عبدالله خيريالخطوات
سنبدأ من بداية مرحلة الإنتاج، وهذا يعني أنه قم تم الانتهاء بالفعل من التصميم وتمت مراجعته، وتم عمل نموذج أولي، وسيبدأ العمل على تصنيع الألواح. سنبدأ الآن في صناعة لوح PCB.
إذا كنت جديداً تماماً في مجال الإلكترونيات فمن الأفضل أن تقوم بقراءة درس أساسيات ألواح الدوائر المطبوعة (PCB) أولاً.
تجميع الإلكترونيات يتم عادة في سبع خطوات:
- طباعة معجون اللحام بالمرسام (Paste Stenciling)
- وضع المكونات (Placement)
- الإسالة (Reflow)
- التجميع اليدوي (Manual Assembly)
- الفحص والاختبار (Inspection and Testing)
- الغسل (Washing)
- التعبئة والتغليف (Packaging)
والآن دعونا نمر على كل خطوة من تلك الخطوات على حدة…
الطباعة بالمرسام (Stenciling)
طباعة معجون اللحام باستخدام المرسام يُشبه الطباعة بالشاشة الحريرية (silk screen stenciling) على الملابس. حيث يتم وضع غطاء فوق الشيء الذي تريد وضع الحبر عليه، لكن في حالتنا هذه نقوم باستخدام مرسام معدني لوضع معجون اللحام على أجزاء محددة بعناية من لوح الدوائر المطبوعة PCB.
من الممكن أن تعمل على ألواح دوائر مطبوعة كبيرة (PCB panel)، هذه الألواح الكبيرة تحتوي على عدة تصميمات مكررة للوح PCB واحد بغرض زيادة سرعة الإنتاج، كما في الصورة بالأعلى. هذه الألواح الكبيرة يتم عملها بغرض الطباعة بالمرسام على عدة ألواح PCB في الوقت ذاته، لكن من الممكن بسهولة بأن تقوم بالطباعة بالمرسام على لوح PCB واحد في كل مرة.
المرسام الخاص بوضع عجينة اللحام، يُطلق عليه أيضاً الرقاقة (foil)
يتم وضع مقدار ضئيل من عجينة اللحام في جميع الأماكن التي سيتم تثبيت المكونات بها. ولإتمام هذه العملية في أسرع وقت ممكن يتم وضع المرسام فوق اللوح ومن ثم يتم دهن المعجون فوق المرسام باستخدام ممسحة معدنية.
هذا ما يبدو عليه معجون اللحام. وهو عبارة عن خليط من السبائك المعدنية: 96.5% قصدير (tin (Sn))، 3% فضة (silver)، و 0.5% نحاس (copper (Cu)). معظم أنواع معجون اللحام يكون لها تاريخ صلاحية ويجب الحفاظ عليها في مكان بارد، وهذا له علاقة بصهيرة اللحام (flux) التي تُضاف إلى المعادن للحفاظ على اتساق المعجون. وتقوم صهيرة اللحام كذلك بتغيير الشد السطحي (surface tension) للمعدن عندما يكون في الحالة السائلة لتساعد على تدفقه خلال أماكن الاتصال.
الطباعة بالمرسام يُمكن القيام بها يدوياً، وفي الفيديو بالأعلى نرى صديقنا يقوم بتمثيل سريع لكيفية تثبيت المرسام ووضع عجينة اللحام.
لا توجد هناك أي صعوبة فيما يتعلق بفرد معجون اللحام على المرسام. ومن الممكن استخدام سكينة معجون (putty knives) عادية من أي محل أدوات منزلية لاستخدامها لذلك الغرض. هذا الفيديو يوضح استخدام جهاز لفرد معجون اللحام:
التقاط المكونات ووضعها في أماكنها (Pick and Place)
بعد أن يتم وضع معجون اللحام على اللوح يتم وضع المُكونات عليه، وهذا من الممكن أن يتم يدوياً أو باستخدام ماكينة. استخدام الملاقيط (tweezers) يُعد أمراً جيداً لوضع المُكونات في أماكنها. هناك مُغالطة مُنتشرة وهي أننا نحتاج لماكينات ضخمة باهظة الثمن لصناعة الإلكترونيات، ولكن هذا ليس صحيحاً. فسرعة الإنسان في وضع المُكونات على سطح اللوح مقبولة، والشد السطحي للمعدن السائل من شأنه أن يجعل المُكونات تنتقل إلى أماكنها الصحيحة أثناء الإسالة. لكن المشكلة تتعلق بقدرة الإنسان على تحمل العمل باستمرار لفترة طويلة في تثبيت المكونات على أسطح الألواح، فبعد عدة ساعات سيصبح من الصعب على أي شخص الاستمرار في وضع المُكونات بسرعة مُناسبة، كما أن صغر حجم المُكونات قد يسبب إجهاد العينين.
