أساسيات ألواح الدوائر المطبوعة (PCB)

نظرة عامة

تُعتبر ألواح الدوائر المطبوعة (printed circuits boards) والتي تُكتب اختصاراً PCB أحد العناصر الرئيسية في عالم الإلكترونيات. فهي عنصر رئيسي لدرجة أن كثير من الناس يغفلون عن تفسير ماهيتها. وفي هذا الدرس سنقوم بشرح تركيب تلك الألواح ومكوناتها والمصطلحات شائعة الاستخدام في عالم PCB.

في الصفحات القليلة القادمة سنقوم بمناقشة تركيب ألواح الدوائر المطبوعة، مع تغطية المصطلحات المرتبطة بها، ونلقي نظرة على كيفية تركيب المكونات عليها، بالإضافة إلى مناقشة عملية تصميم PCB وكيفية صناعتها.

مواضيع مُقترحة للقراءة

قبل الخوض في هذا الدرس هناك بعض المفاهيم التي تحتاج للتعرف عليها، لأن هذا الدرس مبني عليها:

• ما هي الكهرباء؟
• ما هي الدائرة الكهربية؟
• الجهد، التيار، المقاومة، وقانون أوم
• أساسيات الوصلات
• اللحام -التثبيت عبر الثقوب

ما هي ألواح الدوائر المطبوعة PCB؟

الاسم الأشهر والأكثر استخداماً هو ألواح الدوائر المطبوعة، ولكنها تُسمى أيضاً “ألواح التوصيلات المطبوعة (printed wiring boards)” أو “بطاقات التوصيل المطبوعة (printed wiring cards)”. قبل ظهور ألواح PCB كان يتم اللجوء لاستخدام طريقة التوصيل نقطة بنقطة (point-to-point wiring) المُرهقة. وكان ذلك يؤدي إلى حدوث كثير من المشاكل في مناطق تقاطع الأسلاك، بالإضافة إلى حدوث دوائر قصر (short circuits) عند تشقق عوازل الأسلاك مع مرور الوقت.

بعد ذلك حدث تقدم في هذا المجال يتمثل في استخدام طريقة لف الأسلاك (wire wrapping)، حيث يتم استخدام قضبان معدنية يتم تثبيتها عند كل نقطة توصيل ومن ثم يتم استخدام أسلاك رفيعة للتوصيل بين تلك النقاط. كانت هذه طريقة جيدة حيث كانت توفر متانة عالية مع إمكانية تغيير المكونات بسهولة.

كان لتحول عالم الإلكترونيات من استخدام الأنابيب المفرغة (vacuum tubes) والمرحلات (relays) إلى استخدام السليكون والدوائر المتكاملة (integrated circuits) أثر كبير جداً في تقليل حجم وتكلفة المكونات الإلكترونية. وبدأ انتشار استخدام الإلكترونيات في السلع الاستهلاكية. وأدى سعي المُصنعين المستمر نحو تصغير حجم وتكلفة تصنيع المُنتجات الإلكترونية إلى البحث عن حلول أفضل، ومن هنا كان ظهور ألواح الدوائر المطبوعة PCB.

PCB هو اختصار لـ printed circuit boards.  ألواح PCB هي عبارة عن ألواح تحتوي على خطوط ووسائد (pads) تقوم بالتوصيل بين عدة نقاط معاً. في الصورة الموجودة بالأعلى نجد عدة مسارات (traces) تقوم بالتوصيل الكهربي بين العديد من الوصلات والمكونات الإلكترونية، وتسمح ألواح PCB بانتقال الإشارات والطاقة بين مختلف تلك المكونات والأجهزة. أما اللحام (solder) فهو المعدن المسئول عن التوصيل الكهربي بين سطح ألواح PCB والمكونات الإلكترونية المختلفة، وبكون اللحام معدن فهو يُعتبر أيضاً مادة لاصقة ميكانيكية قوية.

