أنواع فتحات لوحة الدوائر المطبوعة: دليل كامل للمصممين والمهندسين

1. مقدمة عن فتحات لوحة الدوائر المطبوعة

لوحة الدوائر المطبوعة (PCB)، أو اختصارًا PCB، هي مكون أو وحدة بناء بالغة الأهمية لإنشاء الدوائر، حيث تُربط عليها مكونات مختلفة. ولكن العامل الأهم في تصميم لوحة الدوائر المطبوعة والتعامل معها هو أن أنواع الثقوب المختلفة تُصنع باستخدام تقنيات وعمليات مختلفة. لكل نوع من الثقوب عملية تصنيع وأداء تشغيل خاص به. وتتمثل الوظيفة الرئيسية للثقوب في تسهيل تركيب المكونات على اللوحة، وتوفير توصيلات كهربائية قوية وموثوقة، بالإضافة إلى المتانة الهيكلية للوحة الدوائر المطبوعة. في هذا البرنامج التعليمي، سنغطي أنواعًا مختلفة من ثقوب لوحات الدوائر المطبوعة، والتي تُعدّ ضرورية لتصميم وإنتاج لوحات الدوائر المطبوعة بدقة وفقًا لمتطلبات المشروع. هيا بنا نبدأ!

2. أنواع فتحات لوحة الدوائر المطبوعة

2.1 الثقوب المطلية (PTH)

ثقوب مطلية، تُعرف أيضًا باسم طلاء النحاس الخالي من الكهرباء. تُثقب هذه الثقوب عبر اللوحة وتُبطّن بالنحاس، وهو مادة موصلة للكهرباء. يُستخدم القصدير أو الذهب لبطانة الطلاء، مما يُساعد على الربط بين طبقات لوحة الدوائر المطبوعة.

وظيفة هذه الثقوب هي إنشاء توصيلات كهربائية بين طبقات لوحة الدوائر المطبوعة المختلفة أو المكونات المتصلة بها. كما تُساعد هذه الثقوب على تقليل مقاومة أسلاك المكونات والأسلاك النحاسية، مما يزيد من الاستقرار الميكانيكي لتجميع لوحة الدوائر المطبوعة.

كما أن الثقوب المطلية مفيدة أيضًا في إنشاء اتصالات قوية بين طبقات اللوحة ذات الجانبين أو طبقات اللوحة متعددة الطبقات.

الاستخدامات الرئيسية لـ PTHs هي في طلاء النحاس بالراتنج، أو طلاء النحاس، أو طلاء النحاس الماسي.

2.2 الثقوب غير المطلية (NPTH)

في هذا النوع من فتحات لوحات الدوائر المطبوعة، لا يُستخدم النحاس كطلاء على جدران الفتحات؛ ونتيجةً لذلك، لا تتمتع أسطوانات الفتحات بطبيعة موصلة أو خصائص كهربائية. يُفضل استخدامها في حال وجود مسارات نحاسية على جانب واحد من اللوحة، ولكنها ليست خيارًا جيدًا للألواح متعددة الطبقات، لأن استخدام هذه الفتحات يُقلل من عدد طبقات اللوحة.

ومع ذلك، فإن تصنيع هذه الثقوب عملية سهلة وسريعة، وتُستخدم لتجهيز ثقوب تثبيت الألواح في نقاط العمل. كما تُصنع للبراغي أو المكونات الشبيهة بالمسامير، لتثبيتها واستخدامها كمشتت حراري لتبديد الحرارة.

2.3نصف ثقوب

تُثقب أنصاف الثقوب في لوحة PCB، وتُسمى أيضًا أنصاف الثقوب الصفائحية أو الثقوب المُقوّسة، جزئيًا عبر ثقوب مُصنّعة على حافة اللوحة، وتُفرّز هذه الثقوب في منتصفها. تُستخدم هذه الثقوب للحام لوحة PCB أخرى على اللوحة الرئيسية. ببساطة، تُوصل بين لوحين منفصلين، وهي الجزء الرئيسي في توصيلات المكونات عالية الكثافة. لتوصيل بلوتوث على لوحة أخرى، تُستخدم ثقوب مُغطاة.

