على اللوحة المطبوعة (PCB)، تُسمّى الخطوط النحاسية الرقيقة الممتدة عليها مسارات (Traces).
كل مسار ينقل الإشارات أو القدرة بين المكوّنات، وتصميمه يؤثر مباشرة في أداء الدارة.
يشرح هذا الدليل ما هي مسارات الـPCB، وكيف تختار عرضها بشكل صحيح، وكيف تساعدك معايير IPC-2152، وما الذي تقدّمه لك أدوات مثل حاسبة عرض المسار و.
ما هي مسارات الـPCB؟
مسار الـPCB هو مسار نحاسي مسطّح وضيّق على اللوحة.
يصل بين المكوّنات ويسمح بمرور التيار كالسلك، ولكن بشكل مطبوع ومضغوط.
لكل مسار خصائص أساسية:
- العرض: مدى اتساع خط النحاس.
- المسافة: الفاصل بين المسارات المتجاورة.
- سماكة النحاس: سُمك طبقة النحاس (عادة بالأونصة/قدم²).
- الطول: كلما زاد الطول زادت المقاومة والهبوط في الجهد.
- المعاوقة (Impedance): في الدوائر عالية السرعة تحدد كيفية انتقال الإشارة.
يمكن أن تكون المسارات على الطبقات الخارجية (تعرض أفضل للهواء وتبريد أسهل) أو الطبقات الداخلية (مدفونة داخل العازل).
ولأن الطبقات الداخلية تحتفظ بالحرارة أكثر، فإن قدرتها على حمل التيار أقل عند نفس العرض.
ما الذي يحدد عرض مسار الـPCB؟
1) التيار وارتفاع الحرارة
العامل الأهم هو التيار الذي سيمر في المسار ومقدار ارتفاع الحرارة المسموح.
إذا ارتفعت حرارة المسار كثيرًا زادت مقاومته وقد تتضرر اللوحة.
تبريد الطبقات الخارجية أفضل بفعل الهواء، بينما تحتاج الطبقات الداخلية إلى مسارات أعرض لنفس التيار.
2) سماكة النحاس
السماكة الشائعة هي 1 oz/ft² (≈ 35 µm).
النحاس الأسمك مثل 2 oz أو 3 oz يسمح بمسارات أضيق لنفس التيار، لكنه أعلى كلفة وقد يقيّد التراص الدقيق.
3) طول المسار والهبوط في الجهد
كلما طال المسار زادت مقاومته، ما يسبب هبوطًا في الجهد وفقدانًا في القدرة، خصوصًا في خطوط التغذية أو الشبكات الأرضية.
عندما يكون هبوط الجهد مهمًا اختر مسارًا أعرض أو عدّة مسارات على التوازي.
4) البيئة والتبريد
التغليف والـSolder Mask وتدفق الهواء تؤثر في تبديد الحرارة.
المسارات المغطّاة أو الداخلية تحتفظ بحرارة أكبر، لذا زِد العرض أو خفّض كثافة التيار.
5) حدود التصنيع
لكل مصنع حدود دنيا لعرض/مسافة المسارات.
المستوى القياسي يسمح بـ 4–6 mil، وفي لوحات HDI يمكن النزول إلى 2 mil أو أقل.
تحقّق من قدرات المورّد قبل تثبيت قواعد التخطيط.
IPC-2221 مقابل IPC-2152: أيهما أستخدم؟
كلا المعيارين يحددان كيفية حساب عرض المسار، لكن بطريقة مختلفة.
IPC-2221 (قديمة)
معادلات تجريبية قديمة تعطي تقديرًا تقريبيًا، وغالبًا لا تعكس المواد الحديثة أو ظروف الطبقات الداخلية.
IPC-2152 (محدّثة ومبنية على اختبارات)
يعتمد على اختبارات حرارية فعلية ويغطي متغيرات أكثر مثل موضع الطبقة وسماكة النحاس والبيئة.
إنه أدق وأكثر تحفظًا ويُنصح به للتصاميم الجديدة.
كيفية استخدام حاسبة عرض المسار
تجعل الحاسبات عبر الإنترنت المهمة سهلة وسريعة.
تعتمد على معادلات IPC-2221 أو IPC-2152 لتقدير العرض المطلوب لتيار وارتفاع حرارة محددين.
