الأساس الحقيقي للوحة الدارة المطبوعة هو المادة القاعدية—الطبقة التي تحمل النحاس وتحدد الأداء الكهربائي والحراري والميكانيكي. فهم مواد الـPCB يساعدك على اتخاذ القرار الصحيح لسرعة الإشارة وتبديد الحرارة والموثوقية.
مما تُصنع لوحات الـPCB؟
كل لوحة PCB تتكوّن من أجزاء رئيسية:
- رقائق النحاس: الطبقة الموصلة التي تنقل الإشارات الكهربائية.
- المادة القاعدية (النواة/اللامينات): طبقة عازلة تحمل النحاس وتحدد معظم خصائص اللوحة الفيزيائية.
- قناع اللحام: الطلاء (غالباً أخضر) الذي يحمي النحاس.
- الكتابة الحريرية: النصوص والعلامات المطبوعة على السطح.
من بين هذه الأجزاء، تُعد المادة القاعدية الأهم لأنها تحدد سلوك اللوحة تحت تأثير الحرارة والإجهاد الكهربائي والانحناء الميكانيكي.
عائلات مواد الـPCB الشائعة
FR-4 (قماش ألياف زجاجية مع راتنج إيبوكسي)
المادة القياسية لمعظم اللوحات. تتكوّن من قماش ألياف زجاجية مشبّع براتنج إيبوكسي.
- خواص نموذجية: Dk≈3.8–4.8، Df≈0.009–0.02، Tg≈°C 130–180.
- المزايا: منخفضة الكلفة، سهلة المعالجة، قوية ميكانيكياً، ومتوفرة على نطاق واسع.
- القيود: ازدياد الفاقد عند الترددات العالية جداً؛ نسيج الزجاج قد يسبب تبايناً في المعاوقة بالتصاميم عالية السرعة.
- التطبيقات: إلكترونيات المستهلك، التحكم الصناعي، وحدات السيارات.
تتوفر إصدارات Tg مرتفع مناسبة لللحام الخالي من الرصاص وموثوقية أعلى حرارياً.
لوحات السيراميك (AlN / Al₂O₃)
مواد مثل نيتريد الألمنيوم AlN وأكسيد الألمنيوم Al₂O₃ تُستخدم عندما تتجاوز متطلبات الأداء الحراري أو الكهربائي حدود FR-4.
- الميزات الأساسية: موصلية حرارية عالية (خصوصاً AlN)، فاقد عازل منخفض، واستقرار أبعادي ممتاز.
- المزايا: مثالية للدوائر عالية القدرة أو عالية التردد؛ تتحمل درجات حرارة قاسية.
- القيود: أعلى كلفة وأصعب تصنيعاً من اللامينات القياسية.
- التطبيقات: وحدات القدرة، المراحل الأمامية RF، إضاءة السيارات، أنظمة الليزر.
غالباً تُستخدم تقنيات التحام النحاس المباشر (DCB) أو النحاس المترسّب مباشرة (DPC) لربط النحاس بالسيراميك وتقليل المقاومة الحرارية.
الألمنيوم/اللبّ المعدني (IMS/MCPCB)
لوحات ذات لبّ معدني مع طبقة عازلة رقيقة ملتصقة بقاعدة معدنية (عادة الألمنيوم)، لتشكيل مسار حراري مباشر من المكوّن إلى المعدن.
- البنية: نحاس + عازل رقيق (0.1–0.3 مم) + قاعدة ألمنيوم.
- المزايا: نشر حراري ممتاز وقوة ميكانيكية جيدة.
- القيود: غالباً تقتصر على طبقة واحدة أو طبقتين؛ غير مناسبة للطبقات المتعددة المعقّدة أو كثافة التوصيل العالية.
- التطبيقات: إضاءة LED، مزوّدات الطاقة، مشغلات المحركات، إلكترونيات السيارات.
حل اقتصادي عندما تكون أولوية التصميم هي تبديد الحرارة دون الحاجة إلى توصيل طبقات عديدة.
مواد متخصصة أخرى
- لامينات PTFE (تفلون): لتطبيقات RF/الميكروويف/المليمترية ذات الفاقد شديد الانخفاض. أداء ممتاز بترددات عالية لكنه مرتفع الكلفة وصعب المعالجة.
- البولي إيميد (PI): للدوائر المرنة والصلبة-المرنة؛ يتحمّل الحرارة ويوفّر مرونة ميكانيكية جيدة.
فهم الخواص الرئيسية للمواد
- Tg (درجة الانتقال الزجاجي): درجة تحوّل الراتنج من صلب إلى مطاطي. المواد ذات Tg>°C 170 تتحمّل درجات لحام مرتفعة ودورات حرارية متكررة.