2.3 ثقوب عبر

الغرض الرئيسي من الثقوب العابرة هو إنشاء اتصالات كهربائية قوية لطبقات مختلفة من لوحات PCB واستخدامها أيضًا في توصيلات المكونات المطلية ذات الثقوب العابرة، وما إلى ذلك. يساعد توصيل طبقات مختلفة من اللوحات متعددة الطبقات من خلال الثقوب العابرة على تسهيل تدفق الإشارة بين الطبقات والمكونات المتصلة.

أعمى فياس

تُصنع فتحات اللوح العمياء من الطبقات العلوية أو السفلية إلى الطبقات الداخلية، ولا تمر بالكامل داخل اللوح مثل الفتحات المطلية. في هذا المنظر، لا يُمكننا رؤية الجانب الآخر من اللوح.

تُصنع هذه الفتحات باستخدام عملية حفر ميكانيكية، وأحيانًا تُستخدم أشعة الليزر لحفر الفتحات العمياء. لحفر هذه الفتحات، يجب التأكد من دقة أبعادها. صحيح أن هذه العملية صعبة، ولكن يُمكن حفر الفتحات العمياء مباشرةً على اللوحة.

الاستخدام الرئيسي للفتحات العمياء هو توصيل طبقة خارجية واحدة بطبقة داخلية واحدة على الأقل. نسبة العرض إلى الارتفاع لهذه الفتحات هي ١:١ أو أكبر.

تشكل الفتحات العمياء جزءًا من تصنيع PCB HDI، ولكن تأكد من أن اللوحة التي تحتوي على فتحات عمياء ليست دائمًا PCB HDI.

دفن فيا 

تُصنع الفتحات المدفونة بين الطبقات الداخلية للوحة الدوائر المطبوعة، وهي غير مرئية من الجانب الخارجي للوحة. الغرض الرئيسي من هذه الفتحات هو توصيل طبقتين داخليتين أو أكثر. لكل مستوى توصيل، عرّف الفتحات على أنها ملفات حفر منفصلة.

نسبة العرض إلى الارتفاع للفتحات المدفونة هي 1:12 أو أكبر.

وفقًا لمعايير IPC، فإن القطر الموصى به للفتحات العمياء والفتحات المدفونة لا يزيد عن 6 مل.

مكدسة فيا

فتحات التوصيل المكدسة هي فتحات توصيل مخفية أو مخفية تُستخدم لإنشاء وصلات بين طبقات مختلفة من اللوحات لأكثر من ثلاث طبقات من الدوائر. تأتي الفتحات المكدسة بفتحتين أو أكثر مُركّبتين فوق بعضهما البعض، وتمر عبر طبقات متعددة من اللوحات.

تُستخدم الفتحات المكدسة بشكل رئيسي في اللوحات متعددة الطبقات، وكذلك في لوحات HDI. صُممت الفتحات المكدسة بحيث تحتوي كل فتحة في المكدس على طبقة داخلية واحدة من اللوحة.

الميزة الرئيسية لهذه الفتحات هي توفير توصيلات كهربائية مستمرة في طبقات مختلفة. تُستخدم الفتحات المكدسة في المشاريع ذات المساحة المحدودة والتصميم المعقد.

متداخلة فيا

تُصنع الفتحات المتدرجة عند توصيل فتحات مختلفة في طبقات لوحة الدوائر المطبوعة، ولكن دون تداخل. تأتي الفتحات المتدرجة مع العديد من الفتحات في هذه الوصلات، والتي لا يوجد بينها اتصال مباشر نظرًا لاختلاف محاور الحفر.

تُشكّل الفتحات المتدرجة نمطًا متعرجًا على اللوحة عند رؤيتها من أي جانب. تُستخدم الفتحات المتدرجة بشكل رئيسي في لوحات HDI ولوحات الدوائر المطبوعة متعددة الطبقات.

تخطي فياس

يمر هذا المسار عبر طبقات عديدة من اللوحة، ولكنه لا يحتوي على أي اتصال كهربائي مع أي طبقة. يمكن أن تكون المسارات المتخطية مسارات متداخلة، أو مسارات عمياء، أو مسارات مدفونة. تُعد هذه المسارات مهمة للوحة HDI لإنشاء دوائر مدمجة ومعقدة. تُنشئ المسارات المتخطية وصلات كهربائية رأسية بين طبقات اللوحة، مما يُؤدي إلى تكديس كثيف للمكونات وتقليل طول مسار الإشارة.