التركيب (composition)

يُمكن تشبيه ألواح الدوائر المطبوعة بكعكة متعددة الطبقات أو بساندويتش، حيث أنها تحتوي على عدة طبقات تبادلية من مواد مختلفة يتم دمجها معاً باستخدام الحرارة ومادة لاصقة، وبذلك تنتج لدينا قطعة واحدة.

لنبدأ من المنتصف إلى الخارج.

الفايبرجلاس (FR4)

المادة الرئيسية أو طبقة الأساس (substrate)، وغالباً تكون من الزجاج الليفي (الفايبرجلاس) (fiberglass). وتاريخياً كان التسمية التي تُطلق على الفايبرجلاس هي “FR4”. هذا الأساس الصلب يمنح ألواح الدوائر المطبوعة الصلابة والسمك. هناك أيضاً ألواح PCB مرنة مبنية على البلاستيك الحراري المرن (الكابتون (kapton) أو بديل له).

هناك ألواح PCB وألواح مُثقبة (perf boards) كالموضحة بالأعلى تكون ذات تكلفة أقل، وتُصنع من مواد مُختلفة مثل الإيبوكسي (epoxies) ومُشتقات الفينول (phenolics) التي تفتقد لمتانة الفايبرجلاس، ولكنها أرخص بكثير في السعر. يُمكنك معرفة أنك تستخدم لوح PCB من هذا النوع أثناء قيامك باللحام؛ حيث يكون لها رائحة مُميزة سيئة للغاية. هذه الأنواع من طبقات الأساس توجد بشكل رئيسي في الإلكترونيات الاستهلاكية البسيطة منخفضة الجودة. درجة التحلل الحراري (thermal decomposition temperature) لمُشتقات الفينول منخفضة، مما يسبب تحللها واحتراقها وتفحمها عندما يتم وضع مكواة اللحام (soldering iron) لمدة طويلة على اللوح.

النحاس (copper)

لوح PCB مكشوفة التوصيلات النحاسية الخاصة به، بدون غطاء اللحام أو الشاشة الحريرية.

الطبقة التالية عبارة عن رقاقة نحاسية يتم تثبيتها على اللوح باستخدام الحرارة والمادة لاصقة. في ألواح PCB ثنائية الجانب (double-sided PCB) شائعة الاستخدام يتم وضع النحاس على طبقة الأساس من كلا الجانبين. أما في ألواح PCB الخاصة بالأجهزة الإلكترونية البسيطة يتم وضع النحاس من جهة واحدة فقط على طبقة الأساس. عندما نقول لوح ثنائي الجوانب (double sided) أو لوح ذو طبقتين (2-layer board) فنحن نُشير إلى عدد طبقات النحاس (2) الموجودة في اللوح. هناك مدى كبير يمكن أن يقع فيه عدد طبقات النحاس يتراوح بين طبقة واحدة و16 طبقة.

يختلف سمك النحاس بين لوح وآخر، ويتم تحديده بواسطة الوزن بوحدة أوقية لكل قدم مربع (ounces per square foot). ويكون وزن طبقة النحاس في الأغلبية العظمى من ألواحPCB  أوقية واحدة لكل قدم مربع، لكن في بعض ألواح PCB الأخرى التي تُصنع للتعامل مع كميات كبيرة من الطاقة يتم استخدام النحاس بوزن 2 أو 3 أوقيات لكل قدم مربع. كل أوقية لكل قد مربع تعني أن سمك طبقة النحاس حوالي 35 ميكرو متر أو 1.4 جزء من الألف من البوصة.

غطاء اللحام (Soldermask)

الطبقة التالية بعد رقاقة النحاس تُسمى طبقة غطاء اللحام. هذه الطبقة هي التي تمنح ألواح PCB لونها الأخضر (أو أي لون آخر). يتم وضع تلك الطبقة على طبقة النحاس لعزل المسارات النحاسية من الاتصال الغير مقصود مع أي معدن أو لحام أو أطراف موصلة أخرى. هذه الطبقة تساعد المستخدم في وضع اللحام في مكانه الصحيح وتجنب اللحام الخاطئ.

