لوحة الدوائر المطبوعة متعددة الطبقات Multilayer PCB (وتُسمّى أيضًا Multilayer PCB Board) هي لوحة دوائر مطبوعة تحتوي على ثلاث طبقات نحاس أو أكثر، يتم تكديسها مع مواد عازلة (Dielectric) ثم لصقها/ضغطها (Lamination) تحت الحرارة والضغط لتصبح هيكلًا واحدًا متماسكًا.
ورغم أن اللوحات ثنائية الوجه (Double-sided PCBs) قد تكفي للتصاميم متوسطة التعقيد، إلا أن الإلكترونيات الحديثة—خصوصًا الأنظمة اللاسلكية، والأجهزة الاستهلاكية الصغيرة، والمعدات الرقمية عالية السرعة—تحتاج عادةً إلى كثافة توصيل أعلى، وأداء أفضل في التحكم بالتداخل الكهرومغناطيسي (EMI)، وسلامة طاقة (Power Integrity) أقوى.
يشرح هذا الدليل: ما هي اللوحات متعددة الطبقات، وكيف نختار عدد الطبقات، وأهم مبادئ تصميم Multilayer PCB، وخطوات التصنيع، وأشهر الاستخدامات.
ما هي Multilayer PCB؟
اللوحة متعددة الطبقات تُبنى من طبقات متناوبة من رقائق النحاس ومواد عازلة مثل Prepreg أو Core، ثم تُضغط وتُدمج لتصبح لوحة صلبة واحدة.
عادةً ما تستضيف الطبقتان الخارجيتان (Top / Bottom) المكوّنات، بينما تُستخدم الطبقات الداخلية للتوصيلات، وتوزيع الطاقة، وطبقات الأرضي المرجعية.
ما الفرق بينها وبين اللوحة ثنائية الوجه؟
مقارنة سريعة:
- كثافة التوصيل (Routing Density):
ثنائية الوجه: متوسطة — متعددة الطبقات: عالية جدًا - سلامة الإشارة (Signal Integrity):
ثنائية الوجه: محدودة — متعددة الطبقات: ممتازة (بفضل طبقات مرجعية) - التحكم في EMI:
ثنائية الوجه: أساسي — متعددة الطبقات: قوي ومتوقع - تقليل الحجم:
ثنائية الوجه: محدود — متعددة الطبقات: كبير - التكلفة:
ثنائية الوجه: منخفضة — متعددة الطبقات: أعلى - الاعتمادية:
ثنائية الوجه: جيدة — متعددة الطبقات: ممتازة (مسارات أقصر وضجيج أقل)
في اللوحة ثنائية الوجه يتم توصيل الإشارات عبر طبقتين فقط، أما اللوحة متعددة الطبقات فتوفّر قنوات توصيل داخلية عديدة، ما يساعد على تصميم لوحات أكثر إحكامًا، ومسارات أقصر، وتحكم أفضل في الممانعة (Controlled Impedance) لواجهات السرعة العالية.
كيف تتعرّف على لوحة متعددة الطبقات؟
طريقة سريعة هي النظر إلى حافة اللوحة: اللوحات متعددة الطبقات تُظهر طبقات ملتصقة متعددة، بدل طبقة واحدة متجانسة. وغالبًا ما تكون لوحات الكثافة العالية أثقل قليلًا بسبب زيادة النحاس.
البنية الأساسية للوحة متعددة الطبقات
يمكن تشبيه Multilayer PCB بـ “ساندويتش” من النحاس والعازل:
- Top Layer – نقاط لحام ومسارات قصيرة
- Internal Signal Layers – توصيلات محكومة وكثيفة
- Power Plane Layers – تغذية طاقة منخفضة الممانعة
- Ground Plane Layers – طبقة أرضي مرجعية لجميع الإشارات
- Bottom Layer – مكوّنات، موصلات، أو توصيلات تفريعية
المواد العازلة تتحكم بالمسافات وتحدد خصائص كهربائية مهمة مثل الممانعة، والفقد (Loss)، والتداخل بين المسارات (Crosstalk). كلما كانت السماكات العازلة أقل والاقتران مع الأرضي أقوى، تحسن أداء الإشارات عالية السرعة عادةً.
كم عدد الطبقات الذي تحتاجه؟
معظم اللوحات متعددة الطبقات التجارية تكون بين 4 و12 طبقة، لكن معدات الشبكات، ورادارات السيارات، وأنظمة الحوسبة/الخوادم قد تحتاج 16 إلى 30 طبقة أو أكثر.
لماذا أغلب اللوحات متعددة الطبقات تأتي بعدد زوجي من الطبقات؟
التكديس بعدد زوجي يوفّر توازنًا أفضل أثناء الضغط واللصق، ويقلل احتمالية التقوس/الالتواء (Warpage) ويحسن الإنتاجية والجودة. اللوحات بعدد فردي ممكنة، لكنها غالبًا غير مفضلة بسبب زيادة الإجهاد والتكلفة.
