عند النظر إلى بطاقة رسوميات حديثة، يلفت انتباهك غالبًا المبدد الحراري الكبير أو الإضاءة. لكن البطل الحقيقي هو لوحة الدوائر المطبوعة الخاصة بالبطاقة (Graphics Card PCB). هذه اللوحة تحمل كل المكوّنات الأساسية، وتزوّدها بالطاقة، وتربطها ببعضها. في هذا المقال نشرح لماذا تكون لوحة بطاقة الرسوميات معقّدة، وكيف تؤثر قرارات التصميم في عدد الطبقات، وضبط الممانعة (Impedance)، وتجميع BGA، وتصميم التبريد على الأداء.
ما هي لوحة بطاقة الرسوميات (Graphics Card PCB)؟
لوحة الـ PCB في البطاقة تربط المعالج الرسومي (GPU) وذواكر الفيديو (GDDR) ودارات الطاقة والموصلات وكل الأجزاء الأخرى. هي ليست مجرد فيبر زجاجي مع مسارات نحاسية؛ بل منصة متعددة الطبقات عالية الكثافة لنقل البيانات بسرعة كبيرة وتوزيع طاقة دقيق. تخيّلها كشبكة طرق وكهرباء وأساسات في قطعة واحدة.
المناطق الوظيفية الرئيسية على لوحة بطاقة الرسوميات:
- منطقة الـ GPU (حزمة BGA): المعالج الرسومي مركّب عبر شبكة كرات لحام.
- منطقة الذاكرة (VRAM/GDDR): عادة تُرتَّب شرائح الذاكرة حول الـ GPU.
- منطقة تنظيم الجهد (VRM): MOSFETs، خنّاقات (Chokes)، ومكثّفات لتزويد طاقة مستقرة.
- حافة PCIe (الأصابع الذهبية): توصيل اللوحة باللوحة الأم.
- مخارج العرض: HDMI / DisplayPort / DVI.
- الاستشعار والمراقبة: قياس الجهد والحرارة والتحكم بالمراوح.
الفرق بين لوحة الـ PCB والبطاقة الكاملة:
اللوحة هي الدائرة الإلكترونية فقط؛ أما البطاقة الكاملة فتشمل المبدد الحراري والمراوح والغلاف وربما صفيحة خلفية. اللوحة هي الأساس الذي يُثبَّت عليه كل شيء.
لماذا هذا العدد الكبير من الطبقات؟ تكديس الطبقات (HDI Stack-Up)
على عكس الدوائر البسيطة، تستخدم بطاقات الرسوميات لوحات متعددة الطبقات، وأحيانًا بتقنية HDI (ترابط عالي الكثافة). قد تحتوي اللوحة على 8 أو 10 أو حتى 14+ طبقة نحاسية تفصل بينها عوازل.
لماذا نحتاج طبقات كثيرة؟
- توجيه الإشارات: مسارات PCIe وGDDR عالية السرعة تحتاج طبقات مخصّصة مع مستويات أرضي (GND) متواصلة لتقليل التداخل.
- توزيع الطاقة: طبقات طاقة/أرضي منفصلة للنواة والذاكرة تمنح استقرارًا في الجهد.
- كثافة عالية: عدد كبير من المكوّنات والوصلات يتطلب “مساحة” إضافية داخل اللوحة.
- التحكم في التداخل الكهرومغناطيسي (EMI): الطبقات الإضافية تساعد على العزل عند السرعات العالية.
تقنيات HDI الشائعة:
- Microvias: ثقوب ليزرية صغيرة تصل طبقتين أو ثلاث طبقات متجاورة.
- الثقوب العمياء/المدفونة (Blind/Buried Vias): لا تمر عبر كل اللوحة، ما يوفر مساحة.
- إزالة ذيول الفيا (Backdrilling): قص الجزء غير المستخدم من الثقب لتحسين سلامة الإشارة عند الترددات العالية جدًا.
ضبط الممانعة والتوجيه عالي السرعة
عندما تتحرك الإشارات بسرعات غيغاهرتزية (PCIe Gen4/5 وGDDR6)، فإن أي عدم تطابق صغير قد يسبب أخطاء. لذلك يعد ضبط الممانعة والتوجيه الذكي أمرين أساسيين.
ما هي الممانعة (Impedance)؟
هي مقاومة خط الإشارة لمرور الإشارات السريعة وتقاس بالأوم (Ω). أزواج المسارات التفاضلية مثل PCIe أو GDDR يجب تصميمها على ممانعة هدف عادة 85Ω أو 100Ω. الابتعاد الكبير عن الهدف يسبب انعكاسات وتشويهًا وفقدانًا للبيانات.
كيف نضبط الممانعة؟
- عرض/تباعد المسار: يؤثر مباشرة على الممانعة.
- سماكة العازل: المسافة بين المسار ومستوى الأرضي مهمة جدًا.
- ثبات المادة: استخدام FR-4 عالي Tg أو مواد أفضل للحصول على ثبات كهربائي.
- تكديس الطبقات: توفير مستوى أرضي مستمر تحت طبقة الإشارة.
قواعد التوجيه عالي السرعة:
- الحفاظ على قرب وتوازٍ الأزواج التفاضلية ومطابقة أطوالها.