فياس-إن-باد

يُعدّ ثقب لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) نوعًا أقل شيوعًا من ثقوب لوحة الدوائر المطبوعة، وفي هذا التصميم، يُصنع الثقب مباشرةً أسفل لوحة مُكوّن التركيب السطحي بدلًا من توجيه مساره حولها. يُربط ثقب لوحة المُكوّن في الطبقات العليا بالطبقة الداخلية للوحة.

من أهم مميزات هذه الفتحات سهولة التوجيه والتحكم في المحاثة الطفيلية. عيبها هو أن معجون اللحام يمر عبر الفتحات أثناء إعادة الصهر، مما يؤثر على لحام لوحة الدائرة المطبوعة.

2.4 فتحات التركيب

تُصنع فتحات التركيب في لوحة الدوائر المطبوعة لتوفير نقاط لتثبيت اللوحة مع الهيكل. تتميز هذه الفتحات بأحجام أكبر من أنواع فتحات اللوحات الأخرى، وعادةً ما تُصنع في زوايا اللوحة. ولضمان اتصال قوي ومستقر بين اللوحة ومكونات التركيب، تُوضع وسادات نحاسية حول فتحات التركيب.

2.5 ثقوب غاطسة وثقوب غاطسة

تُصنع ثقوب التجويف المُخروطي للبراغي أو البراغي، وتأتي برؤوس مسطحة القاع ذات حجم أكبر مقارنةً بتصميمات البراغي. تأتي هذه الثقوب بقطرين: قطر أكبر في الجزء العلوي لتثبيت رأس البرغي، وقطر أصغر لتركيب جسم البرغي أو البراغي.

تُستخدم المثاقب ذات الرؤوس المخروطية في التطبيقات التي تتطلب رؤوسًا مدببة للبراغي. تُصنع هذه الثقوب بزاوية مخروطية تتناسب مع تدرج الجزء العلوي من رأس البرغي، مما يُساعد البرغي على الثبات على سطح اللوح. ولصنع المثاقب ذات الرؤوس المخروطية، تُستخدم عادةً رؤوس حفر بزاوية 82 أو 90 درجة.

صورة ثقوب غاطسة وثقوب غاطسة

2.6 فتحات مرجعية (فتحات محاذاة)

الثقوب المرجعية، المعروفة أيضًا باسم ثقوب المحاذاة، هي ثقوب صغيرة ومحددة تُحفر على اللوحة، وتُستخدم كنقاط مرجعية لأدوات التصنيع الآلية. ميزتها الرئيسية هي توفير محاذاة دقيقة في مراحل مختلفة، مثل توصيل المكونات، وعملية الاستنسل، والاختبار، مما يضمن توصيل جميع المكونات على اللوحة بدقة لتجميعها.

الصورة: الثقوب المرجعية

2.7 أنواع خاصة من فتحات لوحة الدوائر المطبوعة

• ثقوب الطوابع

ثقوب الختم، وتُسمى أيضًا ثقوب الانفصال، هي ثقوب صغيرة تُصنع بالتتابع أو الصف مع حواف كل لوحة دائرة في اللوحة. تشبه هذه الثقوب حواف الختم، ولذلك تُعرف باسم ثقوب الختم. الاستخدام الرئيسي لهذه الثقوب هو فصل لوحات الدوائر المطبوعة. في عملية الفصل، تُفصل لوحة واحدة عن اللوحة الأكبر. تُستخدم هذه العملية لزيادة كفاءة الإنتاج وخفض التكاليف.

3. اعتبارات تصميم ثقب لوحة الدوائر المطبوعة

يجب أخذ العديد من العوامل في الاعتبار عند تصميم فتحة PCB والتي تم إدراجها هنا.

حجم الفتحة ونسبة العرض إلى الارتفاع

يعتمد حجم الثقب على تقنيات الحفر وعدد طبقات اللوح. تُسمى نسبة عمق الثقب إلى قطره نسبة العرض إلى الارتفاع.

