عندما يتعيّن على تصميمك تحمل تيارات عالية ودرجات حرارة مرتفعة وبيئات قاسية، فإن النحاس القياسي بسماكة 1 أونصة لا يكفي.
هنا يأتي دور لوحات النحاس السميك (Heavy/Thick Copper PCB).
بفضل سماكات النحاس التي تمتد من 2 أونصة وحتى 20 أونصة وأكثر، يمكن لهذه اللوحات حمل تيارات كبيرة بأمان، وتبديد الحرارة بكفاءة، وتقديم صلابة ميكانيكية لا تستطيعها اللوحات متعددة الطبقات القياسية.
ما هي لوحة النحاس السميك؟
في صناعة الدوائر المطبوعة، تُعد أي طبقة نحاسية بسماكة ≥ 2 oz (≈ 70 µm) طبقة نحاس سميك.
تستخدم اللوحات القياسية 1 oz (≈ 35 µm)، بينما تستخدم تصاميم النحاس السميك 2–6 oz، وتصل النسخ فائقة السُمك إلى 20 oz (≈ 700 µm) لكل طبقة أو أكثر.
يُصفَّح النحاس السميك على الركيزة ثم يُحفَر ويُنمَّط ليشكّل المسارات والبادّات والمضلّعات. مقارنةً باللوحات العادية فهو يوفر:
- سعة أعلى لحمل التيار
- توصيل وتوزيع حراري أفضل
- قوة ميكانيكية أعلى في البادّات والفتحات عبرية التوصيل (Vias)
- موثوقية أعلى تحت دورات التمدد الحراري
لماذا يختار المهندسون لوحات النحاس السميك؟
1) قدرة حمل تيار عالية
يزيد المسار الأعرض والأسمك من مساحة المقطع العرضي فينخفض المقاومة (I²R) وترتفع الحرارة بدرجة أقل. وهذا ضروري في محوّلات القدرة وحِزم البطاريات ومتحكمات المحركات حيث قد تصل التيارات إلى عشرات أو مئات الأمبيرات.
2) تبديد حراري متفوّق
تبلغ ناقلية النحاس الحرارية ~400 W/m·K، وهي أعلى بمئات المرات من إيبوكسي FR-4.
تُوزّع لوحة النحاس السميك الحرارة بالتساوي عبر اللوحة وإلى الفتحات الحرارية أو المشتتات، فتمنع البقع الساخنة وتطيل عمر المكوّنات.
3) قوة ميكانيكية وموثوقية
تُعزّز الطبقات السميكة البادّات والفتحات ومناطق التوصيل، فتقاوم الاهتزاز والانحناء والإجهاد الحراري—وهو أمر أساسي في السيارات والطيران والدفاع حيث الصدمات وتبدل الحرارة أمران شائعان.
4) دمج القدرة والتحكم على لوحة واحدة
يُمكّن النحاس السميك من دمج دوائر القدرة والمنطق التحكّمي على اللوحة نفسها بدل فصلها في وحدات متعددة، ما يقلّل الحجم وخسائر التوصيل وتكاليف التجميع.
أوزان النحاس وتحويل السماكات
تُحدَّد سماكات النحاس غالبًا بوحدة الأونصة لكل قدم مربع (oz/ft²). مرجع سريع:
| وزن النحاس | السماكة التقريبية | الاستخدام المعتاد |
|---|---|---|
| 1 oz | 35 µm | طبقات الإشارة القياسية |
| 2 oz | 70 µm | قضبان قدرة متوسطة |
| 3–4 oz | 105–140 µm | تطبيقات تيار عالٍ |
| 6–10 oz | 210–350 µm | توزيع القدرة/قضبان نحاسية |
| 12–20 oz | 420–700 µm | نحاس فائق السُمك وتخصيص |
في التصنيع الفعلي، سماكة النحاس المنجَزة = النحاس القاعدي + النحاس المُرَسَّب بالطلاء.
تقوم Fast Turn PCB بتصنيع سماكات من 2 oz إلى 20 oz+ لكل طبقة وفقًا للتصميم.