في المثال بالأعلى نرى غطاء اللحام الأخضر موضوعاً على مُعظم لوح PCB، مُغطياً المسارات النحاسية وتاركاً الحلقات الفضية ووسادات التثبيت السطحي (SMD pads) مكشوفة لكي يتم لحام المُكونات والوصلات عليها.

الشاشة الحريرية (Silkscreen)

يتم وضع طبقة بيضاء من الشاشة الحريرية أعلى طبقة غطاء اللحام. وتُستخدم هذه الطبقة في إضافة الأحرف والرموز والأرقام إلى ألواح PCB، مما يُسهل على المستخدم تجميع المكونات على الألواح وفهمها بشكل أفضل. في الغالب يتم استخدام الطباعة بالشاشة الحريرية للإشارة إلى وظيفة كل منفذ أو ديود على اللوح.

أكثر الألوان شيوعاً لطبقة الشاشة الحريرية هو اللون الأبيض، ولكن من الممكن استخدام حبر بأي لون آخر. فالألوان الأسود والرمادي والأحمر والأصفر يتم استخدامها بكثرة كذلك. لكن من النادر أن يتم استخدام أكثر من لون على نفس اللوح.

المصطلحات (Terminology)

الآن أصبحتم على علم بتركيب ألواح PCB، دعونا نقوم بتعريف بعض المُصطلحات التي يُمكن أن تسمعها بكثرة عند تعاملك مع ألواح PCB:

• الحلقة الدائرية (Annular ring): حلقة من النحاس تحيط بثقوب التثبيت على ألواح PCB.

أمثلة على الحلقات الدائرية

• فحص قواعد التصميم (design rule check (DRC)): برنامج يُستخدم لفحص التصميم للتأكد من خلوه من أي أخطاء، مثل وجود تلامس غير مقصود بين مسارين، أو وجود مسارات نحيفة للغاية، أو وجود ثقوب تثبيت ضيقة للغاية.
• مواضع الحفر (Drill hit): الأماكن التي يجب حفر الثقوب فيها من التصميم، أو الأماكن التي تم ثقبها بالفعل على اللوح. ويُعد وجود مواضع حفر غير دقيقة أحد مشاكل التصنيع الشائعة، وسبب ذلك يعود لاستخدام قواطع سيئة.

مواضع حفر غير دقيقة، ولكنها تفي بالغرض.

• الإصبع (Finger): وسائد معدنية مكشوفة (عارية) على طول حافة اللوح يتم استخدامها للتوصيل بين اثنين من ألواح PCB. ومن الأمثلة الشائعة لذلك ألواح الذاكرة (memory boards) التي يمكن إضافتها إلى الكمبيوتر، وكذلك الشرائط (الخراطيش) التي كنا نستخدمها مع ألعاب الأتاري (Atari).
• القواطع (Mouse Bites): تُستخدم كبديل لـ v-score لفصل الألواح من الألواح الكبيرة (panels). وهي عبارة عن عدد من مواضع الحفر متقاربة مع بعضها البعض، مما ينتج عنه نقطة ضعيفة يُمكن كسر اللوح عندها بعد عملية التصنيع.

القواطع على لوح LilyPad ProtoSnap تُتيح تقطيع اللوح إلى أجزاء بسهولة.

• الوسادة (pad): جزء معدني مكشوف على سطح اللوح، حيث يتم لحام أحد المكونات عليه.

في الأعلى وسائد التثبيت عبر الثقوب (plated through-hole (PTH) pads)، وفي الأسفل وسائد التثبيت السطحي (surface mount device (SMD) pads).

