في عالم تصنيع الإلكترونيات، قد يشير مصطلح “flip board PCB” إلى أمرين مختلفين تمامًا. يستخدمه بعض المهندسين عند الحديث عن تقنية تغليف الشريحة المقلوبة (Flip-Chip) وكيفية دمجها مع تصميمات اللوحات المطبوعة. بينما يقصد آخرون قلب/عكس تخطيط اللوحة حرفيًا داخل برامج التصميم الإلكتروني (EDA). هذا الدليل الشامل يغطي التفسيرين معًا، ويقدم نصائح عملية، وأفضل ممارسات، وقوائم تحقق احترافية. سواء كنت تصمم BGA عالية الكثافة باستخدام شرائح مقلوبة، أو تريد فقط عكس لوحة في KiCad، فستجد هنا ما تحتاجه.
ما المقصود فعلاً بـ “Flip Board PCB”؟
حين يبحث المستخدمون عن “flip board PCB”، فهم غالبًا يندرجون تحت فئتين:
1) تغليف الشريحة المقلوبة على اللوحة (Flip-Chip on PCB):
يقصد به استخدام دوائر متكاملة تُركَّب والوجه لأسفل مباشرة على اللوحة أو على ركيزة وسيطة (interposer). هذا النهج شائع في التصميمات عالية الأداء والكثافة مثل الهواتف الذكية، ومعدات الشبكات، والحوسبة المتقدمة.
2) قلب اللوحة داخل برامج EDA:
أي استخدام أدوات مثل KiCad أو EasyEDA لعكس/قلب تخطيط اللوحة أثناء التصميم أو التحضير للتصنيع.
تتناول هذه المقالة كلا الموضوعين، مع إعطاء الأولوية لتغليف الشريحة المقلوبة، مع تزويدك في النهاية بنصائح عملية لقلب اللوحة داخل برامج EDA.
الشريحة المقلوبة على اللوحة: المفاهيم، الفوائد، ومتى نستخدمها
ما هي تقنية Flip-Chip؟
تقنية Flip-Chip هي أسلوب تغليف لأشباه الموصلات تُقلب فيه الشريحة السيليكونية وتُركَّب والوجه لأسفل بحيث يتم الاتصال الكهربائي مباشرة بين الشريحة والركيزة عبر كرات لحام (تعرف أيضًا باسم C4). بدلًا من التوصيل بالأسلاك (wire bonding)، توفر الـ Flip-Chip مسارات قصيرة وكثافة توصيل أعلى.
فوائد تغليف الشريحة المقلوبة
- أداء كهربائي أفضل: حثٌّ طفيلي أقل ومسارات أقصر.
- إدارة حرارية أعلى كفاءة: تبديد حراري أفضل عبر الركيزة وسطح الشريحة.
- استغلال المساحة بكفاءة: تمكين كثافة I/O أعلى وتخطيطات أكثر إحكامًا.
استخدامات شائعة
- المعالجات عالية السرعة (CPU / GPU)
- مكوّنات التردد اللاسلكي (RF)
- تصميمات BGA وSiP المتقدمة
- الأجهزة التي تتطلب خطوة دقيقة وتصغير الحجم
خطوات تجميع الشريحة المقلوبة على اللوحة
العملية المعتادة لدمج Flip-Chip على اللوحة تشمل:
- ترسيب الكرات (Bump Deposition): تجهيز الشريحة بكرات اللحام.
- وضع الشريحة (Die Placement): قلب الشريحة ومحاذاتها مع الركيزة.
- إعادة التدفق (Reflow): تسخين لتكوين وصلات دائمة.
- ملء الفجوة (Underfill): حقن إيبوكسي بين الشريحة والركيزة لزيادة المتانة والموثوقية.
- التنظيف والفحص: إزالة الزائد وفحص الوصلات بالأشعة السينية أو AOI.