تقنية الحفر	الحد الأدنى لقطر الثقب	الحد الأقصى لنسبة العرض إلى الارتفاع
الحفر الميكانيكي	سماكة 0.2 ملم	10:1
الحفر بالليزر (الميكروفياس)	سماكة 0.075 ملم	٧:٣٠ صباحاً إلى ٣:١٠ بعد الظهر
النقش الكيميائي	~50 ميكرومتر	~ 1: 1
التفريغ الكهربائي (EDM)	سماكة 0.1 ملم	5:1
الحفر بالموجات فوق الصوتية	سماكة 0.2 ملم	5:1

تفاصيل تسامح الحفر والحلقة الحلقية

الحلقة الحلقية عبارة عن غطاء نحاسي حول الفتحة المطلية. إذا لم يكن عرض الحلقة مناسبًا، فسيؤدي ذلك إلى مشاكل في موثوقية اللوحة.

حجم الثقب (مم)	تسامح الحفر (± مم)	الحلقة الحلقية الصغرى (مم)
≤ 0.3	± 0.025	0.1
٢٠٢٤/٢٠٢٣	± 0.05	0.15
> 0.6	± 0.075	0.2

سمك الطلاء لـ PTH وVias

يضمن سمك الطلاء وفقًا لمتطلبات التصميم قوة ميكانيكية جيدة للوحة والتوصيل الكهربائي.

حفرة	سمك طلاء النحاس	Standard
ثقب مطلي (PTH)	25-50 ميكرومتر	إيبك-6012
مايكروفيا (HDI)	5-25 ميكرومتر	إيبك-6016
أعمى/مدفون عبر	15-30 ميكرومتر	إيبك-6012
فياس-إن-باد	25 – 50 ميكرومتر (مملوء ومطلي)	إيبك-4761

الخامة

يؤثر استخدام المواد للوحة أيضًا على دقة الفتحة

الخامة	ميزة الحفر
FR-4	يتميز بسهولة الحفر ويمكنه التعامل بسهولة مع جميع أنواع الثقوب
FR-4 عالي TG	ولجعل الثقوب في هذه المادة أقوى، يتم استخدام رؤوس الحفر
ثنائي الفينيل متعدد الكلور الألومنيوم	يتم استخدام التوجيه CNC أو المثاقب الخاصة لصنع الثقوب في هذه اللوحة.
ثنائي الفينيل متعدد الكلور السيراميك	يتم استخدام الحفر بالموجات فوق الصوتية أو الليزر لعمل ثقوب في الألواح الخزفية
مرنة ثنائي الفينيل متعدد الكلور	يتم استخدام الحفر الكيميائي أو الحفر بالليزر

4. وظائف فتحات لوحة الدوائر المطبوعة

الاتصال الكهربائي بين الطبقات

الاستخدام الرئيسي للثقوب في لوحات الدوائر المطبوعة هو إنشاء توصيلات كهربائية بين طبقاتها. مثل الثقوب المطلية، تساعد هذه الثقوب على نقل الإشارة والطاقة من جانب إلى آخر من اللوحة.

تساعد الفتحات العمياء والمدفونة والمرور عبر الثقوب في إنشاء اتصالات متعددة الطبقات للوحات PCB HDI.

لنقل الإشارة بسرعة عالية في تصميمات مضغوطة مختلفة، يتم استخدام الفتحات الدقيقة.

تركيب المكون

يتم استخدامها بشكل أساسي لتوصيل المكونات على اللوحة من خلال تقنية التركيب من خلال الفتحة، أو تستخدم تقنية THT فتحات مطلية من أجل لحام أسلاك المكونات وإدخالها في الفتحات.

تُوفر فتحات لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) اتصالاً قوياً باللوحة مقارنةً بـ SMT. وتُعدّ هذه الفتحات مثالية لتوصيل المكونات عالية الطاقة، مثل الموصلات والمكثفات.

التشتت الحراري

تُعالج فتحات لوحة الدوائر المطبوعة أيضًا تبديد الحرارة الناتجة عن مختلف المكونات على اللوحة، وتمنع ارتفاع درجة حرارتها. تساعد الفتحات الحرارية على تدفق الحرارة من المكونات الساخنة إلى المشتت الحراري. بينما تزيد الفتحات الموجودة في الوسادة من تبديد الحرارة من خلال التحكم في المقاومة الحرارية.

