مواد صلبة ومواد مسبقة التشريب المستخدمة في صناعة لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)

تُصنع كل لوحة دوائر مطبوعة متعددة الطبقات باستخدام مادتين أساسيتين هما: اللب والمادة المُسبقة التشريب. ورغم أنهما نادرًا ما يكونان مرئيين في المنتج النهائي، إلا أنهما يلعبان دورًا حاسمًا في تحديد سماكة اللوحة، والتباعد بين الطبقات، والتحكم في المعاوقة، والاستقرار الميكانيكي، وموثوقية التصنيع.

سواء كان الأمر يتعلق بإنتاج لوحة بسيطة مكونة من 4 طبقات أو لوحة خلفية معقدة ذات عدد كبير من الطبقات، فإن فهم كيفية تفاعل المواد الأساسية والمواد المُعدة مسبقًا معًا يعد أمرًا ضروريًا لتصميم التراص وتصنيع لوحات الدوائر المطبوعة (PCB).

ما هي مادة قلب لوح الدوائر المطبوعة (PCB)؟

المادة الأساسية عبارة عن مادة مصفحة تم معالجتها بالكامل، مع رقائق نحاسية ملتصقة على كلا الجانبين.

وهي تُشكل الأساس الهيكلي للوحة الدوائر المطبوعة متعددة الطبقات، وتوفر الصلابة أثناء التصنيع.

يتكون القلب النموذجي من:

• تقوية بالألياف الزجاجية
• نظام الراتنج
• رقائق نحاسية على كلا السطحين

يشبه هذا التصميم المواد الرقائقية القياسية التي تمت مناقشتها في شرح مواد الرقائق المستخدمة في صناعة لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)، باستثناء أن الراتنج قد أكمل بالفعل عملية التصلب.

تتوفر المواد الأساسية بمجموعة واسعة من السماكات لتلبية متطلبات التراص المختلفة.

وظائف المادة الأساسية

توفر الطبقات الأساسية ما يلي:

• القوة الميكانيكية
• العزل الكهربائي
• دعم النحاس
• ثبات الأبعاد

بدون النوى، لن تتمكن اللوحات متعددة الطبقات من الحفاظ على سلامتها الهيكلية أثناء عملية التصفيح والتجميع.

ما هو مادة «بي سي بي» المُعدة مسبقًا؟

يُقصد بمصطلح «Prepreg» المواد «المشبعة مسبقًا».

وهي تتكون من قماش من الألياف الزجاجية مشبع براتنج تم معالجته جزئيًا.

وعلى عكس المادة الأساسية، يظل البريبريغ في حالة شبه متصلبة قبل عملية التصفيح.

أثناء عملية تصفيح لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)، تؤدي الحرارة والضغط إلى تدفق الراتنج وتصلبه تمامًا، مما يؤدي إلى ربط الطبقات المتجاورة ببعضها البعض.

تحتوي طبقة البريبريغ عادةً على:

• قماش الألياف الزجاجية
• راتنج إيبوكسي مُعالج جزئيًا
• لا توجد رقائق نحاسية

والغرض الأساسي منه هو تحقيق الالتصاق بين الطبقات الأساسية.

كيف يعمل كل من «كور» و«بريبريغ» معًا

تُعد لوحة الدوائر المطبوعة متعددة الطبقات، في جوهرها، عبارة عن مجموعة من طبقات النحاس تفصل بينها طبقات أساسية ومواد مسبقة التشكيل.

على سبيل المثال، قد يبدو التراص النموذجي المكون من 4 طبقات كما يلي:

النحاس
القلب
النحاس
المادة المُسبقة التشريب
النحاس
القلب
النحاس

أثناء عملية التصفيح:

1. يبدأ مادة البريبريغ في التليين.
2. تتدفق الراتنجات إلى الفجوات.
3. يتم ربط الطبقات ببعضها البعض.
4. يتصلب الراتينج تمامًا.
5. يتم تشكيل هيكل صلب واحد.

تؤدي هذه العملية إلى تكوين هيكل لوحات الدوائر المطبوعة متعددة الطبقات المستخدمة في الأجهزة الإلكترونية الحديثة.

المواد الأساسية المشتركة

نواة FR4 قياسية

تستخدم غالبية لوحات الدوائر المطبوعة متعددة الطبقات مواد أساسية من نوع FR4.

تشمل المزايا ما يلي:

• منخفضة التكلفة
• قوة ميكانيكية جيدة
• خصائص معالجة ثابتة
• توافر واسع النطاق

في مجال الإلكترونيات العامة، لا يزال FR4 الخيار الأكثر استخدامًا.

يمكن للمهندسين غير المطلعين على خصائص مادة FR4 الرجوع إلى شرح مادة FR4 المستخدمة في صناعة لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) للحصول على مزيد من المعلومات الأساسية.

مواد أساسية ذات قيمة عالية لـ TG

غالبًا ما تستخدم التطبيقات التي تنطوي على درجات حرارة أعلى نوى ذات درجة حرارة زجاجية (TG) عالية.

