عند تشغيل خط تركيب المكونات السطحية (SMT) بآلاف عمليات الوضع في الساعة، تصبح الدقة أمراً حاسماً. حتى أكثر ماكينات الالتقاط والوضع تقدماً تحتاج إلى مرجعٍ بصري لمعرفة الموضع الدقيق للوحة.
هنا يأتي دور علامات الـFiducial—نقاط نحاسية صغيرة على سطح اللوحة—تساعد الماكينات على محاذاة المكونات بدقة، وتمنع الأخطاء المكلفة وإعادة العمل.
يشرح هذا الدليل ماهية علامات الـFiducial في الـPCB، ولماذا هي مهمة، ومتى نستخدم العلامات العالمية مقابل العلامات المحلية، وكيفية ضبط الحجم والموضع والصيانة للحصول على نتائج تركيب مثالية. كما نستعرض ارتباط هذه العلامات بعمليات حفر النحاس (PCB etching) وفتحات قناع اللحام واختبارات اللوحة لتحسين العائد والموثوقية.
ما هي علامة Fiducial على لوحة PCB ولماذا تهم؟
علامة الـFiducial هي دائرة صغيرة من النحاس المكشوف (وأحياناً مربعة أو ماسية الشكل) توضع على سطح اللوحة لتعمل كمرجع بصري لأنظمة الرؤية المؤتمتة.
تستخدم كاميرات ماكينات الالتقاط والوضع، وطابعات معجون اللحام، وأنظمة الفحص البصري الآلي (AOI) هذه العلامات لتحديد إحداثيات X وY وزاوية الدوران θ للوحة قبل وضع المكونات.
بكلمات بسيطة، تُمكِّن العلامات الماكينة من “رؤية” اللوحة. من دونها، قد يؤدي انحراف قدره 0.1 مم فقط إلى انزياحٍ في المكونات الدقيقة—خصوصاً مع حزم BGA وQFN وQFP.
وعلى الرغم من تطور أنظمة معايرة الماكينات، فإن علامات الـFiducial لا تزال ضرورية لتعويض تمدد اللوحة أو انكماشها أو دورانها الناتج عن الحرارة أو عمليات التصفيح. إنها من أبسط وأقل عناصر التصميم تكلفةً، لكنها ترفع دقة التجميع بشكلٍ كبير.
العلامات العالمية مقابل العلامات المحلية
ليست كل علامات الـFiducial لخدمة الغرض نفسه. يستخدم المصممون نوعين غالباً:
العلامات العالمية (Global Fiducials)
- تُعرِّف اتجاه اللوحة أو لوح التجميع (Panel) بالكامل.
- توضع عادةً قرب ثلاثة أركان لتشكّل مثلثاً.
- تعتمد عليها الطابعات وماكينات الالتقاط والوضع لمعايرة اللوحة/اللوح.
- توجد غالباً على أشرطة المعالجة (Panel Rails) في حالة التجميع المتعدد للوحات.
العلامات المحلية (Local Fiducials)
- تُوضَع قريباً من المكونات الدقيقة مثل BGA أو QFP.
- تساعد الماكينة في محاذاة هذا المكوّن تحديداً بالنسبة إلى أقدامه.
- حاسمة عندما يقل تباعد الأرجل عن 0.5 مم أو تباعد البادات عن 0.25 مم.
متى نستخدم كليهما؟
كل لوحة تمر بعملية SMT يجب أن تحتوي على علامات عالمية. أما العلامات المحلية فموصى بها للمكوّنات الدقيقة أو الكبيرة. إذا كان التصميم يضم مكوّنات كبيرة فقط (مثل 0805 وSOT-23)، فعادةً تكفي العلامات العالمية وحدها.
شكل علامة الـFiducial وحجمها وفتحة قناع اللحام
قد تبدو العلامات بسيطة، لكن هندستها تؤثر في دقة رؤية الماكينة:
- الشكل:
الدائرة الصلبة هي المعيار لأنها متناظرة ويسهل على الكاميرات اكتشافها. يمكن استخدام مربع/معين عند الضرورة، لكن الثبات مهم—استخدم النمط نفسه عبر اللوحة. - قطر النحاس:
النطاق الشائع بين 1.0–3.0 مم (0.040"–0.120").
