عندما يقوم مهندس لوحات الدوائر المطبوعة بتصميم منتج، فإنه لا يقتصر على وضع المكونات وتوجيهها فحسب، بل إن تصميم مستويات الطاقة والأرضية في الطبقات الداخلية بالغ الأهمية. تتطلب إدارة الطبقات الداخلية مراعاة سلامة الطاقة، وسلامة الإشارة، والتوافق الكهرومغناطيسي، والتصميم من أجل قابلية التصنيع.
الفرق بين الطبقات الداخلية والطبقات الخارجية
تُستخدم الطبقات الخارجية لتوجيه المكونات ولحامها، بينما تُخصص الطبقات الداخلية لمستويات الطاقة والتأريض. توجد هذه الطبقات فقط في اللوحات متعددة الطبقات، حيث توفر مسارات للطاقة والتأريض. تشير التصاميم الشائعة، مثل اللوحات ثنائية الطبقات، ورباعية الطبقات، وستة الطبقات، إلى عدد طبقات الإشارة وطبقات الطاقة/التأريض الداخلية.
تصميم الطبقة الداخلية
1. طبقة الأرض تحت الإشارات الحرجة
بالنسبة للإشارات عالية السرعة والساعة والتردد، فإن وضع طبقة أرضية مباشرة أسفل هذه الإشارات يقلل من طول مسار الحلقة ويقلل الإشعاع.
2. مساحة المستوى الأرضي والمستوى الكهربائي
في تصميم الدوائر عالية السرعة، يجب تقليل الإشعاع الناتج عن مستوى الطاقة وتداخل النظام إلى أدنى حد. عادةً، ينبغي أن تكون مساحة مستوى الطاقة أصغر من مساحة مستوى الأرض للسماح لمستوى الأرض بحجب مستوى الطاقة. ومن القواعد الشائعة تقليص مساحة مستوى الطاقة إلى الداخل بمقدار ضعف سمك العازل الكهربائي مقارنةً بمستوى الأرض.
3. خطة تكديس الطبقات
يجب أن تكون مستويات الطاقة متجاورة مع مستوياتها الأرضية المقابلة لتكوين سعة اقتران. هذا، مع مكثفات الفصل، يقلل من معاوقة مستوى الطاقة ويوفر ترشيحًا فعالًا.
4. اختيار المستوى المرجعي
يُعد اختيار مستوى مرجعي أمرًا بالغ الأهمية. فبينما يُمكن استخدام كلٍّ من مستوى الطاقة والمستوى الأرضي كمستويات مرجعية، إلا أن المستوى الأرضي عادةً ما يوفر حمايةً فائقةً نظرًا لأنه مُؤرضٌ عادةً. وتُفضّل المستويات الأرضية كمستويات مرجعية.
5. تجنب التوجيه عبر المناطق
يجب ألا تتقاطع الإشارات الحرجة في الطبقات المجاورة في المناطق. قد يُؤدي التقاطع إلى حلقات إشارة كبيرة، مما يُسبب إشعاعًا واقترانًا كبيرين.
6. توجيه الطاقة والأرض
حافظ على سلامة مستوى الأرض. تجنب توجيه خطوط الإشارة عبره. إذا كانت كثافة الإشارة عالية، ففكّر في التوجيه على طول حواف مستوى الطاقة.
تصنيع الطبقة الداخلية
عملية تصنيع الطبقات الداخلية ليست سوى جزء واحد من عملية تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة المعقدة. يجب أن يأخذ إنتاج الطبقات الداخلية في الاعتبار خطوات أخرى في العملية، مثل التصفيح وتفاوتات الحفر، والتي قد تؤثر على الجودة والإنتاجية. تتطلب لوحات الدوائر المطبوعة متعددة الطبقات، على وجه الخصوص، عمليات أكثر تعقيدًا مقارنةً باللوحات أحادية أو ثنائية الطبقة. يجب على المصممين مراعاة هذه التعقيدات خلال مرحلة التصميم.
1. إزالة الفوط غير الوظيفية (NFPs)
الوسادات غير الوظيفية (NFPs) هي وسادات في الطبقات الداخلية غير متصلة بأي شبكة. أثناء تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة، تُزال هذه الوسادات لأنها لا تؤثر على وظائف المنتج، ولكنها قد تؤثر على الجودة وكفاءة الإنتاج.
(الطبقة الداخلية للوحة الدوائر المطبوعة PIC-PCB-4)
2. التعامل مع الفتحات الكثيفة في مناطق BGA
غالبًا ما تكون أجهزة BGA صغيرة الحجم وذات دبابيس مكتظة، مما يؤدي إلى تهوية كثيفة للثقوب. أثناء التصنيع، يجب أن تحافظ الثقوب على مسافة آمنة من المسارات ومناطق النحاس لمنع حدوث قصر في الدوائر الكهربائية أثناء التصفيح والحفر. إذا تعذر الاحتفاظ بالنحاس بين الثقوب، فقد يتسبب ذلك في دوائر مفتوحة في الشبكة. يجب على مهندسي CAM معالجة هذه المشكلة بإضافة جسور نحاسية بين الثقوب لضمان اتصال الشبكة.
3. معالجة التشوهات في تصميم الطبقة الداخلية
في تصميمات الطبقة الداخلية باستخدام الأفلام السلبية، إذا كانت جميع الفتحات معزولة تمامًا عن النحاس، فلن يتحقق أي اتصال وظيفي. هذه التصميمات تجعل الطبقة الداخلية غير فعالة. سيتواصل المصنعون مع المصممين للتحقق مما إذا كان التصميم مقصودًا أم أن النحاس لم يُربط بشبكة.
4. اختناقات الفيلم السلبي في الطبقات الداخلية
أثناء تقسيم مستويات الطاقة والأرض في الطبقات الداخلية، قد تُسبب الفتحات الكثيفة اختناقات في توصيل الشبكة. إذا كان الجسر النحاسي الذي يربط شبكات الطاقة ضيقًا جدًا، فلن يتمكن من نقل تيار كافٍ، مما قد يؤدي إلى تعطل اللوحة. في الحالات الشديدة، قد تُسبب الاختناقات دوائر مفتوحة، مما يُؤدي إلى عطل في التصميم.
من خلال معالجة هذه الاعتبارات، يمكن لمهندسي PCB تحسين إمكانية تصنيع الطبقات الداخلية وموثوقيتها مع تجنب أخطاء التصميم أثناء التصنيع.