• اللوح الكبير (Panel): لوح دوائر مطبوعة يتكون من العديد من ألواح الدوائر الأصغر، حيث يتم فصل تلك الألواح الأصغر من الألواح الكبيرة حتى يمكن استخدامها. عادة ما تحدث مشاكل في المُعدات الآلية الخاصة بصناعة الألواح عند صناعة ألواح صغيرة، لذلك يتم تجميع عدة ألواح معاً وإنتاجها على هيئة لوح كبير (panel). وُتسهم هذه العملية في زيادة سرعة التصنيع بشكل كبير.
• مرسام عجينة اللحام (Paste stencil): مرسام معدني (أو بلاستيكي أحياناً) رفيع يتم وضعه على اللوح أثناء عملية اللحام لكي نتمكن من وضع اللحام في مكانه الصحيح بدقة أثناء تركيب المُكونات.

Abe يقوم بشرح سريع لكيفية استخدام مرسام عجينة اللحام أثناء عملية اللحام.

• الالتقاط والوضع (Pick-and-place): الماكينة أو العملية التي يتم خلالها تثبيت المكونات على لوح الدوائر.

Bob يقوم بعرض ماكينة الالتقاط والوضع MyData الخاصة بـ SparkFun.

• المستوى (Plane): ويُطلق عليه أيضاً الصبيب (pour). عبارة كتلة متواصلة من النحاس موضوعة على لوح PCB.

عدة قطاعات من لوح PCB لا تحتوي على مسارات، وتحتوي بدلاً من ذلك على صبيب أرضي (ground pour).

• ثقب التثبيت (plated through hole): ثقب موجود على اللوح له حلقة دائرية وينفذ بشكل كامل بين جانبي اللوح. من الممكن استخدام هذه الثقوب كنقاط توصيل للمكونات التي يتم تثبيتها عبر الثقوب، أو استخدامها لنقل الإشارات خلالها، أو كثقب للتثبيت.

مُقاوم PTH موضوع على لوح FabFM PCB وجاهز للحام. تنفذ أرجل المقاوم عبر الثقوب لكي يتم لحامها من الجانب الآخر. ومن الممكن أن تكون هناك مسارات توصيل مُتصلة بتلك الثقوب على كلا جانبي لوح PCB.

• قلم بوجو (Pogo pin): أداة إحداث تلامس ذات زنبرك يتم استخدامها لعمل توصيل بشكل مؤقت لأغراض الاختبار أو البرمجة.

قلم بوجو ذو حافة مُدببة. نستخدم هذه الأداة كثيراً جداً للقيام بالاختبارات.

• إسالة اللحام (Reflow): إسالة اللحام للقيام بالتوصيل بين الوسائد وأطراف المكونات.
• الشاشة الحريرية (Silkscreen): الأرقام والأحرف والرموز والصور الموجودة على ألواح PCB. في الغالب يتم استخدام لون واحد، ويكون حجم تلك الصور والرموز صغيراً للغاية.

الشاشة الحريرية تشير إلى أن هذا الديود المضيء (LED) هو ديود قدرة (power LED)

• الفتحة (Slot): أي ثقب غير مُستدير في اللوح. في بعض الأحيان يتم إضافة الفتحات لزيادة تكلفة اللوح لأنها تتطلب وقتاً إضافياً لقطعها.

فتحات مُعقدة مقطوعة في لوح ProtoSnap – Pro Mini. لاحظ وجود العديد من القواطع في اللوح. ملحوظة: حواف الفتحات لا يمكن أن تكون مربعة بشكل كامل لأنه تُقطع باستخدام حفار دائري دوار.

• عجينة اللحام (Solder paste): كرات صغيرة من اللحام موضوعة في مادة هلامية (جيل). وباستخدام المرسام يتم وضع هذه العجينة على وسائد التثبيت السطحي الموجودة على سطح ألواح PCB قبل أن يتم وضع المكونات من أجل التثبيت. وينتج من عملية الإسالة إنشاء وصلات كهربية وميكانيكية بين الوسائد والمكونات.

عجينة لحام موضوعة على سطح لوح PCB قبل وضع المكونات مباشرة. عليك أن تقرأ عن مرسام عجينة اللحام كذلك.

