شائعة: ENIG، ENEPIG، HASL-LF، OSP، الفضة الغاطسة.
هذه المعايير تحدّد الحدود العملية للتصنيع الموثوق.
تطبيقات واقعية
توجد لوحات النحاس السميك في كل مجال تقريبًا حيث يشكّل التيار والحرارة تحدّيًا رئيسيًا:
إلكترونيات القدرة
المحوّلات، منظِّمات الجهد، والعاكسات تستخدم طبقات 3–10 oz لنقل عشرات الأمبيرات بكفاءة، مع تقليل الفواقد والحرارة.
الأنظمة السيارة
المركبات الكهربائية، إضاءة LED، ومتحكّمات المحركات تتطلب اعتمادية عالية تحت الاهتزاز وتغيرات الحرارة. يمنحها النحاس الثقيل الصلابة اللازمة للتشغيل طويل الأمد.
التجهيزات الصناعية
مشغّلات المحركات، مزوّدات القدرة، والمستشعرات تستفيد من توزيع التيار الأفضل والأداء الحراري المحسّن.
الطاقة المتجددة والدفاع
عاكسات الطاقة الشمسية، أنظمة التخزين، وحدات الرادار، ومضخّمات القدرة قد تستخدم 10 oz أو أكثر للتعامل مع الأحمال المستمرة والظروف القاسية.
الإنهاءات السطحية والاعتمادية
يحمي الإنهاء السطحي النحاس من الأكسدة ويضمن لحامًا موثوقًا. في لوحات النحاس السميك، يكون الاختيار أدق بسبب حجم النحاس الكبير وإمكانية عدم تجانس السطح.
أكثر الإنهاءات شيوعًا:
- ENIG (نيكل غير كهربائي/ذهب غاطس): سطح ناعم ومستوٍ، مناسب للمسافة الدقيقة وعمر تخزيني أطول.
- ENEPIG: إضافة البلاديوم لتحسين ربط الأسلاك ومقاومة التآكل.
- HASL الخالي من الرصاص: اقتصادي ومتين لكنه أقل استواءً لحزم SMD الكثيفة.
- OSP: اقتصادي وصديق للبيئة للدفعات القصيرة.
- الفضة الغاطسة: موصلية جيدة وقابلية لحام ممتازة لدوائر القدرة.
اختَر ما يوازن قابلية اللحام والمتانة والكلفة وفق التطبيق النهائي.
الأسئلة الشائعة: أساسيات لوحات النحاس السميك
ما سماكة “نحاس 1 oz”؟
هي أونصة لكل قدم مربعة، وسماكتها ≈ 35 µm (≈ 1.37 mil).
ما الفرق بين “النحاس الثقيل” و“الثقيل جدًا”؟
- النحاس الثقيل: نحو 3–6 oz لكل طبقة.
- النحاس الثقيل جدًا: 8–20 oz أو أكثر للتطبيقات القصوى في التيار والحرارة.
هل يمكن تحقيق معاوقة مضبوطة على لوحة نحاس سميك؟
نعم، لكن ستحتاج إلى عازل أكثر سماكة ومسارات أوسع لتحقيق القيم المستهدفة، مع ضبط أشد للتسامحات وبالتعاون المبكر مع المورِّد.
هل يمكن خلط أوزان نحاس مختلفة في اللوحة نفسها؟
نعم. كثير من التكديسات تجمع طبقات إشارات قياسية (1–2 oz) مع طبقات قدرة ثقيلة (6–12 oz). لكن المزج يزيد تعقيد اللمّ والتكلفة.
ما الحدّ العملي الأقصى للسماكة؟
بشكل شائع، يمكن تصنيع حتى 15 oz للطبقات الخارجية و12 oz للداخلية. ما بعد ذلك يصبح التحكّم الصناعي والكلفة تحدّيًا كبيرًا.
الخلاصة
توفر لوحات النحاس السميك طريقة مثبتة لزيادة سعة التيار، وتحسين الأداء الحراري، ورفع الاعتمادية في الإلكترونيات الحديثة. فهي تمكّن تصاميم قدرة مدمجة دون التضحية بالمتانة.
من خلال فهم العلاقة بين وزن النحاس، وعرض المسار، وتكديس الطبقات، يمكنك تصميم لوحات تؤدي بشكل أفضل وتعيش أطول في البيئات الصعبة.
إذا كنت تحتاج لوحات نحاس سميك لمشروعك القادم عالي الاستطاعة، فإن Fast Turn PCBs تقدّم تصنيعًا متقدمًا حتى 15 oz، وأزمنة تسليم سريعة، وجودة ثابتة.
تواصل معنا للحصول على عرض فوري ومناقشة متطلبات تصميمك.