مدخلات شائعة:
- التيار (A)
- ارتفاع الحرارة (°C)
- سماكة النحاس (oz أو µm)
- نوع الطبقة (داخلية/خارجية)
مثال: لحمل 2 A على طبقة خارجية بنحاس 1 oz وارتفاع 10 °C قد تقترح الحاسبة عرضًا يقارب 20 mil (0.5 mm).
أما على طبقة داخلية فقد تحتاج نحو 40 mil.
المسارات عالية السرعة والتحكم في المعاوقة
في الدوائر الرقمية أو RF لا يتعلق عرض المسار بالتيار فقط، بل يؤثر أيضًا في المعاوقة.
عند ترددات مئات MHz أو عدة GHz يتصرف المسار كخط نقل.
Microstrip وStripline
- Microstrip: مسار على طبقة خارجية فوقه هواء وتحته مستوى أرضي.
- Stripline: مسار مدفون بين مستويين مرجعيين داخل اللوحة.
تعتمد المعاوقة على:
- عرض المسار
- سماكة العازل
- ثابت العزل (Dk) للمادة
- سماكة النحاس وخشونته
الهدف المعتاد: 50 Ω مفرد أو 100 Ω تفاضلي لمعظم الحافلات (USB, HDMI, PCIe …).
نصائح عملية:
- حافظ على استمرارية المستوى المرجعي تحت المسارات عالية السرعة.
- استخدم زوايا 45° أو منحنية بدل 90°.
- تجنّب تغييرات الطبقات والـVias قدر الإمكان.
- طابق أطوال الأزواج التفاضلية وابقِ التباعد ثابتًا للحفاظ على المعاوقة.
المسارات عالية التيار وتوزيع القدرة (PDN)
تنقل خطوط القدرة والأرض تيارات كبيرة وقد تسخن سريعًا.
التصميم الجيد يبقيها قصيرة، عريضة، وموزعة بشكل متوازن.
قواعد أساسية:
- مسارات قصيرة ومباشرة—المسارات الطويلة/الضيقة تزيد هبوط الجهد.
- زيادة سماكة النحاس—2 oz أو 3 oz تضاعف سعة التيار تقريبًا.
- استخدم عدة Vias متوازية لمسار العود—تقلل المقاومة وتحسّن التبريد.
- أضف مساحات نحاسية/طبقات صلبة لنشر الحرارة.
- تجنّب الاختناقات عند تضييق الأرجل أو الزوايا الحادة.
هذه الخطوات ترفع الاعتمادية وتقلل خطر احتراق المسارات في مزوّدات القدرة ومحركات المحرّكات ودوائر LED.
EMC والتداخل (Crosstalk) وتأريض الإشارات
تبدأ مشاكل التوافق الكهرومغناطيسي غالبًا بتخطيط سيّئ للمسارات. اتبع القواعد التالية:
- اجعل مسار العودة قصيرًا ومباشرًا—يجب أن تسير الإشارة فوق مرجعها الأرضي دائمًا.
- افصل الخطوط الحساسة عن مصادر الضجيج مثل محوّلات الـSMPS أو الساعات.
- استخدم Guard Trace فقط عند فائدته ومع تأريض جيد.
- تجنّب مرور المسارات عالية السرعة فوق فواصل المستويات (Plane Splits).
حتى تغييرات هندسية صغيرة قد تقلل الضجيج وتحسن سلامة الإشارة.
أسئلة شائعة سريعة
س: لماذا تحتاج الطبقات الداخلية لمسارات أعرض من الخارجية؟
ج: لأنها لا تتخلّص من الحرارة بسهولة—تُحاط بمواد عازلة.
س: هل IPC-2152 أدق من IPC-2221؟
ج: نعم، لأنه مبني على اختبارات حرارية واقعية ويعطي نتائج أقرب للحقيقة.
س: كيف أقدّر عرض مسار لـ 5 A مع ارتفاع 10 °C؟
ج: على طبقة خارجية بنحاس 1 oz ستحتاج تقريبًا 60–70 mil. استخدم الحاسبة للقيمة الدقيقة.
خلاصة
تصميم مسارات الـPCB مزيج بين العلم والخبرة.
المسار الضيق قد يسخن، والواسع جدًا يهدر المساحة.
باتباع IPC-2152 والتحقق باستخدام حاسبة عرض المسار ستبني لوحات آمنة وفعّالة وجاهزة للإنتاج.
سواء كنت تخطّط لوحة عالية السرعة أو عالـية التيار، يبقى المبدأ ثابتًا:
التصميم الجيد للمسارات هو أساس الإلكترونيات الموثوقة وعالية الأداء.
