لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) هي وحدة قائمة بذاتها من المكونات الإلكترونية المترابطة الموجودة في الأجهزة التي تتراوح من أجهزة التنبيه الشائعة أو أجهزة الاستدعاء وأجهزة الراديو لأنظمة الرادار والحاسوب، تتشكل الدوائر بواسطة طبقة رقيقة من مادة موصلة يتم ترسيبها أو طباعتها على سطح لوح عازل يُعرف بالركيزة، يتم وضع المكونات الإلكترونية الفردية على سطح الركيزة ويتم لحامها في الدوائر المتصلة.
تصميم لوحة الدوائر المطبوعة:
لا يوجد شيء مثل لوحة الدوائر المطبوعة القياسية، فكل لوحة لها وظيفة فريدة لمنتج معين ويجب أن تكون مصممة لأداء هذه الوظيفة في المساحة المخصصة، يستخدم المصنعون أنظمة تصميم بمساعدة الكمبيوتر لتخطيط نمط الدائرة على اللوحة، غالباً ما تكون المسافات بين مسارات التوصيل الكهربائي 0.04 بوصة (1.0 مم) أو أصغر.
تم أيضاً تحديد موقع الثقوب الخاصة بأطراف المكونات أو نقاط الاتصال، ويتم ترجمة هذه المعلومات إلى تعليمات لآلة حفر يتم التحكم فيها المستخدمة في عملية التصنيع، بمجرد وضع نمط الدائرة تتم طباعة صورة أو قناع سلبي بالحجم المحدد على ورقة بلاستيكية شفافة، مع الصورة السلبية تظهر المناطق التي ليست جزء من نمط الدائرة باللون الأسود ويظهر نمط الدائرة واضح.
مواد أولية لصناعة لوحة الدوائر المطبوعة:
الركيزة الأكثر استخدام في لوحات الدوائر المطبوعة هي راتنجات الإيبوكسي المقواة بالألياف الزجاجية مع رقائق من النحاس مرتبطة بأحد الجانبين أو كلاهما، تعد مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور المصنوعة من راتينج الفينول المقوى بالورق مع رقائق نحاسية أقل تكلفة، وغالباً ما تستخدم في الأجهزة الكهربائية المنزلية مثل الغسالات والمكنسة والثلاجة وغيرها.
الدوائر المطبوعة مصنوعة من النحاس المطلي أو المحفور بعيداً على سطح الركيزة لترك النمط المطلوب، وتكون الدوائر النحاسية مطلية بطبقة من الرصاص أو القصدير لمنع الأكسدة، أصابع التلامس غالباً ما تكون مطلية بقصدير ثم بالنيكل وأخيراً بالذهب من أجل توصيل ممتاز، تشمل المكونات المشتراه المكثفات والترانزستورات والصمامات الثنائية وشرائح الدوائر المتكاملة وغيرها.
كيفية تصنيع لوحة الدوائر المطبوعة:
تتم معالجة لوحات الدوائر المطبوعة وتجميعها في بيئة نظيفة للغاية، حيث يمكن الحفاظ على الهواء والمكونات خالية من التلوث، تمتلك معظم الشركات المصنعة للأجهزة الإلكترونية عملياتها الخاصة، ولكن يمكن استخدام الخطوات التالية عادةً لإنشاء لوحة دوائر مطبوعة على الوجهين.
صنع الركيزة:
يتم فك الألياف الزجاجية المنسوجة من اللفة وتغذيتها من خلال محطة معالجة توضح الرسوم التوضيحية في قسم موسع من ثنائي الفينيل متعدد الكلور، حيث يتم تشريبه براتنج الايبوكسي إما عن طريق الغمس أو الرش، ثم تمر الألياف الزجاجية المشبعة عبر بكرات تقوم بتدوير المادة إلى السماكة المرغوبة للركيزة النهائية وأيضاً إزالة أي راتينج زائد، تمر مادة الركيزة عبر فرن حيث تكون نصف مصقولة.
بعد الفرن يتم تقطيع المواد إلى ألواح كبيرة، بحيث تكون الألواح مكدسة في طبقات بالتناوب مع طبقات من رقائق النحاس اللاصقة، يتم وضع الأكوام في مكبس، حيث تتعرض لدرجات حرارة تبلغ حوالي 340 درجة فهرنهايت لمدة ساعة أو أكثر، هذا يعالج الراتنج ويربط بإحكام رقائق النحاس بسطح مادة الركيزة.
