المفاهيم الأساسية لـ PCB: ما هي لوحات الدوائر المطبوعة وكيف تعمل

الصور التي يستخدمها الزبائن

لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs) هي العمود الفقري غير المعروف لكل جهاز إلكتروني حديث من الهاتف الذكي في جيبك إلى الرادار في سيارة ذاتية القيادة.اللوحات المطبقة تحل محل الأسلاك الفوضوية بأثر النحاس الدقيق، وتنظيم المكونات وضمان اتصالات كهربائية موثوقة. بدون الـ PCB، فإن الإلكترونيات المصغرة عالية الأداء اليوم ستكون مستحيلة:تخيل هاتف ذكي مع المئات من الأسلاك الفارغةأو جهاز مراقبة طبي يفشل بسبب اتصالات متشابكة.

مع نمو صناعة الإلكترونيات العالمية ، ينمو الطلب على PCBs أيضًا. من المتوقع أن يتوسع سوق PCB العالمي من 84.24 مليار دولار في عام 2025 إلى 106.85 مليار دولار بحلول عام 2030 ،ويقودها المركبات الكهربائية (EVs) التي تستخدم 3×5 أضعاف PCB أكثر من السيارات التقليديةهذا الدليل يكسر المفاهيم الأساسية لـ PCB: ما هي، بنيتها، المكونات الرئيسية، التطبيقات، وكيف أنها تشغل الأجهزة التي نعتمد عليها يومياً.سواء كنت هواة بناء مشروع DIY أو مهندس تصميم المعدات الصناعية، فهم هذه الأساسيات سوف تساعدك على العمل مع PCBs بشكل أكثر فعالية.

المعلومات الرئيسية
1تعريف: الـ PCB هو لوحة طبقات تستخدم آثار النحاس الموصلة لربط المكونات الإلكترونية ، واستبدال الأسلاك الضخمة وتمكين التصغير.
2أنواع: يتم تصنيف PCBs حسب التعقيد (واحد الجانب ، مزدوج الجانب ، متعدد الطبقات) والموثوقية (الفئة 1 للألعاب ، الفئة 3 للأجهزة الطبية / الفضائية).
3الهيكل: تتضمن الطبقات الأساسية رصيفًا (مثل FR4) ، وآثار من النحاس ، وقناع لحام (طلاء واقي) ، وسلسلة حرير (ملصقات).
4المواد: FR4 هو الركيزة القياسية لمعظم الأجهزة الإلكترونية ؛ تستخدم أقراص PCB المرنة بوليميد ، بينما تعتمد تصاميم الترددات العالية على PTFE.
5التطبيقات: تعمل PCBs على أجهزة المستهلك، والسيارات الكهربائية، والأجهزة الطبية، وأنظمة الطيران مع تصاميم متخصصة لاحتياجات كل صناعة.
6التكلفة والكفاءة: تكلفة أقراص PCB متعددة الطبقات أكثر ولكنها توفر المساحة ؛ إنتاج الكميات الكبيرة يقلل من تكاليف الوحدة الواحدة بنسبة 30-50٪.

ما هو PCB؟ التعريف والغرض والتصنيف
A Printed Circuit Board (PCB) is a rigid or flexible board that mechanically supports and electrically connects electronic components using conductive pathways (called “traces”) etched into copper layersعلى عكس الأسلاك القديمة من نقطة إلى نقطة (التي استخدمت أسلاك فضفاضة لربط الأجزاء) ، تكون أقراص PCB مضغوطة ودائمة وسهلة الإنتاج الجماعي.

الغرض الأساسي من PCBs
الـ (بي سي بي) تحل ثلاثة مشاكل حاسمة في الإلكترونيات:

1التصغير: تتيح آثار النحاس (رقيقة تصل إلى 0.1 ملم) للمصممين وضع المئات من المكونات على لوحة أصغر من بطاقة الائتمان (على سبيل المثال ، لوحة PCB الرئيسية للهاتف الذكي).
2موثوقية: تتخلص الدوائر الثابتة من الاتصالات الفارغة، مما يقلل من معدلات الفشل بنسبة 70٪ مقارنة بالدائرات السلكية.
3القدرة على التصنيع: يمكن للجميع الآليين (آلات الاختيار والمكان) أن يملأوا 1000 + PCB في الساعة ، مما يجعل الإنتاج الكبير بأسعار معقولة.

تصنيف PCB: حسب الموثوقية والتعقيد
يتم تجميع PCBs إلى فئات بناءً على استخدامها المقصود (الموثوقية) وعدد الطبقات (التعقيد) ◄ عاملين رئيسيين للمصممين والمصنعين.
1فئات الموثوقية (معايير IPC)
تحدد IPC (جمعية صناعات الاتصال الإلكتروني) ثلاث فئات بناءً على مدى أهمية PCB لوظيفة الجهاز:

مثال: يجب أن يوافق PCB من الفئة 3 في جهاز تنظيم ضربات القلب اختبارًا صارمًا (على سبيل المثال ، 1000 دورة حرارية) لتجنب الفشل ، بينما يحتاج PCB من الفئة 1 في لعبة إلى وظائف أساسية فقط.

