عند تصميم وتصنيع لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)، يُعد قناع اللحام—ويُسمّى أيضًا solder stop mask أو solder resist—واحدًا من أهم الطبقات وأكثرها التباسًا. سواءً كنت مبتدئًا تريد فهم دوره، أو مهندسًا يبحث عن تحسينات في قابلية التصنيع (DFM)، فستجد في هذا الدليل كل ما تحتاجه: تعريف قناع اللحام، أهميته، قواعد التصميم، المواد والأنواع، الأعطال الشائعة، وكيفية إيصال المتطلبات إلى المورّد للحصول على نتائج موثوقة ومتوقّعة.
ما هو قناع اللحام؟
بأبسط تعريف، قناع اللحام هو طبقة رقيقة من البوليمر الواقي تُطبَّق على سطح لوحة الدوائر لتغطي المسارات النحاسية وتمنع القصدير المنصهر أثناء التجميع من تكوين جسور لحام أو وصلات غير مقصودة بين الأرجل المتقاربة. كما تحمي هذه الطبقة النحاس من الأكسدة والعوامل البيئية والتلوّث.
في أدوات التصميم (EDA) وملفات Gerber/CAM، تُعرَّف طبقات قناع اللحام على أنها صور سالبة: أي أن المناطق غير المظلَّلة بالقناع هي التي ستُكشف فيها الأرجل أو الفتحات (Vias).
اللون الأكثر شيوعًا لقناع اللحام هو الأخضر، لكن يمكن تصنيع اللوحات بألوان أخرى مثل الأحمر والأزرق والأسود والأبيض والأصفر والبنفسجي.
لماذا قناع اللحام مهم؟
قد يبدو قناع اللحام للمبتدئ كأنه “طلاء أخضر”، لكنه يؤدي أدوارًا حاسمة:
1) منع الجسور القصدرية والقصور (Shorts)
أثناء اللحام، يتبع القصدير المنصهر أسهل مسار للانتشار. من دون قناع اللحام يمكن أن يجسر القصدير بين الأرجل أو المسارات المتجاورة مُسببًا قصرًا كهربائيًا. يعمل القناع كعازلٍ لسطح النحاس ويُبقي القصدير على البقع المخصّصة فقط.
2) الحماية من التآكل والأكسدة
يتأكسد النحاس المكشوف مع الهواء والرطوبة بمرور الوقت، ما يضعف قابلية اللحام ويرفع المقاومة. يحجب قناع اللحام النحاس عن هذه العوامل.
3) تقليل الأضرار البيئية والميكانيكية
يشكّل القناع حاجزًا ماديًا يقلّل الخدوش، وتسرّب الرطوبة، والتلوّث الكيميائي، والنموّ البلوري المعدني (whiskers) الذي قد يسبب قصرًا.
4) رفع مردود التجميع
في عمليات التجميع الآلي مثل إعادة التدفق أو لحام الموجة، يوجّه القناع القصدير نحو المناطق المقصودة، مما يرفع الجودة ومردود الإنتاج.
أنواع قناع اللحام والمواد
ليست كل أقنعة اللحام متساوية؛ يتحدد الاختيار بحسب التطبيق ومتطلبات التصميم.
تركيبة البوليمر
تتكوّن معظم أقنعة اللحام من مزيج من:
- راتنج (إيبوكسي، بولي يوريثان، أكريليك) لبناء الطبقة،
- مصلّب لعمل الربط العرضي،
- حشوات وأصباغ للتحكّم بالسمك واللون،
- مواد حسّاسة للأشعة فوق البنفسجية لعمليات الطباعة الضوئية.
الصيغ الشائعة
قناع لحام سائل قابل للتصوير (LPI)
هو الأكثر استخدامًا صناعيًا. يُطبَّق كسائل، ثم يُعرَّض للأشعة فوق البنفسجية عبر قناع ضوئي ويُظهَّر لتحديد الفتحات. مناسب للمزايا الدقيقة والمعقّدة ويوفّر التصاقًا ودقة جيّدين.