أنت لا تحتاج لماكينة التقاط ووضع المُكونات لكي تصنع الإلكترونيات؛ أنت فقط تحتاج لها عندما تريد صناعة الكثير من الإلكترونيات.
ماكينة الالتقاط والوضع (PNP) هي عبارة عن جهاز روبوتي يقوم باستخدام التفريغ (vacuum) لالتقاط المُكونات ومن ثم يديرها إلى وضعها المناسب ثم يقوم بوضعها على اللوح. يستغرق تركيب ماكينة الالتقاط والوضع عدة ساعات، ولكن بمجرد تركيبها تقوم بأداء العمل بشكل سريع للغاية.
في المصانع الكبيرة يتم عادة استخدام سير ناقل (conveyor belt) لحمل الألواح مباشرة من ماكينة طباعة معجون اللحام إلى ماكينة التقاط ووضع المُكونات.
Bop يعرض لنا ماكينة الالتقاط والوضع MYDATA المسخدمة عند SparkFun. إنها رائعة للغاية.
الإسالة (Reflow)
بعد التقاط المُكونات ووضعها في أماكنها لا بد من إسالة معجون اللحام لعمل وصلات لحام قوية تربط المكونات باللوح. يتم وضع الألواح على سير ناقل يتحرك ببطء خلال فرن كبيرة، ويتم تعريض الألواح لحرارة كبيرة تكفي لإسالة اللحام (حوالي 250°C). وأثناء حركة اللوح خلال الفرن يمر بمناطق ذات درجات حرارة مًختلفة مما يجعله يسخن ويبرد بمُعدل يتم التحكم به.
في هذا اللوح نرى المُكونات مُثبته على عجينة اللحام. حيث يكون المعجون لزجاً مثل الزُبدة الملتصقة بطبق ما. وتبقى المُكونات في أماكنها بينما يتحرك اللوح ببطء خلال فرن الإسالة.
لوح موضوع عليه مكونات الكترونية يدخل ببطء إلى فرن الإسالة.
يُشبه فرن الإسالة الفرن الخاصة بالبيتزا. يتم رفع درجة حرارة اللوح إلى حوالي 250°C (480°F) وهي الدرجة التي يتحول عندها معجون اللحام إلى معدن سائل. وعندما يخرج اللوح من فرن الإسالة يبرد بسرعة وبالتالي يقوم اللحام بتثبيت جميع المُكونات في أماكنها.
في الفيديو نرى فرن تحميص خُبز تُستخدم للإسالة، ونرى فيه المراحل المُختلفة لتلك العملية. في البداية يُمكنك رؤية نقاط صغيرة رمادية من معجون اللحام على أماكن التثبيت المُختلفة. هذا المعجون يبدو من مظهره أنه قد تم وضعه يدوياً وليس باستخدام المرسام. عند الدقيقة 1:05 تنتهي المرحلة الأولى وتبدأ صهيرة اللحام في الذوبان وتتكون برك صغيرة. وحتى هذه اللحظة لا يكون اللحام المعدني قد انصهر بعد. في الدقيقة 3:10 يبدأ اللحام في الانصهار، ويتسبب الشد السطحي للحام المُذاب في جعله على شكل أصغر شيء ممكن، وهو كُرَيّة (تصغير كرة) من اللحام مركزها مكان التثبيت.
يُمكنك أيضاً رؤية درجة قيام اللحام بتحريك بعض الأجزاء أثناء عملية الإسالة. بعض هذه الأجزاء ينتهي بها الحال في أماكن خاطئة وتحتاج لاحقاً للعمل عليها. في حالة المُكونات الصغيرة للغاية إذا تم جذب إحدى النهايتين بشكل أقوى من النهاية الأخرى فسينتج ما يُطلق عليه tombstoning، وهو ما يتسبب في خلل وظيفي في اللوح.
هذا اللوح يحتوي على جميع المُكونات السطحية (SMD) مُثبتة على سطحه. أصبح اللوح الآن جاهزاً للمرحلة التالية.