حفر وطلاء الثقوب:
يتم تكديس عدة ألواح من الركيز، كل منها كبير بما يكفي لصنع العديد من لوحات الدوائر المطبوعة فوق بعضها البعض ومثبتة معاً لمنعها من الحركة، ثمّ يتم وضع الألواح المكدسة في ماكينة (CNC) ويتم حفر الثقوب وفقاً للنمط المحدد عند وضع الألواح، حيث يتم إزالة الثقوب لإزالة أي مادة زائدة تتشبث بحواف الثقوب، الأسطح الداخلية للفتحات المصممة لتوفير دائرة موصلة من جانب واحد من اللوحة إلى الجانب الآخر مطلية بالنحاس.
إنشاء نمط الدائرة المطبوعة على الركيزة:
يمكن إنشاء نمط الدائرة المطبوعة بواسطة عملية مضافة أو عملية طرح، في عملية الإضافة يُطلى النحاس أو يُضاف على سطح الركيزة بالنمط المرغوب، تاركاً باقي السطح غير مطلي، أما في عملية الطرح يتم أولاً طلاء سطح الركيزة بالكامل ثم يتم حفر أو طرح المناطق التي ليست جزء من النمط المطلوب.
يتم إزالة الشحوم من سطح احباط الركيزة وتمر الألواح عبر غرفة مفرغة حيث يتم ضغط طبقة من مادة مقاومة للضوء الإيجابية بقوة على كامل سطح الرقاقة، المادة الموجبة المقاومة للضوء عبارة عن بوليمر يتمتع بخاصية أن يصبح أكثر قابلية للذوبان عند تعرضه للأشعة فوق البنفسجية، يضمن الفراغ عدم وجود فقاعات هواء محاصرة بين الرقاقة ومقاوم الضوء.
ربط أصابع الاتصال:
يتم توصيل أصابع التلامس بحافة الركيزة للاتصال بالدائرة المطبوعة ويتم إخفاء أصابع التلامس عن بقية اللوحة ثم يتم تلبيسها ويتم الطلاء بثلاثة معادن؛ الرصاص والقصدير ثم النيكل ثم الذهب، يتم طلاء الرصاص والقصدير على سطح نمط الدائرة النحاسية المطبوع ويتأكسد بسهولة، لحمايتها يتم تمرير الألواح من خلال فرن إعادة التدفق أو حمام الزيت الساخن الذي يتسبب في ذوبان الرصاص أو إعادة التدفق إلى سطح لامع.
تركيب المكونات:
تمر الألواح الفردية عبر العديد من الأجهزة التي تضع المكونات الإلكترونية في مكانها الصحيح في الدائرة، إذا كان سيتم استخدام تقنية التثبيت السطحي لتركيب المكونات فإن الألواح تمر أولاً من خلال لوحة لحام أوتوماتيكية، والتي تضع مسحة من معجون اللحام في كل نقطة اتصال مكونة، حيث يمكن وضع المكونات الصغيرة بواسطة “قاذف الرقائق” الذي يضع المكونات أو يطلقها بسرعة على السبورة.
ثم يتم لحام المكونات في الدوائر باستخدام تقنية التثبيت السطحي ويتم اللحام عن طريق تمرير الألواح عبر عملية إعادة تدفق أخرى، مما يؤدي إلى ذوبان معجون اللحام وإجراء الاتصال، بعد ذلك يتم تنظيف بقايا التدفق من اللحام بالماء أو المذيبات حسب نوع اللحام المستخدم.
مراقبة الجودة:
يتم إجراء فحوصات بصرية وكهربائية طوال عملية التصنيع لاكتشاف العيوب الموجودة في لوحة الدوائر المطبوعة، بعض هذه العيوب ناتجة عن الآلات الآلية؛ على سبيل المثال توضع المكونات أحياناً في غير مكانها على السبورة أو يتم إزاحتها قبل اللحام النهائي، تحدث عيوب أخرى بسبب تطبيق الكثير من معجون اللحام، مما قد يتسبب في تدفق اللحام الزائد أو جسره عبر مسارين متجاورين للدائرة المطبوعة.
يمكن أن يؤدي تسخين اللحام بسرعة كبيرة في عملية إعادة التدفق النهائية إلى حدوث تأثير علامة مميزة، حيث يرتفع أحد طرفي المكون عن اللوح ولا يحدث تلامس، يتم أيضاً اختبار اللوحات المكتملة للأداء الوظيفي للتأكد من أن مخرجاتها ضمن الحدود المطلوبة، تخضع بعض الألواح لاختبارات بيئية لتحديد أدائها في ظل درجات الحرارة الشديدة والرطوبة والاهتزاز والتأثير.