مهم: يلعب الـ Underfill دورًا محوريًا في تعويض اختلافات التمدد الحراري وتقليل الإجهاد على كرات اللحام خلال دورات الحرارة.
أفضل ممارسات تخطيط PCB مع Flip-Chip / FC-BGA
تصميم لوحة تتضمن Flip-Chip أو FC-BGA يتطلب دقة عالية واهتمامًا بالتفاصيل. فيما يلي أبرز الممارسات:
1) استراتيجية التفريغ (Fanout)
- استخدام Via-in-Pad أو Microvia لتقليل الازدحام.
- اعتماد طبقات HDI لدعم فكّ الخطوة الدقيقة (fine-pitch breakout).
- تجنّب إطالة المسارات من مركز الشريحة حتى كرات اللحام الخارجية.
2) المعاوقة وسلامة الإشارة
- الحفاظ على مستويات مرجعية ثابتة أسفل المسارات عالية السرعة.
- تطبيق الأزواج التفاضلية ومطابقة الأطوال.
- التفكير في مسارات الإرجاع وتقليل الـ stubs قدر الإمكان.
3) تخطيط القدرة والأرضي
- استخدام مستويات تغذية وأرضي صلبة منخفضة الممانعة.
- وضع مكثفات فكّ الاقتران قرب كرات القدرة مباشرة.
- استخدام عدّة فيات لتقليل ESL/ESR في الشبكات الحساسة.
4) التصميم الحراري
- زيادة سُمك النحاس أو مساحة انتشار الحرارة.
- توظيف فيات حرارية لنقل الحرارة إلى الطبقات الداخلية/السفلية.
- إجراء محاكاة حرارية إذا تجاوزت الكثافة 1–2 واط/سم².
5) المواد وبِنية الطبقات (Stackup)
- اختيار مواد تقلل اختلاف معامل التمدد الحراري (CTE) مثل BT أو ABF.
- موازنة عدد الطبقات مقابل قابلية التوجيه.
- ضمان اتساق Dk/Df للتحكم الدقيق في المعاوقة.
6) البادّات وأنماط الهبوط (Land Pattern)
- التحقق من نمط الهبوط وفق ورقة بيانات الشركة المصنِّعة.
- استخدام مكتبات متوافقة مع IPC-7351.
- ضمان المحاذاة الحرارية الصحيحة وفق ملف إعادة التدفق (Reflow Profile).
مقارنة: الشريحة المقلوبة vs التوصيل بالأسلاك vs BGA
| الخاصية | الشريحة المقلوبة (Flip-Chip) | التوصيل بالأسلاك (Wire-Bond) | BGA |
|---|---|---|---|
| الأداء الكهربائي | ممتاز | متوسط | جيد |
| تبديد الحرارة | عالٍ | منخفض | متوسط |
| حجم الحزمة | صغير جدًا | أكبر | مدمج |
| تعقيد التجميع | عالٍ | منخفض | متوسط |
| التكلفة | أعلى | أقل | متوسطة |
| الاستخدام النموذجي | مستويات عليا، RF، تصغير | دوائر منخفضة التكلفة | استخدام عام |
متى تختار Flip-Chip؟
- حوسبة عالية الأداء
- تطبيقات دقيقة الخطوة أو كثيفة الـ I/O
- تصميمات حرارية حرجة
قائمة تحقق DFM/DFX للنجاح في التصنيع
لضمان تصنيع وتجميع ناجحَين لتصميمات Flip-Chip:
1) التصميم من أجل التصنيع (DFM)
- تأكيد حدود عرض/تباعد المسارات حسب مورد التصنيع.
- مواءمة أحجام البادّات مع الاستنسل وأبعاد الكرات.
- تجنب أشكال البادّات غير القياسية إلا للضرورة.
2) التصميم من أجل التجميع (DFA)
- استخدام علامات محاذاة عامة/محلية (fiducials).
- توثيق نوع الـ Underfill ومعايير العملية.
- إرفاق رسومات التجميع وملف إعادة التدفق.