2فئات التعقيد (عدد الطبقات)
يحدد عدد الطبقات عدد المسارات الموصلة التي يمكن لـ PCB دعمها. المزيد من الطبقات تعني المزيد من المكونات وإشارات أسرع:

الاتجاه: أصبحت أقراص PCB متعددة الطبقات (612 طبقة) الآن معيارًا في الهواتف الذكية و iPhone 15 من EVs Apple يستخدم أقراص PCB ذات 8 طبقات لتناسب معالج 5nm ومودم 5G في تصميم نحيف.

PCB مقابل PCBA: ما هو الفرق؟
مصدر شائع للارتباك هو التمييز بين PCB و PCBA (جمعية لوحة الدوائر المطبوعة):

a.PCB: الـ ‬اللوحة العارية‬الهيكل المطبق فقط (الجزء الرئيسي، النحاس، قناع اللحام) دون أي مكونات مثبتة.
b.PCBA: يتم لحام المنتج النهائي المكونات (المقاومات، وICs، وموصلات) إلى PCB، مما يجعلها وظيفية.

مثال: قد يبيع مصنع PCB عارية إلى هواة، ولكن مصنع الهواتف الذكية يشتري PCBAs جاهزة لتركيبها في الأجهزة.

هيكل PCB: الطبقات والمواد
تعتمد أداء PCB على تصميمها الطبقي والمواد المستخدمة لكل طبقة. حتى التغييرات الصغيرة (على سبيل المثال ، الركيزة الأكثر سمكاً) يمكن أن تؤثر على المتانة وسرعة الإشارة ومقاومة الحرارة.

الطبقات الأربعة الأساسية لـ PCB القياسي
تحتوي معظم أقراص PCB الصلبة (على سبيل المثال ، على FR4) على أربع طبقات رئيسية ، في حين أن التصاميم المرنة أو متعددة الطبقات تضيف طبقات إضافية لاحتياجات محددة:

طبقات اختيارية لـ PCB المتقدمة:

أ. الطاقة/المستويات الأرضية: طبقات النحاس الداخلية (في أقراص PCB متعددة الطبقات) التي توزع الطاقة وتقلل من الضوضاء.
(ب) الممرات الحرارية: الثقوب المملوءة بالنحاس التي تنقل الحرارة من المكونات الساخنة (على سبيل المثال، المركبات المركزية) إلى الطبقات الداخلية أو أوعية الحرارة.

المواد الرئيسية لـ PCB: كيفية اختيار المناسب
يعتمد اختيار المواد على حالة استخدام PCB، على سبيل المثال، تحتاج عصابة الساعة الذكية المرنة إلى رصيف مختلف عن عاكس EV عالي الحرارة. فيما يلي مقارنة بين المواد الأكثر شيوعًا:

الاعتبار الحرج: بالنسبة لتصاميم الترددات العالية (على سبيل المثال ، 5G mmWave) ، فإن انخفاض الخسارة الكهربائية لـ PTFE (Df = 0.0002) يقلل من ضعف الإشارة - شيء لا يمكن أن يطابق FR4 (Df = 0.02).

مكونات PCB الأساسية: ما هي وظيفتها ولماذا يهم
لا يعمل PCB إلا عندما يتم لحام المكونات إليه. لكل مكون دور محدد ، من التحكم في التيار إلى معالجة البيانات. فيما يلي أكثر المكونات شيوعًا ووظائفها:
مكونات PCB الشائعة ودورها

مثال: في سماعات السمع اللاسلكية، IC معالجة إشارات الصوت، مكثفات السلسة الطاقة من البطارية،و المقاومات تحمي مكبر الصوت من التيار الزائد.

كيف تعمل المكونات معًا
يتم ترتيب المكونات في دوائر (سلسلة أو موازية أو مختلطة) لأداء مهام محددة. على سبيل المثال:

دائرة الطاقة: بطارية توفر الجهد → الديود يمنع التيار العكسي → مكثف تصفية الضوضاء → المقاومة تحد من التيار إلى LED.
دائرة الإشارة: جهاز استشعار يكتشف الضوء → ترانزستور يضخم الإشارة → وحدة تحكم مكاملة معالجة البيانات → وحدة توصيل ترسل النتائج إلى شاشة عرض.

هذا التعاون يضمن أن وظائف PCB كنظام واحد متماسك لا تحتاج إلى أسلاك فضفاضة.