دليل قرار سريع
- لوحات MCU بسيطة/إنترنت الأشياء/حساسة للطاقة: 4 طبقات
- تصاميم رقمية متوسطة التعقيد أو أقسام RF: 6 طبقات
- واجهات عالية السرعة (USB 3.x / PCIe / DDR) مع كثافة متوسطة: 8 طبقات
- أنظمة عالية الكثافة، عدة BGA، ممانعة محكومة + متطلبات EMC: 10–12 طبقة
عند اختيار عدد الطبقات، ضع في الاعتبار:
- تباعد BGA وعدد الأرجل (I/O)
- الإشارات عالية السرعة التي تحتاج طبقات مرجعية قريبة
- عدد خطوط التغذية (Power Rails)
- تماثل التكديس وقابلية التصنيع
- المقايضة بين التكلفة والأداء
أنواع الفيات (Vias): ثقب نافذ، أعمى، ومدفون
تعتمد Multilayer PCBs على الفيات لربط الطبقات. أشهر الأنواع:
1) Through-Hole Via (PTH)
- ثقب من الأعلى إلى الأسفل
- الأقل تكلفة والأسهل تصنيعًا
- مناسب لمعظم التوصيلات العامة وأرجل المكوّنات
2) Blind Via
- يربط طبقة خارجية بطبقة/طبقات داخلية
- يقلل ازدحام التوصيلات تحت BGA
- أعلى تكلفة بسبب التحكم الدقيق بعمق الحفر
3) Buried Via
- يربط طبقات داخلية فقط
- يحرر مساحة على السطح للتوصيل
- شائع في التصاميم المدمجة وعالية السرعة
ملاحظة حول HDI Multilayer PCBs
تقنيات HDI تستخدم Microvias (ثقوب ليزر صغيرة جدًا) لتلبية BGA ضيقة للغاية ومسارات قصيرة عالية الأداء.
أساسيات تصميم Multilayer PCB
هذه القسم يلخص قواعد تصميم عملية ومفيدة يمكن تطبيقها في معظم المشاريع.
1) أساسيات تكديس الطبقات (Stackup)
التكديس الجيد هو أساس الاعتمادية. ثلاث قواعد محورية:
القاعدة 1: اجعل طبقات الإشارة قريبة من طبقات الأرضي/الطاقة
هذا يحقق اقترانًا كهرومغناطيسيًا أقوى، ويقلل مساحة الحلقة ويحسن سلامة الإشارة.
القاعدة 2: حافظ على مسار عودة تيار مستمر (Return Path)
الإشارات عالية السرعة تبحث عن أقل حثّ. تجنب عبور مناطق فصل طبقات الأرضي/الطاقة (Split Planes) لأنها تقطع مسار العودة وتسبب مشاكل EMI.
القاعدة 3: حافظ على تماثل التكديس (Symmetry)
توزيع النحاس غير المتوازن قد يسبب تقوسًا أو التواءً أثناء الضغط. التكديس المتماثل يقلل الإجهاد الميكانيكي.
2) استخدام طبقات الطاقة والأرضي
طبقات الأرضي والطاقة المخصصة تساعد على:
- تقليل الضجيج
- تحسين سلامة الطاقة
- تحقيق توصيل بممانعة محكومة بشكل متوقع
في اللوحات الرقمية، غالبًا يتم وضع طبقات الأرضي في وسط التكديس لتحسين العزل بين طبقات الإشارة.
3) إرشادات توصيل للسرعات العالية والأنظمة المختلطة
- قلل انتقالات الطبقات لتقليل تأثير الفيات والانعكاسات
- استخدم توجيهًا متعامدًا بين الطبقات المتجاورة (X–Y) لتقليل التداخل
- حافظ على طبقة مرجعية متسقة تحت الأزواج التفاضلية
- أبعد الساعة وخطوط السرعة العالية عن دوائر الطاقة “المزعجة”
- في الأقسام التناظرية الحساسة، اعزل تيارات العودة الناتجة عن التحويل Switching
هذه قواعد عامة عالية القيمة دون الدخول في حسابات متخصصة للغاية.
تصنيع Multilayer PCB: خطوات العملية
تصنيع اللوحة متعددة الطبقات يتم وفق خطوات واضحة:
الخطوة 1: تصوير الطبقات الداخلية والحفر الكيميائي (Inner Layer Imaging & Etching)
يتم تغطية النحاس بمقاومة ضوئية، ثم تشكيل النمط بتعريض UV، ثم إزالة النحاس غير المطلوب للحصول على دوائر الطبقات الداخلية.
الخطوة 2: اللصق/الضغط (Lamination)
يتم ضغط عدة طبقات (Core + Prepreg) معًا تحت حرارة وضغط عاليين لتكوين “كتلة” متعددة الطبقات. يحتاج هذا لسيطرة دقيقة لتجنب الفراغات أو عدم التطابق أو التقوس.
الخطوة 3: الحفر الميكانيكي (Mechanical Drilling)
يتم حفر آلاف الثقوب لربط الطبقات أو لتمرير أرجل المكوّنات. جودة الحفر تؤثر على الموثوقية وحلقة النحاس حول الثقب (Annular Ring).