الفيلم الجاف القابل للتصوير (Dry Film)
يُlaminates كفيلم على اللوحة. يمتاز بتجانس السمك وحدود حادة ممتازة—مفيد للملpitch الدقيق والكثافات العالية—لكن بتكلفة أعلى نسبيًا.
أقنعة إيبوكسية سائلة تقليدية
أقل تكلفة ولكن دقتها ودقتها الحدّية أدنى من الحلول القابلة للتصوير. قد تكون كافية للوحات البسيطة.
إرشادات تصميم قناع اللحام (DFM)
إتقان قناع اللحام في التصميم لا يتعلق بالشكل فقط؛ بل يحدد مدى إمكانية تصنيع اللوحة وتجميعها بثبات.
فهم الفتحات والمسافة والتمديد (Expansion)
ستواجه مصطلحات قد تُربك المبتدئين:
- فتحة قناع اللحام (Opening): المنطقة التي لا يُطبَّق فيها القناع لكي تُكشف الأرجل/الفتحات للحام.
- الإخلاء/الخلوص (Clearance): المسافة الدنيا بين حافة القناع والمزايا النحاسية.
- التمديد (Expansion): تعديل مقصود لحجم الفتحة للتعويض عن سماحية التصنيع/الانحراف أو لتحقيق تعريفات أرجل محددة مثل NSMD مقابل SMD.
الموازنة الصحيحة تمنع هجرة القصدير غير المقصودة وتضمن ألا يتعدّى القناع على النحاس فيعيق اللحام.
أرجل NSMD مقابل SMD
يؤثر تصميم القناع مباشرةً على نوع الأرجل:
- NSMD (غير مُعرّفة بالقناع): تكون فتحة القناع أكبر قليلًا من النحاس، ما يسمح بترطيب كامل للنحاس. شائع في حزم BGA ذات الملpitch الدقيق ويُحسّن موثوقية الوصلة.
- SMD (مُعرّفة بالقناع): تكون الفتحة أصغر قليلًا من النحاس بحيث يتداخل القناع مع حافة النحاس، وقد يمنح دعمًا ميكانيكيًا في المساحات الضيقة لكنه يحتاج ضبطًا دقيقًا لتفادي إعاقة الترطيب.
إعداد قواعد CAD بشكل صحيح يقلّل مخاطر التجميع ويمنع التعديلات الاضطرارية لدى المصنع.
الحد الأدنى لجسر القناع (Web/Sliver)
يشير الويب/السليفر إلى شرائط قناع ضيقة بين الأرجل/المسارات. إذا كان التمديد كبيرًا أو التباعد ضيقًا، قد تُمحى هذه الشرائط، ما يرفع احتمال الجسور القصديرية. احرص على عرضٍ أدنى يحدده مصنعك.
قواعد DFM عملية
- اجعل فتحات القناع أكبر قليلًا من وسائد النحاس لتجنّب تغطيتها سهوًا.
- حافظ على خلوص أدنى بين القناع والمسارات لمنع أعطال العزل.
- راجع قدرات مصنعك قبل التثبيت النهائي—فالتسامحات والعروض الدنيا تختلف باختلاف العملية.
اللون والجماليات: هل تؤثر؟
لا يؤثر لون القناع على الأداء الكهربائي، لكنه يحمل آثارًا عملية:
- الأخضر هو الافتراضي لسهولة التعريض الضوئي وتباين الفحص وسلاسل الإمداد الناضجة.
- الأسود والأبيض جذّابان بصريًا لكنهما قد يُصعّبان الفحص البصري وإعادة العمل.
- ألوان أخرى مثل الأحمر/الأزرق مفيدة لتمييز الإصدارات أو العلامة التجارية.
في الإنتاج الكثيف حيث الفحص والمردود أساسيان، يبقى الأخضر الأكثر عملية.
كيف يُطبّق قناع اللحام؟
خطوات تطبيق قناع اللحام الصناعي عادةً:
- تحضير اللوحة: تنظيف/خشونة النحاس لتحسين الالتصاق.
