في تصنيع الدوائر المطبوعة متعددة الطبقات (Multilayer PCB board) يُعد تكديس الطبقات (Stack-Up) من أهم العوامل التي تؤثر في الأداء والتكلفة والموثوقية.
تكديس النوع الثالث (Type 3) هو التكوين الأكثر أساسية، وهو أساس معظم عمليات تصنيع الـ PCB الحديثة.
تستعرض هذه المقالة كيفية بناء لوحات Multilayer PCB board من النوع الثالث، والمواد المستخدمة، وثلاث طرق رئيسية للتصفيح: طبقات خارجية من رقائق النحاس، وطبقات خارجية من ألواح مكسوّة بالنحاس (Core-based)، وتكديس بعدد فردي من الطبقات، مع شرح منطق التصميم والمزايا والعيوب.
ما هو تكديس طبقات الـ PCB؟
التكديس هو ترتيب طبقات رقائق النحاس والعوازل والـ Core طبقة فوق أخرى لتكوين لوحة Multilayer PCB board.
وهو يحدّد الأداء الكهربائي (الممانعة، سلامة الإشارة) والاستقرار الميكانيكي (الالتواء، قوة الالتصاق) للوحة النهائية.
في تركيبة النوع الثالث تُستخدم ثلاث مواد أساسية:
- لوح مكسوّ بالنحاس (Core): لوح ألياف زجاجية/إيبوكسي في مرحلة المعالجة الكاملة (C-Stage) مكسوّ بالنحاس من الجانبين، يُستخدم للطبقات الداخلية.
- الـ Prepreg: صفائح راتنجية في مرحلة المعالجة الجزئية (B-Stage) تُلصق الطبقات ببعضها وتمتلئ بها الفراغات بين آثار النحاس.
- رقائق النحاس (Copper Foil): لتشكيل دوائر الطبقات الخارجية والبادّات ومستويات التأريض.
وبحسب IPC-2221 و IPC-2222 يجب على المصممين تحديد نظام الراتنج، ونوع قماش الألياف الزجاجية، وتحمّل سماكة العازل في وثائق التصميم لضمان المطابقة الميكانيكية والكهربائية.
تكديس النوع الثالث بطبقات خارجية من رقائق النحاس — التصميم السائد
أشيع تكوين للنوع الثالث يستخدم رقائق النحاس كطبقات خارجية.
تُصفَّح عدة أنوية داخلية (تم تصوير دوائرها ونقشها مسبقاً) مع ورقتين من رقائق النحاس وطبقات من الـ Prepreg.
مثال نموذجي: لوحة ذات ثماني طبقات
تتكوّن لوحة Multilayer PCB board ذات 8 طبقات عادة من:
- ثلاثة ألواح Core داخلية (دوائرها منقوشة مسبقاً)،
- ورقتين من رقائق النحاس للأعلى والأسفل،
- طبقات Prepreg بين كل Core وآخر.
ترقيم الطبقات من L1 (الأعلى) إلى L8 (الأسفل):
- L2 و L4 و L5 و L7 طبقات إشارات،
- L3 و L6 طبقات طاقة/أرضي،
- L1 و L8 طبقات خارجية تحتوي البادّات وفتحات التوزيع.
عند استخدام نحاس سميك (2 أونصة فأكثر) لطبقات الإشارة، ينبغي وضع Prepreg عالي المحتوى الراتنجي ملاصقاً لتلك الطبقات لضمان الامتلاء الكامل وتجنّب الفقاعات أثناء التصفيح.
المزايا
- تكلفة مادية منخفضة: رقائق النحاس وPrepreg أرخص من ألواح Core الإضافية.
- استهلاك كيميائيات أقل: فوتورزيست ومحلول نقش أقل.
- تكلفة عمالة أقل: خطوات تمهيد وتصوير أقل.
- مردود عالٍ: عملية ناضجة وبسيطة التحكم.
ولهذا يُعد هذا التكديس الأكثر اقتصادية والأوسع استخداماً في الإنتاج الكمي.
تكديس النوع الثالث بطبقات خارجية من ألواح Core — للاحتياجات الدقيقة
تكوين آخر للنوع الثالث يستخدم ألواحاً مكسوّة بالنحاس كطبقات خارجية بدلاً من الرقائق.
المبدأ العام مشابه، لكن يختلف ترتيب التصفيح والتصوير.
الخصائص البنيوية
لنفس لوحة الـ 8 طبقات:
- يُستخدم أربعة ألواح Core بدلاً من ثلاثة،
- الطبقات الخارجية لا تستخدم رقائق نحاس أو Prepreg كطبقة تغطية خارجية،
- يُصوَّر ويُنقش وجه واحد من كل لوح خارجي قبل التصفيح بينما يبقى الوجه الآخر مكسوّاً بالنحاس،
- بعد التصفيح يُصوَّر الوجه الخارجي المتبقي لتشكيل الدوائر النهائية.