حمل التيار وارتفاع الحرارة
العلاقة بين التيار وسماكة النحاس وارتفاع الحرارة أساسية في التصميم. يولد التيار حرارة (P = I²R)، وتحدد عرض المسار وسماكة النحاس المقاومة، بينما يحدد تدفق الهواء ومادة اللوحة سرعة تبديد الحرارة.
نصائح عملية:
- الطبقات الخارجية تتحمل عادةً ضعف تيار الطبقات الداخلية لنفس السماكة بفضل التبريد الأفضل.
- يستهدف المصممون غالبًا ارتفاع حرارة 20–30 °C فوق المحيط للتشغيل المستمر.
- توفر معايير IPC معادلات وحاسبات لتقدير عرض المسار المطلوب لتيار وسماكة نحاس محددين.
مثال:
مسار خارجي بسماكة 4 oz ينقل 30 A مع ΔT ≈ 25 °C قد يحتاج عرضًا يقارب 6.4 مم (≈ 250 mil) حسب ظروف التبريد. يجب التحقق بالاختبارات الحرارية.
اعتبارات تصنيع وبنية أساسية
الطلاء والحات (Etching) المضبوطان
تُبنى مسارات النحاس السميك عبر طلاء نحاس كثيف مضبوط يتبعه حتّ دقيق، ما يضمن جدرانًا جانبية مستقيمة وهندسة منتظمة حتى عند 10 oz وأكثر، ويسمح كذلك بوجود أوزان نحاس مختلفة على اللوحة نفسها (مثلاً 2 oz للتحكم و8 oz للقدرة).
الحفر وطلاء الفتحات
تحتاج لوحات النحاس السميك إلى جدران فيا أكثر سماكة لحمل التيار عموديًا أو نقل الحرارة عبر اللوحة.
تستخدم Fast Turn PCB طلاءًا نحاسيًا ثقيلاً مضبوطًا لتحقيق سماكات الفتحات المطلوبة مع الحفاظ على نسبة الارتفاع الموثوقة.
التصفيح واختيار المواد
في تصميمات متعددة الطبقات، يُعد التصفيح الفراغي ومواد High-Tg ضرورية لتجنّب الفقاعات والانفصال الطبقي. تُستخدم FR-4 عالية Tg أو رقائق عالية الناقلية الحرارية لتحمّل دورات التسخين المتكررة.
أمثلة تكديس (Stackups) ونطاق القدرات
تصنع Fast Turn PCB لوحات نحاس سميك ثنائية ومتعددة الطبقات ضمن النطاق التالي:
- سماكة النحاس: 2–20 oz+ (للداخل والخارج)
- سماكة اللوح: عادةً 0.8–6 مم
- الإنهاءات السطحية: ENIG، HASL الخالي من الرصاص، OSP، قصدير غمر…
- الفحص: فحص بصري آلي AOI، محاذاة بالأشعة السينية، وتحليل مقطعي للتحقق من طلاء الفتحات وسماكة النحاس
- الاعتمادات: ISO 9001، اعتماد UL، توافق RoHS وREACH
هذا الطيف يمكّن من النماذج الأولية والإنتاج، مع خيارات تسليم سريع خلال 2–3 أيام للمشاريع العاجلة.
أبرز التطبيقات
تُستخدم تقنية النحاس السميك حيثما لزم تيار عالٍ أو موثوقية مرتفعة أو توزيع حراري فعّال، مثل:
- إلكترونيات القدرة: محوّلات، عواكس، مقومات، وحدات DC-DC
- السيارات والمركبات الكهربائية: الشواحن، إدارة البطارية، قيادة المحركات
- التحكم الصناعي: توزيع القدرة، الروبوتات، محركات الأتمتة
- الطاقة المتجددة: عواكس شمسية ووحدات تخزين الطاقة
- الطيران والدفاع: رادار، إلكترونيات طيران، أنظمة مهمات متينة
في هذه البيئات، تدفع الحرارة والتيار والاهتزاز اللوحات القياسية إلى حدودها—فتصبح البنية النحاسية السميكة ضرورة.