- Dk (ثابت العزل): يحدد سرعة انتشار الإشارة والمعاوقة؛ القيم الأقل تقلّل التأخير والفاقد.
- Df (عامل الفقد): يقيس الفاقد العازل؛ كلما كان أقل كانت التوهينات أقل، مهم للدوائر عالية التردد.
- CTE (معامل التمدد الحراري): مقدار تمدد المادة مع الحرارة؛ التطابق مع النحاس والمكوّنات يقلّل إجهاد لحامات BGA.
- الموصلية الحرارية: قدرة المادة على نقل الحرارة؛ أساسية لتطبيقات القدرة والإضاءة.
سماكة النحاس وتطبيقاتها
سماكة النحاس تؤثر في تيار التحميل والمعاوقة والتبريد.
التحويل:
0.5 أونصة/قدم² ≈ 17.5 ميكرومتر
1 أونصة/قدم² ≈ 35 ميكرومتر
2 أونصة/قدم² ≈ 70 ميكرومتر
3 أونصات/قدم² ≈ 105 ميكرومتر
إرشادات عامة:
- طبقات الإشارات والسرعات العالية: 0.5–1 أونصة لسهولة التحكم والخصائص الدقيقة.
- طبقات القدرة والأرضي: 1–2 أونصة لخفض المقاومة وثبات الجهد.
- النحاس السميك (>3 أونصات): لتيارات عالية أو تبديد قدرة كبير.
تذكّر أن زيادة السماكة تحسّن التبريد لكنها تصعّب الحفر والنقش وتؤثر على المسافات الدنيا.
خلاصة مقارنة المواد
- FR-4: موصلية حرارية منخفضة (~0.3 W/m·K)، فاقد متوسط، تطابق CTE متوسط، كلفة منخفضة، قدرة ممتازة على التعدد الطبقي؛ تطبيقات: إلكترونيات عامة.
- سيراميك Al₂O₃: موصلية حرارية متوسطة (20–30)، فاقد منخفض، تطابق CTE ممتاز، كلفة متوسطة، تعدد طبقات محدود؛ تطبيقات: RF وأجهزة الاستشعار.
- سيراميك AlN: موصلية حرارية عالية جداً (150–200)، فاقد منخفض جداً، تطابق CTE ممتاز، كلفة مرتفعة، تعدد طبقات محدود؛ تطبيقات: القدرة، RF، الليزر.
- الألمنيوم IMS: مسار حراري معتدل عبر العازل + قاعدة معدنية، فاقد متوسط، تطابق CTE مقبول، كلفة منخفضة-متوسطة، تعدد طبقات محدود؛ تطبيقات: LED وتغذية الطاقة.
أمثلة تكديس واستخدامات
- FR-4 متعدد الطبقات: 4–8 طبقات مع نحاس 0.5–1 أونصة، وضبط سماكة العازل لمواءمة المعاوقة.
- وحدات قدرة/LED (IMS): طبقة واحدة مع قاعدة ألمنيوم لمسار حراري سريع.
- تصاميم حرارية عالية (سيراميك): ألواح AlN أو Al₂O₃ مع التحام نحاس مباشر لوحدات القدرة والترددات العالية.
كل بنية توازن بين الأداء الكهربائي وإدارة الحرارة والكلفة.
أسئلة شائعة
س1: مما تُصنع لوحات الـPCB؟
من رقائق نحاس مثبتة على قاعدة عازلة مثل FR-4 أو السيراميك أو الألمنيوم، إضافةً إلى قناع لحام وكتابة حريرية.
س2: ما الفرق بين لوحة سيراميك ولوحة ألمنيوم؟
السيراميك—خصوصاً AlN—بموصلية حرارية أعلى وفاقد أقل، مناسب لـRF والقدرات العالية. الألمنيوم أرخص وأسهل تصنيعاً، مناسب لإضاءة LED ومزوّدات الطاقة.
س3: كيف أختار سماكة النحاس؟
اختر 0.5–1 أونصة لطبقات الإشارة، و2 أونصة أو أكثر لطبقات القدرة والتبريد. راعِ عرض المسار وعدد الفتحات والتيار الكلي.
الخلاصة
اختيار مادة لوحة الـPCB يتوقف على ثلاثة عوامل: أداء الإشارة، إدارة الحرارة، وقابلية التصنيع.
- للتطبيقات العامة، تبقى FR-4 الخيار الأكثر توازناً.
- للتصاميم عالية القدرة أو الحرارة، تقدّم السيراميك أو الألمنيوم (IMS) أداءً حرارياً متفوقاً.
- طابق دائماً خصائص المادة—Tg، Dk/Df، CTE، والموصلية الحرارية—مع متطلبات تطبيقك.
بفهم هذه الأساسيات ستبني لوحات موثوقة ومحسّنة للأداء والكلفة والمتانة على المدى الطويل.