• إناء اللحام (Solder pot): إناء يُستخدم للقيام بلحام المكونات التي يتم تثبيتها عبر الثقوب يدوياً بشكل سريع. فهو يحتوي على كمية صغيرة من اللحام المُسال يتم غمس اللوح فيها سريعاً، لينتج عن ذلك وجود وصلات من اللحام على جميع الوسائد المكشوفة.
• غطاء اللحام (Soldermask): طبقة من مادة واقية موضوعة على طبقة المعدن لمنع حدوث دوائر القصر والتآكل والمشاكل الأخرى. عادة يكون لون هذا الغطاء أخضر، ولكن من الممكن استخدام ألوان أخرى (الأحمر في منتجات SparkFun، الأزرق مع ألواح أردوينو، الأسود لدى شركة آبل). وأحياناً يُطلق عليه اسم المُقاوم (resist).

غطاء لحام يُغطي مسارات الإشارة، ولكنه يترك وسائد اللحام مكشوفة.

• قافز اللحام (Solder jumper): قطرة صغيرة غير مرغوب بها من اللحام تصل بين منفذين متجاورين على أحد مكونات لوح الدوائر.
• التثبيت السطحي (Surface mount): طريقة تثبيت تسمح بأن يتم وضع المكونات بسهولة على اللوح، ولا تطلب تمرير أرجل المكونات عبر ثقوب اللوح. هذه الطريقة هي الطريقة الأكثر انتشاراً لتجميع المكونات حالياً، وتسمح بتثبيت المكونات على الألواح بسهولة وسرعة.
• Thermal: مسار صغير يستخدم لتوصيل الوسائد بالمستوى (plane). ووظيفته الوصول بالوسادة إلى درجة حرارة عالية بما فيه الكفاية لعمل وصلة لحامية قوية. في حالة عدم وجود حرارة كافية تستغرق عملية إسالة اللحام وقتاً أطول.

على اليسار وسادة لحام تحتوي على مسارين صغيرين (thermals) تصل بين المنفذ (pin) والمستوى الأرضي. وعلى اليمين نجد فايا لا تحتوي على thermal.

• Thieving: خطوط شبكية أو نقاط من النحاس تُترك في الأماكن التي لا يوجد عليها مسارات أو مستوى على اللوح. مما يُسهل عملية الحفر على اللوح بسب نقص الوقت المطلوب لإزالة النحاس الغير مرغوب به.
• المسار (trace): خط مستمر من النحاس على لوح الدائرة المطبوعة.

مسار ضيق يصل بين وسادة إعادة الضبط (reset) ومكان ما آخر على لوح أردوينو. ومسار آخر أكثر اتساعاً يصل بين بمنفذ الطاقة 5V.

• V-score: قطع جزئي في اللوح، يسمح بتقسيم اللوح بسهولة بطول خط معين.
• فايا (Via): ثقب في اللوح يُستخدم لتمرير الإشارات من طبقة إلى أخرى. أحياناً يتم تغطية الفايا بغطاء اللحام لحمايتها من أن يتم لحام أحد المكونات عليها ويُطلق عليها عندها Tented via. أما الفايا التي يتم تثبيت المكونات والوصلات بها لا يتم تغطيتها لكي يتم اللحام عليها بسهولة.

وجه وظهر لوح PCB يظهر عليه فايا مُغطاه. هذه الفايا تقوم بنقل الإشارات من الوجه الأمامي للوح إلى الجزء الخلفي مروراً بمنتصف اللوح.

• اللحام بالموجات (wave solder): طريقة لحام تُستخدم مع المكونات التي يتم تثبيتها عير الثقوب على الألواح، حيث يتم تمرير اللوح خلال موجة موقوفة (standing wave) من اللحام المُسال، والتي تنجذب بدورها إلى الوسائد المكشوفة وأطراف المكونات.

تصميم لوح PCB خاص بك!