- تقليل عدد الثقوب والانعطافات، وتجنب قطع مستوى الأرضي.
- مطابقة أطوال جميع المسارات داخل الحافلة (Bus) لتفادي فروق التوقيت.
تجميع BGA: تحدّي الـ GPU وذاكرة GDDR
يُثبَّت الـ GPU وشرائح GDDR بحزم BGA (Ball Grid Array)—مئات أو آلاف كرات اللحام الصغيرة التي تربط الشريحة باللوحة.
لماذا BGA؟
- كثافة توصيلات عالية في مساحة صغيرة.
- توصيلات أقصر = ضجيج كهربائي أقل وأداء أفضل.
تحديات التجميع:
- تصميم الباد (Pads): نوعا NSMD وSMD؛ غالبًا يُستخدم NSMD في BGA لنتائج لحام أكثر موثوقية.
- اللحام وإعادة الانصهار (Reflow): تُسخَّن اللوحة في فرن خاص؛ أي انحناء في اللوحة أو منحنى حرارة غير مناسب قد يسبب فشل التوصيل أو فراغات داخل كرات اللحام.
- التحكم في الفراغات (Voids): زيادة الفراغات (عادة فوق 25% من مساحة الكرة) تضعف الوصلات. خطوط الإنتاج المتقدمة تستهدف أقل من 10% بل حتى 5%، ويتم التحقق بالأشعة السينية.
- الانبعاج (Warpage): اللوحات السميكة أو غير المتناظرة قد تنثني أثناء التجميع فتسبب توصيلًا سيئًا.
توصيل الطاقة وتصميم التبريد في الـ VRM
قد تستهلك وحدات معالجة الرسوميات الحديثة مئات الواطات. لذلك يجب أن يوفّر الـ VRM تيارات عالية بكفاءة، وأن يتخلّص من الحرارة بسرعة.
نقاط تصميم أساسية في PCB الخاصة بالـ VRM:
- توزيع المكوّنات: ترتيب MOSFETs والخنّاقات والمكثفات لتقليل مساحة الحلقة والتيارات الطفيلية.
- سماكة النحاس: استخدام 2oz أو أكثر يساعد في تمرير التيار ونشر الحرارة.
- ثقوب حرارية (Thermal Vias): صفوف من الفيا الموصلة لسحب الحرارة إلى الجهة الأخرى من اللوحة.
- اتصال بالصفيفة الخلفية (Backplate): استخدام لاصق حراري بين اللوحة وصفيحة معدنية خلفية لتوزيع الحرارة.
إذا ارتفعت حرارة الـ VRM فسيحدث خنق للأداء أو أعطال. تصميم الـ PCB الجيد هو خط الدفاع الأول قبل أي مبرد.
الاعتمادية والاختبارات
ينبغي أن تصمد لوحة البطاقة أمام ضغط تثبيت المبدد الحراري وتغيّر الحرارة وقوى فتحة PCIe. تأتي الاعتمادية من اختيار المواد، وسماكة اللوحة، وتوزيع نقاط التثبيت.
اختبارات ما قبل الشحن:
- AOI (فحص بصري آلي): لاكتشاف المكوّنات المفقودة ومشاكل اللحام.
- اختبار كهربائي (Flying Probe/Bed of Nails): التحقق من جميع التوصيلات.
- فحص بالأشعة السينية: خصوصًا لوصلات BGA المخفية.
- اختبار وظيفي: تشغيل الـ GPU ببيانات حقيقية.
أسئلة شائعة
1) كم عدد الطبقات في لوحة بطاقة رسوميات نموذجية؟
تستخدم البطاقات المتقدمة عادة 8–14 طبقة أو أكثر. زيادة الطبقات تحسّن التوجيه وتوصيل الطاقة وضبط الإشارات.
2) ما الفرق بين لوحة الـ GPU PCB والبطاقة الكاملة؟
اللوحة هي الدائرة والمكوّنات فقط. البطاقة الكاملة تتضمن المبرّد والغلاف والصفيفة الخلفية ومخارج العرض.
3) لماذا ضبط الممانعة مهم؟
لأن إشارات PCIe وGDDR عالية الحساسية لأي عدم تطابق. الممانعة السيئة تعني فقدان استقرار وربما أخطاء أو انهيارات للنظام.
4) ما حدود الفراغات المسموح بها في BGA؟
كثير من المصانع تعتمد حدًا أقصى 25% لكل كرة لحام. خطوط الإنتاج العالية الجودة تستهدف أقل من 10% أو حتى 5% لزيادة الاعتمادية.
الخلاصة
لوحات بطاقات الرسوميات إنجازات هندسية حقيقية. فهي تتعامل مع طاقة عالية وبيانات فائقة السرعة وضغوط ميكانيكية—all في مساحة ضيقة وبموثوقية عالية. يعتمد الأداء على تكديس الطبقات، وضبط الممانعة، وجودة لحام BGA، وتصميم التبريد. في المرة القادمة التي تُعجب فيها ببطاقة قوية، تذكّر أن اللوحة هي التي تجمع كل شيء وتجعله يعمل.
للتعمّق أكثر في هندسة لوحات الدوائر أو الحصول على نماذج HDI وتجميع احترافي لتصاميمك، تواصل مع FastTurnPCB للحصول على دعم الخبراء.