منطق التصميم
هذا التكديس يسمح بإقران L3 و L6 مع طبقات الإشارة لتحسين التحكم بسماكة العازل والممانعة، وهو أمر بالغ الأهمية في التطبيقات عالية التردد أو الجهد.
المزايا
- تحسين استواء السطح: يقلّل ظهور نسيج الألياف (Print-Through) على الآثار الخارجية مع النحاس السميك.
- تحكم أفضل بالعازل: سماكة ألواح Core في مرحلة C-Stage أدق تحمّلاً من طبقات Prepreg.
- تدفق عملية محسّن: مناسب عند استخدام ألواح رقيقة جداً أو عند الحاجة إلى تماثل دقيق.
العيوب
- مردود أقل: تتطلب الأسطح النحاسية الخارجية حماية متكررة خلال النقش وإزالة القناع والمعالجة البنية، ما يزيد خطر الخدش.
- تكلفة مواد وعمالة أعلى: ألواح إضافية وخطوات معالجة أكثر.
- عملية تصنيع أعقد: تحتاج ضبطاً أدق للعمليات.
لذلك يُستخدم هذا التكديس غالباً في لوحات Multilayer PCB board عالية المواصفات حيث تتقدم الاستواء ودقة الممانعة على عامل الكلفة.
تكديس بعدد فردي من الطبقات — حالة خاصة للمسافات العازلة
عند الحاجة إلى مسافات عازلة أكبر أو إلى عدد فردي من الطبقات، يمكن اعتماد تكديس فردي باستخدام لوح مكسوّ بالنحاس من جهة واحدة كطبقة خارجية.
تحضير المواد
- الألواح أحادية الوجه متوفرة، لكن قوة التصاق الوجه غير النحاسي ضعيفة؛ لذا يلزم خشـن السطح أو معالجات كيميائية خاصة.
- بدلاً من ذلك يمكن نقش جانب واحد من لوح مزدوج الوجه لترك بنية “أسنان” نحاسية محسّنة للالتصاق أثناء التصفيح.
اعتبارات هندسية
- يتيح تصاميم بعدد فردي من الطبقات،
- يوفّر مرونة في ضبط سماكات العوازل لمتطلبات الإشارة/الممانعة،
- لكن يجب الحفاظ على الاتزان الميكانيكي لتجنّب الالتواء.
تقنيات الاتزان
استخدام سماكات Core متناظرة وتوزيع عازل متوازن يحقق الاستقرار البنيوي.
وفي تصنيع Multilayer PCB board—خصوصاً للوحات الكبيرة أو الرقيقة—يُعد تماثل التكديس عاملاً أساسياً في العائد والموثوقية.
التكديس وسلامة الإشارة (SI)
بغضّ النظر عن طريقة التصفيح، تعتمد سلامة الإشارة بشكل كبير على التكديس.
فالمسافة وثابت العزل وترتيب طبقات الإشارة والأرضي يحدد مباشرة الممانعة والتداخل والضوضاء الكهرومغناطيسية.
تكديس مُصمَّم جيداً من النوع الثالث:
- يقلّل التداخل بين المسارات،
- يوفّر مسارات عودة مستقرة،
- يضمن ممانعة متسقة عبر الطبقات،
- ويحسن التوافق الكهرومغناطيسي الشامل.
أي أن تصميم التكديس هو الخطوة الأولى في تخطيط سلامة الإشارة، وليس إجراءً تصحيحياً بعد الانتهاء من التوجيه.
الخلاصة — موازنة الكلفة والموثوقية والأداء
يبقى تكديس Multilayer PCB board من النوع الثالث عمود الصناعة الفقري.
وباختيار الأسلوب المناسب للطبقات الخارجية—رقائق نحاس أو ألواح Core أو تكديس فردي—يمكن للمهندسين موازنة الكلفة والموثوقية والأداء وفقاً لاحتياجات المشروع.
مقارنة سريعة:
- رقائق نحاس خارجية: كلفة منخفضة، مردود عالٍ، تحكم متوسط بالممانعة — مناسب للوحات العامة والإنتاج الكمي.
- ألواح Core خارجية: استواء ممتاز ودقة ممانعة عالية، لكن بكلفة وعملية أعقد — مناسب للترددات العالية والاعتمادية العالية.
- تكديس فردي: يحقق متطلبات خاصة للمسافات العازلة، لكن التحكم بالالتواء أصعب — مناسب للتصاميم المخصصة أو التجريبية.
أفكار أخيرة
تكديس الـ PCB ليس مجرد “تراصّ مواد”؛ بل هو فلسفة تصميم تحدّد الأداء الكهربائي والمتانة الميكانيكية معاً.
إن إتقان مبادئ بنية Multilayer PCB board من النوع الثالث ضروري لفهم تقنيات الـ HDI والموصلية المتقدمة في الجيل التالي.