ما رأيك في تصميم لوح PCB خاص بك بنفسك؟ لا يتسع المجال لدينا لشرح جميع ما يتعلق بتصميم ألواح PCB في هذا الدرس، ولكن إذا كانت تريد حقاً البدء بتصميم أحدها فإليك بعض النصائح:

1. ابحث عن حزمة برمجية للتصميم بمساعدة الحاسوب (CAD): هناك العديد من الخيارات المجانية أو منخفضة التكلفة مٌتاحة في السوق للاختيار من بينها لتصميم ألواح PCB. لكن من المهم مراعاة بعض النقاط أثناء اختيار تلك الحزمة:

• الدعم المجتمعي: هل هناك كثير من الأشخاص يستخدمون هذه الحزمة؟ فكلما زاد عدد المستخدمين لحزمة ما زادت احتمالية عثورك على مكتبات جاهزة بالأجزاء التي تحتاجها.
• سهولة الاستخدام: إذا كانت هناك صعوبة في استخدام الحزمة فمن الأفضل ألا تستخدمها من الأساس.
• الإمكانيات المتاحة: بعض البرامج المجانية تضع قيود على الاستخدام: عدد الطبقات أو عدد المكونات أو حجم اللوح أو غير ذلك، وتتيح الحصول على الإمكانيات الكاملة للبرنامج مُقابل الترقية للنسخة المدفوعة.
• إمكانية النقل: بعض البرامج المجانية لا تسمح لك بتصدير أو تحويل تصميماتك، وتجبرك على التعامل مع مورد واحد فقط.

2. ابحث عن تصميمات الآخرين، وتعرف على ما قاموا بإنجازه. فالعتاد مفتوح المصدر قد سهل الكثير من الأمور على المصممين.
3. تدرب باستمرار ومارس بدون توقف.
4. لا تتوقع نتائج مُبهرة من البداية: من الطبيعي أن يحتوي أول لوح تصممه على الكثير من المشاكل. ومن الطبيعي أن يقل عدد تلك المشاكل تدريجياً مع زيادة خبرتك وتصميمك للمزيد، ولكن لا بد من وجود البعض منها. فلن تستطيع التخلص من تلك المشاكل بشكل كامل.
5. المُخططات هامة للغاية. محاولة تصميم لوح بدون القيام بعمل مُخطط له من البداية يُعد ضرباً من ضروب العبث.

وأخيراً، بعض الكلمات حول الفائدة العائدة من تصميم ألواح PCB بنفسك. إذا كنت تخطط لعمل أكثر من لوح أو اثنين لمشروع ما فإن المنفعة من تصميم الألواح بنفسك تُعتبر جيدة. فتصميم الدوائر على ألواح التجارب عن طريق توصيل الأسلاك بين كل نقطة والأخرى يُعتبر أمراً شاقاً ويُسبب العناء والكثير من الأخطاء، كما أنه أقل متانة من الألواح المُصممة لغرض معين. كما أن ذلك يفتح لك الطريق لبيع تصميمك إذا اكتسب شعبية تسمح بذلك.

المصادر والمُضي قُدماً

ألواح PCB هي مُجرد بداية! ونحن نرشح لك المواضيع الآتية لتتقدم أكثر:

• اللحام عبر الثقوب
• كيف تقرأ مُخططاً
• تجميع الإلكترونيات (قريباً)

بالانجليزي

• كيف تقوم بتثبيت برنامج Eagle الخاص بألواح PCB (How to install and setup Eagle PCB software)
• كيف تصمم لوح دوائر مطبوعة PTH: المُخططات (How to layout PTH PCBs: Schematic)
• كيف تصمم لوح دوائر مطبوعة PTH: تصميم اللوح (How to layout PTH PCBs: Board Layout)
• إنشاء وسائد SMD (Creating SMD Footprints)
• إنشاء ألواح PCB تستخدم SMD (Creating SMD PCBs)

تمّت ترجمة هذه المادّة من موقع sparkfun تحت تصريح كرييتف كومّونز 3 (Creative Commons 3.0)