5. المشاكل الشائعة في ثقوب لوحة الدوائر المطبوعة وكيفية تجنبها

ثقب محاذاة

• في وضع حفر ثقب العطل هذا، لا يتوافق مع المتطلبات، ويؤدي إلى خطأ في توصيل وسادات المكونات والطبقات الداخلية. ينتج هذا الخطأ عن انقطاعات كهربائية أو تقنيات لحام غير صحيحة.
• ويحدث أيضًا بسبب تمدد مادة اللوحة أثناء التصنيع.
• لتجنب هذه المشكلة، استخدم علامات مرجعية في نقاط محددة واستخدم مواد عالية الجودة لتجنب التمدد/الانكماش.
• إذا كنت تعمل على لوحات متعددة الطبقات، فاستخدم ميزات التحقق من محاذاة الأشعة السينية.

حلقة حلقية غير كافية

• في هذا الخطأ، لا تفي لوحة النحاس بالمتطلبات المتعلقة بالثقوب أو تكون صغيرة الحجم، مما يؤثر على الخصائص الميكانيكية والكهربائية. ونتيجة لذلك، تتكون دوائر مفتوحة أو وصلات لحام ضعيفة على اللوحة.
• لحل هذه المشكلة، اضبط التفاصيل الحلقية. استخدم حجمًا مناسبًا للوسادة في حالة وجود أي اختلالات طفيفة.

ثقوب الحفر المتداخلة

• في هذا الخطأ، تتداخل ثقوب الحفر مع بعضها البعض، مما يُؤدي إلى تصميم سيء للوحة. ونتيجةً لذلك، يحدث كسر في النحاس وانفصال في طبقاته.
• يحدث ذلك بسبب تكوين ثقب غير صحيح في تصميم اللوحة.
• استخدم مسافة مناسبة بين الثقوب وبتات حفر أكبر لتجنب التداخل.

أحجام الثقوب غير صحيحة

• في هذا الخلل، تكون الثقوب أكبر وأصغر حجمًا، مما يؤثر على دقة إدخال المكونات. يؤثر هذا الخلل على خصائص اللحام والتوصيلات الكهربائية.
• يحدث هذا الخطأ بسبب خطأ في حجم الحفر في ملفات Gerber وسمك الطلاء الخاطئ.
• لحل هذه المشكلة، اتبع حجم الفتحة القياسي وفقًا للقيمة المحددة. واضبط سمك الطلاء.

خاتمة

ثقب لوحة الدوائر المطبوعة هو المكون الرئيسي لتصميم لوحة الدوائر المطبوعة والعمل السليم في أي أجهزة ومشاريع إلكترونية. هذه الثقوب مهمة لتوفير الاتصال الكهربائي بين طبقات اللوحات المختلفة والقوة الميكانيكية. هناك أنواع مختلفة من ثقوب لوحة الدوائر المطبوعة، مثل الثقوب غير المطلية، والثقوب المطلية، والثقوب العابرة مثل الثقوب العابرة، والثقوب العمياء، والثقوب المدفونة، والثقوب الدقيقة، إلخ. يأتي كل منها بميزاته وأهميته لتصميم لوحة الدوائر المطبوعة وعملها. لكل نوع من ثقوب لوحة الدوائر المطبوعة تصميمه وميزاته، ولكن الغرض الرئيسي المستخدم في اللوحة هو إجراء التوصيلات الكهربائية بين طبقات لوحة الدوائر المطبوعة، وتركيب المكونات، وإجراء اتصالات مع المكونات الخارجية على اللوحة. تأتي لوحات الدوائر المطبوعة القديمة في الغالب بفتحات مطلية لتركيب مكونات الثقوب العابرة، ومع الطلب الكبير على اللوحات عالية الكثافة يعني الآن أن الشركات المصنعة تستخدم مكونات مثبتة على السطح ليست ثقوبًا مطلية. بالنسبة للثقوب المصغرة عالية الكثافة، يتم استخدام الليزر المثقوب.