نصائح تصميم وأفضل الممارسات
موازنة توزيع النحاس
قد تتسبب مساحات النحاس الكبيرة في جانب واحد في تقوّس أثناء التصفيح وإعادة اللحام. استخدم تعويض النحاس أو الأنماط الشبكية للحفاظ على تمدد حراري متوازن وتقليل الإجهاد.
تحسين المسارات الحرارية
خطّط لوجود فتحات حرارية تحت المكوّنات الساخنة لتتصل بمستويات النحاس السميك أو المشتتات. تجنّب حبس الحرارة داخل الطبقات بتأمين عدة مسارات توصيل نحو السطح.
تدعيم مناطق الإجهاد العالي
تستفيد ألسنة الموصلات ومناطق البراغي والفتحات من نحاس أسمك وطلاء إضافي—ما يمنع خلع البادّات أو تشققها أثناء العزم أو تبدل الحرارة.
اختيار المادة المناسبة
اختر FR-4 عالية Tg ومنخفضة CTE أو مواد هجينة تتوافق تمدديًا مع النحاس لتحسين الموثوقية الحرارية والحد من خطر الانفصال أو تشقق جدران الفتحات.
نحاس سميك أم طبقات نحاسية متوازية؟
أمام تصميمات التيار العالي خياران رئيسيان:
- النحاس السميك: استخدام سماكات كبيرة على طبقات أقل.
- خطوط/مستويات متوازية: توزيع التيار على عدة طبقات أنحف.
النحاس السميك مثالي عندما تكون المساحة محدودة، أو القوة الميكانيكية حاسمة، أو يجب نقل الحرارة بسرعة إلى السطح.
أما الطبقات المتوازية فتناسب كثافة الإشارات الدقيقة. في العديد من التصاميم الواقعية يُدمج الأسلوبان: طبقات خارجية سميكة للقدرة وطبقات داخلية قياسية للتحكّم والإشارة.
الأسئلة الشائعة
1) ما الذي يُعد لوحة نحاس سميك؟
أي طبقة بسماكة ≥ 2 oz. وتصل التصاميم فائقة السُمك إلى 20 oz لكل طبقة أو أكثر.
2) كم تيارًا تتحمّله لوحة بسماكة 4 oz؟
يعتمد على عرض المسار وموقعه (خارجي/داخلي) وارتفاع الحرارة المقبول. مسار خارجي بسماكة 4 oz وبعرض عدة مليمترات قد ينقل عشرات الأمبيرات مع زيادة 20–30 °C. استخدم حاسبات IPC وتحقق بالاختبارات الحرارية.
3) هل يمكن الجمع بين أوزان نحاس مختلفة في لوحة واحدة؟
نعم. لوحات بوزن 2 oz للإشارات و8 oz للقدرة شائعة، لكنها تتطلب تحكمًا دقيقًا في الطلاء والحات—وهو ما توفره Fast Turn PCB.
4) كيف نضمن الجودة؟
تخضع كل لوحة لفحص AOI ومحاذاة X-ray وتحليل مقاطع ميكروسكوبية. تعمل Fast Turn PCB وفق ISO 9001 ومعتمدة UL ومتوافقة مع RoHS/REACH.
خلاصة
تُعد لوحات النحاس السميك العمود الفقري لإلكترونيات القدرة الحديثة: تحمل تيارات عالية، وتبدّد الحرارة بكفاءة، وتقاوم الإجهادات الحرارية والميكانيكية في التطبيقات الشاقة—من شواحن المركبات الكهربائية إلى أنظمة الطيران.
باختيار مُصنِّع خبير مثل Fast Turn PCB—الذي يوفّر قدرات تصنيع 2–20 oz+، وبنى متعددة الطبقات، وإنهاءات ENIG/HASL—ستحصل على مراجعة هندسية سريعة وخيارات نمذجة سريعة 2–3 أيام للحفاظ على تقدّم مشروعك.