يوصي كثير من المصنّعين بقطر 1.5 مم تقريباً (≈0.060") لسهولة الرؤية. - فتحة قناع اللحام (Solder Mask Clearance):
يجب أن تبقى العلامة نحاساً مكشوفاً بالكامل—من دون أي قناع لحام. تكون فتحة القناع عادة 2× إلى 3× قطر النحاس (مثلاً: وسادة 1 مم مع فتحة 2–3 مم) لخلق تباين واضح مع القناع المحيط. - النهايات السطحية:
يمكن استخدام ENIG أو HASL أو OSP، شرط أن تبقى المنطقة نظيفة وواضحة لالتقاط الكاميرا.
المبدأ الذهبي: التوحيد. استخدم القطر ونسبة الفتحة نفسيهما لجميع العلامات في اللوحة الواحدة.
قواعد الموضع وأفضل الممارسات
ضع العلامات بحيث تكون مرئية بوضوح وتؤمّن قراءة دقيقة للاتجاه.
العدد والنمط
- استخدم ثلاث علامات مرتبة في مثلث غير مصفوف للحصول على أفضل تصحيح للدوران والتحجيم.
- الحد الأدنى علامتان، لكن الثلاث توفر اعتمادية أعلى وتمكّن من تعويض تقوّس اللوحة.
الموضع
- ضع العلامات قرب الأركان المتقابلة (عادة أعلى اليسار، أسفل اليمين، وأسفل اليسار).
- اترك مسافة أمان من 3.5–5 مم عن حافة اللوحة لتجنب ظلّ الماسكات.
- حافظ على بعد لا يقل عن 6 مم عن مساحات النحاس الكبيرة أو طباعة السلك سكرين أو الثقوب.
الجهتان العلوية والسفلية
إذا كانت المكوّنات على الوجهين، فأدرج علامات على كل وجه.
تأكد من تعريفها بشكلٍ صحيح في بيانات التصميم وعدم عكسها عن طريق الخطأ.
العلامات على أشرطة المعالجة والتجميع المتعدد (Panel/Array)
من أجل الكفاءة، تُنتج عدة لوحات معاً في لوح واحد. هنا تتضاعف أهمية العلامات:
- ضع ثلاث علامات عالمية على أشرطة اللوح (Rails) خارج حدود كل لوحة مفردة. تحدد هذه العلامات نظام إحداثيات اللوح لطباعة المعجون ولآلات الالتقاط والوضع.
- يمكن لكل لوحة أيضاً أن تحوي علاماتها العالمية/المحلية كمرجعٍ ثانوي.
- حافظ على مسافة لا تقل عن 5 مم بين العلامات وخطوط V-cut أو نقاط Tab-routing لتجنب التلف أو سوء القراءة.
توحيد علامات اللوح يُسرّع التحميل والمعايرة، ويحسن الإنتاجية ويقلل زمن الإعداد.
الارتباط بمراحل تصنيع الـPCB الأخرى
علامات الـFiducial لا تعمل بمعزل. فهي تتقاطع تقريباً مع كل عملية—من حفر النحاس إلى الاختبار.
1) أثناء حفر النحاس (PCB Etching)
يجب أن تبقى قرص النحاس الخاص بالعلامة نظيفاً ومستوياً.
بقايا الحفر أو الحفر الزائد قد تُبهت الحواف وتُصعّب اكتشاف العلامة.
تأكد من عدم تسرب السلك سكرين أو قناع اللحام إلى منطقة النحاس.
تلعب النهايات السطحية دوراً أيضاً: ENIG وOSP تمنحان تبايناً أكثر سلاسةً للرؤية، بينما قد يسبب HASL غير المتجانس انعكاسات مزعجة.
2) أثناء طباعة معجون اللحام
تعتمد أنظمة محاذاة الاستنسل على علامات اللوح على الأشرطة كمرجعٍ أساسي.
غيابها أو سوء أبعادها يؤدي إلى انزياح المعجون ونقصه على البادات الدقيقة.
3) أثناء الالتقاط والوضع
تقرأ الكاميرا العلامات أولاً ثم تحسب إحداثيات اللوحة.
تحدد العلامات العالمية القاعدة، بينما تُدقّق العلامات المحلية موضع المكوّنات الحساسة.
حتى لطخة بسيطة أو أكسدة قد تُطلق إنذار “لم يتم العثور على Fiducial”.