ماذا عن الألواح مزدوجة الأوجه (two sided boards)؟
بعض ألواح الدوائر المطبوعة تحتوي على مكونات على كلا الجانبين. في هذه الحالات يتم أولاً الطباعة بالمرسام على الوجه الذي يحتوي على عدد أقل وأصغر من المُكونات ثُم تتم الإسالة. وبعد إخراج اللوح من الفرن تتم الطباعة بالمرسام على الوجه الآخر ومن ثم تتم عملية الإسالة مجدداً. الشد السطحي للمعدن عالي جداً ويعمل على تثبيت كل المكونات في أماكنها. أما في المصانع التي تقوم بتصنيع ألواح PCB كبيرة أو مُعقدة يتم تثبيت عدة أجزاء من اللوح في أماكنها باستخدام الغراء خلال مرحلة الالتقاط والوضع لضمان أن المكونات لا تتحرك من أماكنها مُطلقاً خلال عملية الإسالة.
التجميع واللحام اليدوي (Manual Soldering)
بعد عملية الإسالة يقوم أحد الفنيين بأخذ اللوح للحام المُكونات التي يتم تثبيتها عبر الثقوب (PTH (plated through-hole)) يدوياً. أما في المصانع الكبيرة من الممكن أن يتم لحام مُكونات PTH باستخدام تقنية تعرف باسم اللحام بالأمواج (wave soldering)، حيث يتم تمرير اللوح خلال موجة موقوفة (standing wave) من اللحام المذاب الذي يلتصق بأرجل المُكونات وأي أجزاء معدنية أخرى مكشوفة على سطح اللوح.
Dave يوضح كيفية القيام بعملية لحام بسيطة:
الفحص والاختبار (Inspection and Testing)
الخطوة القادمة هي الفحص البصري (optical inspection). يتعلق الفحص بإيجاد المشاكل المرتبطة بالمكونات (مُقاوم خاطئ، مُكثف غير موجود… الخ). ماكينة الفحص البصري الآلي (AOI (automated optical inspection)) تعمل بسرعة كبيرة. وهي تستخدم مجموعة من الكاميرات الدقيقة موضوعة بزوايا مختلفة لرؤية الأجزاء المختلفة من وصلات اللحام، والتي يطلق عليها أحياناً fillets. وصلات اللحام الجيدة والسيئة يعكسان الضوء بشكل مختلف، لذلك تستخدم ماكينة AOI ديودات ضوئية (LEDs) ذات ألوان مُختلفة للإضاءة وفحص جميع التوصيلات بدقة عالية وبسرعة. إنها ماكينة مذهلة.
هل يمكنك التعرف على المشكلة الموجودة في هذا اللوح؟
وظيفة الفحص البصري تتمثل في التأكد من أن جميع المُكونات موجودة بالفعل على اللوح في أماكنها الصحيحة ومُثبتة بوصلات لحام جيدة، وأنه لا يوجد أي وصلات لحام غير مرغوب بها (solder jumpers) بين المنافذ المتجاورة.
بعد الانتهاء من فحص اللوح يتم اختباره للتأكد من أنه يؤدي ما يُفترض به القيام به.
تخيل أن اختبار لوح واحد يستغرق 15 ثانية، ماذا لو كان عليك اختبار 10 ألواح؟ سيستغرق ذلك حوالي 3 دقائق. ماذا لو كان عليك اختبار 1500 لوح؟ سيستغرق ذلك 6 ساعات من الاختبار المُرهق للذهن.
لتسريع تلك العملية يستخدم الفنيون عادة أداة اختبار (test fixture) يُطلق عليها أحياناً فراش بوجو (pogo bed). تقوم السنون الموجودة على أداة بوجو بعمل اتصال كهربي مؤقت مع النقاط المختلفة الخاصة بالطاقة والبيانات على اللوح. بعد أن يتم تركيب أداة بوجو في اللوح (أو اللوح الكبير) يتم عمل عدة اختبارات للتأكد من أن اللوح سليم من الناحية الكهربية ويؤدي وظائفه. هذه الاختبارات تشمل اختبار جهد الخرج لمُنظمات الجهد (regulators)، والجهود المُتوقع أن توجد في منافذ معينة وإرسال بعض الأوامر إلى اللوح الذي يتم اختباره للتأكد من صحة استجاباته. أما بالنسبة للألواح التي تحتاج للبرمجة أو المعايرة (calibration) يتم اتخاذ خطوات إضافية لتحميل الأكواد البرمجية والتحقق من الخرج (output).
أما في المصانع الكبرى فمن الممكن استخدام مجسات حرة الحركة (flying probe) أو أداة فراش المسامير (bed of nails fixtures) لفحص الاستمرارية (continuity) لجميع الوصلات على اللوح قبل توصيل الطاقة إليه. هذه الأدوات مناسبة للمنتجات المعقدة مرتفعة الثمن، لكن قد يكلف تصميمها عشرات آلاف الدولارات.