تشمل المزايا ما يلي:

• استقرار حراري محسّن
• انخفاض التمدد على المحور Z
• موثوقية أعلى أثناء التجميع الخالي من الرصاص

توجد هذه المواد عادةً في:

• إلكترونيات السيارات
• الضوابط الصناعية
• أنظمة تحويل الطاقة
• الخوادم

كما تمت مناقشته في لوحة دوائر مطبوعة من نوع FR4 ذات محتوى عالٍ من مادة TG، يمكن أن تؤدي القيم الأعلى لـ TG إلى تحسين الموثوقية على المدى الطويل بشكل ملحوظ.

مواد النواة عالية السرعة

غالبًا ما تستخدم أجهزة الاتصالات الحديثة نوى متخصصة منخفضة الخسارة.

وتشمل الأمثلة على ذلك:

• سلسلة ميغترون
• مواد إيزولا عالية السرعة
• ألواح I-Speed المصفحة
• أنظمة FR4 منخفضة الخسارة

تساعد هذه المواد في الحفاظ على سلامة الإشارة عند معدلات نقل البيانات العالية.

أنواع البريبريغ الشائعة

تُصنف المواد المُسبقة التشريب عمومًا حسب نوع الألياف الزجاجية ومحتوى الراتنج.

تشمل الأنماط الشائعة للألياف الزجاجية ما يلي:

• 106
• 1080
• 2113
• 2116
• 7628

يتميز كل نمط بسماكة وخصائص راتنجية مختلفة.

مواد مسبقة التشكيل منخفضة المحتوى من الراتنج

العروض:

• تحسين التحكم في السماكة
• انخفاض تدفق الراتنج
• استقرار أبعاد أفضل

تُستخدم غالبًا في لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) ذات عدد الطبقات الكبير.

مواد مسبقة التشكيل عالية المحتوى من الراتنج

ينص على ما يلي:

• قدرة أفضل على التعبئة
• تحسين الترابط
• تباعد عازل كهربائي محسّن

يُستخدم عادةً في الأماكن التي توجد بها عناصر نحاسية كبيرة الحجم.

المواد الأساسية والمواد المُسبقة التشريب في التحكم في المعاوقة

تعد إدارة المعاوقة إحدى أهم وظائف المواد الأساسية والمواد المُسبقة التشريب.

تعتمد مقاومة الإشارة على:

• الثابت العازل (Dk)
• المسافة بين الطبقات
• سُمك النحاس
• هندسة التتبع

يؤثر سمك اللب أو المادة المُسبقة التشريب تأثيرًا مباشرًا على المسافة بين طبقات الإشارة والمستويات المرجعية.

حتى التغييرات الطفيفة يمكن أن تؤثر بشكل كبير على قيم المعاوقة المُتحكَّم فيها.

ولهذا السبب، يجب التنسيق بين تصميم التراص واختيار المواد منذ بداية المشروع.

سيتم تناول المناقشات المستقبلية حول الخصائص العازلة في قيم Dk و Df في مواد ثنائي الفينيل متعدد الكلور (PCB).

اختيار المواد للوحات الدوائر المطبوعة متعددة الطبقات

ينبغي أخذ عدة عوامل في الاعتبار عند اختيار المواد الأساسية والمواد المُسبقة التشكيل.

الأداء الكهربائي

تتطلب التطبيقات التي تنطوي على إشارات عالية السرعة خصائص عازلة مستقرة.

المتطلبات الحرارية

قد تتطلب درجات حرارة التشغيل المرتفعة استخدام أنظمة ذات درجة حرارة التحول الزجاجي (TG) عالية.

سُمك اللوح

تحدد تركيبات الطبقة الأساسية والمواد المُسبقة التشريب السماكة النهائية للوحة الدوائر المطبوعة.

القدرة على التصنيع

تتطلب بعض المواد أنماط تصفيح متخصصة وإجراءات مراقبة معالجة محددة.

اعتبارات التكلفة

ينبغي أن يتوافق اختيار المواد مع متطلبات الأداء، بدلاً من استخدام أعلى المواصفات المتاحة.

التحديات الشائعة أثناء عملية التصفيح

قد يؤدي اختيار المواد غير المناسبة إلى العديد من المشكلات في عملية التصنيع.

نقص الراتنج

قد يؤدي تدفق الراتنج غير الكافي إلى ظهور فراغات أو ضعف الالتصاق.

التدفق المفرط للراتنج

قد يؤدي التحرك المفرط للراتنج إلى تغيير المسافة العازلة والتأثير على المعاوقة.

التصفيح

قد يؤدي ضعف التوافق بين المواد إلى انفصال الطبقات أثناء الدورات الحرارية.

تباين السماكة

قد يؤدي الاختيار غير الصحيح للمادة المُسبقة التشريب إلى تباين سماكة اللوح النهائي.

يقوم مصنعو لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) ذوو الخبرة بتقييم هذه العوامل أثناء عملية تطوير تركيب الطبقات لتقليل مخاطر الإنتاج إلى أدنى حد ممكن.

لماذا يُعد التوافق بين المواد أمرًا مهمًا؟

غالبًا ما يتم الحصول على المواد الأساسية والمواد المُسبقة التشريب من نفس الشركة المصنعة للرقائق.

تساعد مطابقة أنظمة المواد على ضمان ما يلي:

• التمدد الحراري الثابت
• ربط موثوق
• أداء عازل كهربائي ثابت
• تحسين معدل العائد في التصنيع

قد يؤدي استخدام مواد غير متوافقة إلى ظهور مشكلات تتعلق بالموثوقية على مدار عمر المنتج.

الأسئلة الشائعة