3) التصميم من أجل الاختبار (DFT)
- إضافة نقاط اختبار لاختبارات JTAG/الوظائف.
- إتاحة وصول Boundary-Scan إن أمكن.
4) ملفات التسليم
- Gerber أو ODB++
- BOM بأرقام قطع واضحة وبدائل
- ملف Pick-and-Place بإحداثيات دقيقة
- رسم Stackup بتفاصيل المعاوقة
الأعطال الشائعة والموثوقية على المدى البعي
مشكلات متكررة:
- كرات لحام مفتوحة/قصور
- فراغات (Voids) داخل الـ Underfill
- تقوّس/التواء في الشريحة أو اللوحة
- تنظيف غير كافٍ أسفل الشريحة
أدوات الفحص:
- أشعة سينية 2D/3D
- المجهر الصوتي الماسح (SAM)
- الفحص البصري الآلي (AOI)
يُعد الاختبار البيئي والاعتمادي (دورات حرارية، اهتزاز، رطوبة) أساسيًا للتطبيقات ذات الإجهاد العالي.
كيف «تقلب» لوحة في برامج EDA؟ (النية الثانوية)
بينما يشير “flip board PCB” غالبًا إلى الـ Flip-Chip، يرغب بعض المهندسين فقط في عكس/قلب اللوحة داخل CAD. إليك الطريقة:
في KiCad
- اضغط F لقلب مكوّن أو نقله بين الوجهين.
- استخدم View > Flip Board View لعرض المرآة.
- تأكد من عكس النصوص والاتجاهات بشكل صحيح عند قلب الطبقات.
في EasyEDA
- انقر بالزر الأيمن واختر Flip Horizontally/Vertically.
- تحقّق من اتجاه البادّات واستمرارية الشبكات بعد القلب.
- استخدم معاينة Gerber للتحقق النهائي من المرآة.
مهم: عند قلب اللوحة لأجل تجميع على وجه واحد أو صناعة الاستنسل، يجب عكس الطبقات والطبقة الطباعية (Silkscreen) معًا، مع الحفاظ تمامًا على اتصال الشبكات.
الأسئلة الشائعة (FAQs)
س1: هل الشريحة المقلوبة هي نفسها BGA؟
لا. الشريحة المقلوبة أسلوب تثبيت داخلي، أما BGA فهو شكل الحزمة. قد تُستخدم شريحة مقلوبة داخل حزمة BGA.
س2: هل كل لوحات Flip-Chip تحتاج إلى Underfill؟
في معظم التطبيقات ذات الإجهاد الحراري أو الميكانيكي المرتفع، نعم يُنصح به. أما في البيئات الأقل إجهادًا فالأمر اختياري.
س3: هل Flip-Chip دائمًا أغلى؟
ليس دائمًا. ففي تصميمات عالية الكثافة والأداء قد تقلّل Flip-Chip عدد طبقات اللوحة أو مساحة الـ PCB، ما يعوّض جزءًا من تكلفة التغليف.
س4: هل يمكنني استخدام مواد PCB عادية مع Flip-Chip؟
فقط إذا تطابقت الخصائص الحرارية (مثل CTE). كثيرًا ما تُفضَّل مواد متخصصة مثل ABF.
الخلاصة وأهم النقاط
توفر تقنية Flip-Chip أداءً استثنائيًا للإلكترونيات الحديثة، لكنها تُدخل في المقابل تعقيدات تصميمية وتصنيعية. عبر التخطيط السليم، والتعاون المبكر مع المصنّع، والالتزام بمبادئ DFM/DFX، يمكن للوحات Flip-Chip أن تحقق تفوقًا حراريًا وكهربائيًا مع توفيرٍ في المساحة.
أما إذا كان قصدك من “flip board PCB” هو حيل EDA، فإن فهم طريقة عكس التصميم بشكل صحيح يضمن ملفات إنتاج دقيقة ونتائج موثوقة.