الخطوة 4: إزالة بقايا الراتنج والطلاء بالنحاس (Desmear & Copper Plating)
تتم إزالة الراتنج المتبقي بعد الحفر (Desmear)، ثم طلاء جدران الثقوب بالنحاس لتكوين “براميل” موصلة تربط الطبقات.
الخطوة 5: تشكيل الطبقات الخارجية (Outer Layer Patterning)
بعد الضغط، يتم تصوير وحفر الطبقات الخارجية لتكوين مسارات Top/Bottom.
الخطوة 6: قناع اللحام والحرير (Solder Mask & Silkscreen)
قناع اللحام يحمي النحاس من الأكسدة ويقلل قصر اللحام، والحرير يضيف أسماء المكوّنات وإشارات القطبية.
الخطوة 7: التشطيب النهائي (Final Finishing)
تطبيق تشطيبات مثل HASL / ENIG / ENEPIG / OSP على البادات المكشوفة لتجهيزها للتجميع.
الخطوة 8: الاختبار الكهربائي والوظيفي (Electrical & Functional Testing)
اختبارات مثل Flying-probe أو Bed-of-nails للتحقق من الاستمرارية وعدم وجود قصر، وصحة ربط الطبقات.
المزايا والعيوب
أهم المزايا
- كثافة توصيل عالية → تصاميم أصغر وأكثر تكاملًا
- أداء أفضل في EMI/EMC
- سلامة إشارة أفضل بفضل طبقات مرجعية
- مسارات أقصر → طفيليات أقل وضجيج أقل
- ثبات ميكانيكي أقوى مقارنة باللوحات أحادية الطبقة
أهم العيوب
- تكلفة تصنيع أعلى من اللوحات البسيطة
- تصميم وتخطيط أكثر تعقيدًا
- صعوبة أكبر في التشخيص والإصلاح بسبب الطبقات الداخلية
ومع ذلك، تظل اللوحات متعددة الطبقات الخيار الأهم لمعظم الإلكترونيات الحديثة.
أشهر الاستخدامات
توجد Multilayer PCBs في معظم الأجهزة المتقدمة، مثل:
الإلكترونيات الاستهلاكية
هواتف ذكية، حواسيب محمولة، أجهزة لوحية، أجهزة قابلة للارتداء، كاميرات
معدات الاتصالات
موجهات، محطات قاعدية، وحدات RF، إلكترونيات أقمار صناعية
الصناعة والأتمتة
مشغلات محركات، PLC، أجهزة قياس، واجهات حساسات
السيارات والنقل
أنظمة ADAS، رادارات، أنظمة ترفيه، وحدات تحكم سيارات كهربائية EV
الأجهزة الطبية
أجهزة مراقبة محمولة، أنظمة تصوير، محللات يدوية
قدرتها على تقديم وظائف كثيرة في مساحة صغيرة تجعلها جزءًا أساسيًا في هذه الصناعات.
أسئلة شائعة (FAQ)
ما أقل عدد طبقات في Multilayer PCB؟
الحد الأدنى تقنيًا هو 3 طبقات نحاس، لكن 4 طبقات هي الأكثر شيوعًا كخيار “متعدد الطبقات” عملي.
لماذا أغلب اللوحات متعددة الطبقات بعدد زوجي؟
لأن التكديس يكون أكثر توازنًا أثناء الضغط، ما يقلل العيوب والتشوهات.
متى أختار 4 طبقات مقابل 6 طبقات؟
اختر 4 طبقات لمشاريع IoT/MCU البسيطة، واختر 6 طبقات عندما تزيد كثافة التوصيل أو متطلبات EMI.
ما الفرق بين Blind وBuried وThrough-hole؟
Through-hole: من أعلى إلى أسفل
Blind: من طبقة خارجية إلى داخلية
Buried: بين طبقات داخلية فقط
لماذا تعطي Multilayer PCB أداء EMI أفضل؟
لأن الإشارات يمكن أن تعتمد على طبقات نحاس مرجعية مستمرة، ما يقلل مساحة الحلقة ويحد الإشعاع.
لماذا يصعب إصلاح اللوحات متعددة الطبقات؟
لأن الطبقات الداخلية غير مرئية مباشرة، وقد تكون الأعطال مخفية بين طبقات العزل.
كيف أعرف أن اللوحة متعددة الطبقات؟
انظر إلى الحافة: سترى طبقات ملتصقة متعددة بوضوح.
الخلاصة
اللوحات متعددة الطبقات هي أساس الإلكترونيات الحديثة عالية الأداء. عندما تفهم اختيار عدد الطبقات، وتكديس الطبقات، وقواعد التوصيل، وخطوات التصنيع، ستستطيع بناء منتجات أكثر اعتمادية، وأصغر حجمًا، وأكثر مقاومة لمشاكل EMI.
وإذا كنت تبحث عن تصنيع Multilayer PCB بجودة عالية، فإن FastTurnPCB تقدم خدمة تصنيع سريعة، وتكديسات متقدمة، ودعمًا هندسيًا موثوقًا للنماذج الأولية والإنتاج بكميات مختلفة.