4) أثناء إعادة اللحام والفحص
بعد اللحام، تساعد العلامات أنظمة AOI وSPI على محاذاة الإطار.
كما توفّر مرجعاً ثابتاً لفحوصات متكررة بين دفعات الإنتاج.
5) أثناء اختبارات اللوحة (PCB Board Testing)
في اختبار الدارة داخل اللوحة (ICT) أو المسبار الطائر، تساعد العلامات على محاذاة الجيج/الفيكستشر وضمان تلامس المسابر بدقة.
وفي الاختبارات الوظيفية، تسمح بموضعةٍ بصرية/ميكانيكية متكررة للعديد من اللوحات داخل الجيج.
توصيات خاصة بأنواع المكوّنات
حزم BGA والمكوّنات الدقيقة
- ضع دائماً علامتين محليتين قطرياً قرب ركني المكوّن.
- اترك مسافة لا تقل عن 5 مم عن البادات والمسارات.
- استخدم الحجم ونسبة الفتحة نفسيهما مثل العلامات العالمية لضمان الاتساق.
اللوحات الكبيرة أو الطويلة
- فكّر بإضافة علامات عالمية إضافية قرب الوسط لتعويض الانحناء المحتمل.
- الألواح الطويلة (شرائط LED أو Backplanes) تستفيد من علامات كل 100–150 مم لإعادة معايرة الكاميرا.
التصاميم منخفضة الكثافة
- إذا كانت المكوّنات كبيرة فقط (1206، SOIC…)، وكان اللوح صلباً ومُعرّفاً جيداً، فقد تكفي العلامات العالمية وحدها.
مع ذلك، الإبقاء على العلامات يزيد مرونة الانتقال بين خطوط تجميع مختلفة.
أخطاء شائعة يجب تجنبها
- مغطاة بقناع اللحام: اترك العلامة نحاسية مكشوفة دائماً.
- صغيرة جداً أو كبيرة جداً: التزم بنطاق 1–3 مم.
- قريبة من الحافة أو خط V-cut: احفظ ≥5 مم كمسافة أمان.
- تداخل مع السلك سكرين: تجنّب الطباعة فوق العلامة.
- أحجام/أشكال غير متسقة: الاتساق يبسط المعايرة.
- علامة واحدة فقط على اللوحة: الحد الأدنى علامتان، والأفضل ثلاث.
- غياب العلامات عن الوجه الآخر: إذا وُجدت مكونات على الوجهين، فأدرِج علامات على كليهما.
فحص قواعد التصميم (DRC) قبل توليد ملفات Gerber يلتقط معظم هذه الأخطاء بسهولة.
تطبيق العلامات داخل أداة الـEDA
الأمر بسيط في أدوات مثل Altium Designer وKiCad وEagle:
- أنشئ باد نحاسية (غير مطلية) على الوجه العلوي أو السفلي.
- عطّل قناع اللحام لهذه الباد لكشف النحاس.
- حدد القطر (مثلاً 1.5 مم) والفراغ (مثلاً 3 مم).
- في Altium استخدم مكوّن Fiducial من مكتبة الـPCB.
- ضمّن العلامات في Gerber/ODB++ وملفات Pick-and-Place.
- للمجميع ثنائي الوجه، ميّز علامات الأعلى والأسفل في ملاحظات التصنيع.
إضافة صغيرة تُحدث فرقاً كبيراً في عائد التجميع ودقة الفحص.
الأسئلة الشائعة
س: كم عدد علامات الـFiducial المطلوبة؟
ج: علامتان حدٌّ أدنى؛ ثلاث علامات موصى بها لتصحيح الاتجاه وتقوّس اللوحة.
س: ما الحجم المناسب؟
ج: قطر النحاس عادة 1–3 مم (المفضّل 1.5 مم)، مع فتحة قناع لحام 2–3× القطر.
س: هل يمكن وضع العلامات تحت المكونات؟
ج: غير مُستحسن. يجب أن تبقى مرئية خلال جميع مراحل التجميع.
الخلاصة
علامات الـFiducial هي الأبطال المجهولون في تصنيع لوحات الدوائر—تفاصيل صغيرة تمكّن التصنيع عالي الدقة على نطاق واسع.
صمّمها بالطريقة الصحيحة، وستعبر لوحاتك جميع المراحل بسلاسة—من طباعة المعجون إلى الاختبار النهائي.