الغسل (Washing)
تتسبب الكثير من الخطوات الخاصة بعملية تصنيع ألواح PCB في ترك بعض الرواسب عليها. إذا قمت باللحام من قبل فلا بد أنك تعرف أن عملية اللحام تُخلف رواسب صغيرة من صهيرة اللحام على اللوح. وخلال عدة أشهر تصبح تلك الرواسب لزجة وذات شكل سيء، ومن الممكن أيضاً أن تُصبح حامضية ومن ثم تؤدي إلى إضعاف وصلات اللحام. لذلك لتجنب كل تلك المشاكل المُحتملة (ولإعطاء اللوح للمشتري في أفضل شكل ممكن) يجب القيام بغسل كل لوح.
لتنظيف الألواح نقوم بوضعها على دفعات داخل ما نُطلق عليها “غسالة الأطباق”. غسالة الأطباق هذه لها حرارة وضغط مرتفعان ومصنوعة من الصلب المقاوم للصدأ، وتستخدم الماء منزوع الأيونات (deionized water) لإزالة أية رواسب ناتجة من عملية التصنيع.
تستخدم هذه الغسالة نظام مغلق الحلقة (closed loop system). فبعد الانتهاء من الغسل يتم تجميع مياه الصرف في حوض أسفل الغسالة ويتم فحص التوصيلية الكهربية (conductivity) له بشكل أوتوماتيكي. إذا كانت التوصيلية ضئيلة للغاية (المقاومة مرتفعة للغاية) فهذا يعني أن مرحة الغسل قد اكتملت ومن ثم تتم معالجة مياه الصرف عبر فلترات فائقة الجودة.
لا بد أنك تتساءل حالياً: هل نقوم حقاً بغمر الإلكترونيات مرتفعة التكلفة في الماء؟ نعم هذا هو ما نفعله تماماً. والسر يكمن في نوعية الماء الذي نستخدمه. الماء المنزوع الأيونات هو ماء نقي للغاية لا يحتوي على أية أيونات. للتوضيح أكثر: الماء في حقيقة الأمر ليس هو ما يدمر هاتفك إذا سقط منك في الماء، ولكن الايونات التي يحتوي عليها الماء هي التي تؤدي لحدوث قصر (short) بين عدة أجزاء من الهاتف. وبسبب عدم احتواء الماء منزوع الأيونات على أية أيونات فهو سام للإنسان. من الممكن أن تستخدم الماء منزوع الأيونات بأمان، لكن شربه قد يسبب أضرار خطيرة للجسد، حيث يتسبب في أن يقوم جسدك بفقد الأيونات عند شربه. وبسبب افتقاد ذلك الماء للأيونات يتم صنع داخل غسالة الأطباق من الصلب المقاوم للصدأ بشكل كامل، لأن أي معدن آخر سيتحلل سريعاً.
إذا لم تتمكن من استخدام غسالة أطباق فلا مشكلة؛ يُمكنك الاستعانة بوعاء فخاري مع الماء منزوع الأيونات وفرشاة أسنان للقيام بعملية التنظيف. وإذا كنت تقوم بتنظيف عدة ألواح فقط يُمكنك استخدام عيدان تنظيف الأذن المُحتوية على قطن (Q-tip) مع بعض الكحول الأيزوبروبيلي (isopropyl alcohol) لإنجاز تلك المهمة.
يتم استخدام مروحة أو الهواء المضغوط لإزالة أية مياه متبقية على اللوح.
التعبئة والتغليف (Packaging)
وأخيراً يصل اللوح إلى نهاية رحلته.
بمجرد الانتهاء من تنظيف وتجفيف مجموعة الألواح يتم الانتقال إلى مرحلة التغليف حيث يتم وضع كل لوح بداخل كيس مصنوع من بلاستيك EDS.
عملية التغليف والتعبئة يجب أن تتم بأسرع ما يمكن للتأكد من أن المنتجات جاهزة لكي يتم تسليمها لقسم الشحن. في جميع المنتجات نقوم بعمل مجموعة مغلفة من عشر قطع تحتوي على رمز شريطي (barcode) على كلا النهايتين. ويحتوي الرمز الشريطي على اسم المنتج، وكود التخزين التعريفي (SKU)، ومُعرف المجموعة (batch identifier) للمساعدة في تتبع أية مشكلات.
وبهذا تكون انتهت رحلة تصنيع الشريحة الالكترونية، وهي جاهزة للبيع.
تمّت ترجمة هذه المادّة من موقع sparkfun تحت تصريح كرييتف كومّونز 3 (Creative Commons 3.0)
محمد عبد الحميد
أضف تعليق