- الطلاء: بالسكب الستائري أو الطباعة الحريرية أو الرش.
- التجفيف الأولي (Pre-bake): تصلّب جزئي لتثبيت الطبقة.
- التعريض والتظهير: تحديد الفتحات بالأشعة فوق البنفسجية عبر قناع.
- الإنهاء/التصلّب النهائي: ربط عرضي كامل للوصول للأداء المطلوب.
تعدّل طرق الفيلم الجاف أو الطباعة المباشرة بعض التفاصيل لكنها تتبع نفس مبدأ الطباعة الضوئية.
مشكلات قناع اللحام الشائعة واستكشافها
حتى مع التصميم الجيد قد تظهر مشكلات أثناء التصنيع أو التجميع:
انحراف التسجيل (Misregistration)
إذا اختلّ تطابق القناع مع النحاس، قد يغطي جزءًا من الوسادة أو يترك فجوة، ما يؤدي إلى لحام ضعيف. تخفّف قواعد التمديد/الخلوص المناسبة هذا الخطر.
اختفاء شرائح القناع والجسور القصديرية
التمديد المبالغ فيه أو التباعد الضيق قد يلغي القناع بين الأرجل، فيقلّ دوره العازل ويزداد احتمال الجسور.
التلوّث وفشل الالتصاق
التحضير السطحي الضعيف أو المعالجة غير الكافية يسببان فقاعات/تقشّرًا، كاشفَين النحاس غير المحمي.
أقنعة مؤقتة وقابلة للإزالة
في بعض سيناريوهات التجميع يُستخدم قناع لحام مؤقت أو قابل للتقشير لحماية مناطق معيّنة أثناء اللحام أو إعادة العمل. لا يحلّ محلّ القناع الدائم؛ إنه طبقة حماية مؤقتة تُزال بعد العملية.
كيف توصل متطلبات قناع اللحام إلى المصنع؟
لتجنّب التأخير والافتراضات الافتراضية:
- حدّد نوع الوسائد بوضوح (NSMD أم SMD).
- ضع قيم التمديد/الخلوص بوضوح في Gerber أو ملاحظات التصنيع.
- أكّد عرض الويب الأدنى وفق قدرات DFM لدى مصنعك.
- اذكر اللون والتشطيب وأي متطلبات لقناع مؤقت مسبقًا.
أسئلة سريعة
س: ما الفرق بين قناع اللحام وقناع المعجون (Paste Mask)؟
ج: قناع اللحام طبقة دائمة على اللوحة لمنع القصر والتآكل، بينما قناع المعجون هو قالب/ستانسيل مؤقت لوضع معجون اللحام أثناء التجميع.
س: هل قناع اللحام ضروري لكل لوحة؟
ج: في التجميع الآلي الحديث (إعادة تدفق/موجة) نعم—هو شبه إلزامي لضمان وصلات موثوقة. في اللوحات اليدوية البسيطة قد يكون اختياريًا لكن يُنصح به.
س: ما مقدار التمديد/الخلوص المناسب؟
ج: لا رقمَ موحّدًا—يعتمد على قدرات المصنع وحجم/تباعد الأرجل. عمومًا نطاق 2–5 mil شائعًا، مع توفير ويب كافٍ لمنع الجسور.
الخلاصة
قناع اللحام ليس “طلاءً أخضر” فحسب؛ بل هو عنصر وقائي ووظيفي محوري يمكّن التصنيع الموثوق والأداء طويل الأمد. بفهم دوره، وكيفية تصميمه وتطبيقه بشكل صحيح، وطُرُق معالجة الأعطال الشائعة، ستُحسن جودة المنتج والمردود والموثوقية بشكل كبير.
النجاح هنا يحتاج قرارات تصميم جيدة، ومواءمة DFM دقيقة، وتواصلًا واضحًا مع مصنع لوحة الدوائر. مع هذا الأساس المتين، ستكون لوحاتك مصممة لتدوم.