تطبيقات PCB: أين يتم استخدامها (ولماذا)
الـ (بي سي بي) موجودة في كل مكان، لكن تصميمها يختلف اختلافاً كبيراً حسب الصناعة.و الـ (PCB) المرنة لساعة ذكية لا يمكنها التعامل مع حرارة عاكس الكهرباء.
1الإلكترونيات الاستهلاكية: أكبر سوق
تعتمد أجهزة المستهلك على أقراص PCB صغيرة منخفضة التكلفة التي توازن بين الأداء والقدرة على تحمل التكاليف. تشمل التطبيقات الرئيسية:

أ. الهواتف الذكية: أقراص PCB ذات طبقة 612 مع آثار صغيرة (0.1 ملم) لتتناسب مع مودمات 5G ومعالجاتها وكاميراتها.
b.المعدات القابلة للارتداء: أقراص PCB متعددة الأطراف مرنة يمكن أن تنحني مع الساعات الذكية أو أشرطة اللياقة البدنية. تستخدم Apple Watch أقراص PCB مرنة ذات 4 طبقات في حزامها.
أجهزة منزلية: PCBs FR4 أحادي أو مزدوج الجانب في الثلاجات (تحكم في درجة الحرارة) وميكروويف (تدير الطاقة).

بيانات السوق: تمثل الإلكترونيات الاستهلاكية 40٪ من الطلب العالمي على أقراص PCB ، مدفوعة ببيع الهواتف الذكية السنوية البالغة 1.3 مليار وحدة.

2صناعة السيارات: السيارات الكهربائية و ADAS تدفع النمو
تستخدم السيارات أكثر من أي وقت مضى من PCBs ✓ السيارات التقليدية ICE (محرك الاحتراق الداخلي) لديها 50 ✓ 100 PCBs ، في حين أن السيارات الكهربائية لديها 300 ✓ 500. تطبيقات PCB الحرجة للسيارات:

a.ADAS (أنظمة مساعدة السائق المتقدمة): أقراص PCB متعددة الطبقات في أجهزة الرادار (77GHz) وأنظمة LiDAR. تستخدم Tesla's Autopilot 8-layer b.PCBs للكشف الدقيق عن الكائنات.
أنظمة إدارة بطارية السيارات الكهربائية (BMS): أقراص PCB سميكة من النحاس (2 أوقية +) تتعامل مع 400 فولت DC وتبديد الحرارة من خلايا البطارية.
المعلومات والترفيه: أقراص PCB مزدوجة الجانب لشاشات اللمس وتوصيل بلوتوث.

المتطلب الرئيسي: يجب أن تتحمل أقراص PCB للسيارات درجات حرارة -40 درجة مئوية إلى 125 درجة مئوية والاهتزاز (20G+) ‬لذلك فإنها تستخدم FR4 عالية Tg (Tg ≥170 درجة مئوية) وحماية قناع لحام إضافي.

3الأجهزة الطبية: السلامة والدقة
الـ PCBs الطبية هي من الفئة 3 (الحرجة للسلامة) وتتطلب التوافق البيولوجي والعقمية والموثوقية. الاستخدامات الشائعة:

a.المزروعات: البوليميدات المرنة في أجهزة تنظيم ضربات القلب والمحفزات العصبية هي متوافقة بيولوجيا وتتحمل سوائل الجسم.
ب. التشخيص: الـ PCB المتعددة الطبقات في أجهزة الموجات فوق الصوتية ومحللات الدم تصاميم منخفضة الضوضاء تضمن قراءات دقيقة.
c.المواد القابلة للارتداء: PCBs المرنة في أجهزة مراقبة معدل ضربات القلب

الامتثال: تتوافق PCBs الطبية مع معايير ISO 13485 وتخضع لاختبارات صارمة (على سبيل المثال ، 1000 دورة أوتوكلاف + للتعقيم).

4الطيران والفضاء والدفاع: متانة فائقة
تعمل PCBs في الفضاء الجوي في بيئات قاسية (الإشعاع ، الفراغ ، درجات الحرارة القصوى) ويجب أن تكون آمنة من الفشل. تشمل التطبيقات:

الأقمار الصناعية: PTFE و PCBs السيراميكية التي تقاوم الإشعاع (100kRad) وتعمل في -55 °C إلى 125 °C.
طائرات عسكرية: أقراص PCB متعددة الطبقات في أجهزة الرادار وأنظمة الملاحة، فهي تتحمل اهتزازات الرصاص (100G) وتعرض الوقود.
c. الصواريخ: أقراص PCB عالية التردد التي تقود أنظمة الاستهداف √ أساس PTFE يقلل من فقدان الإشارة عند 100GHz.

الاختبار: تتمكن أقراص PCB الفضائية من اجتياز MIL-STD-883H (المعايير العسكرية) للدورة الحرارية والاهتزاز والإشعاع.

كيف تعمل الـ PCB: الاتصالات الكهربائية وتدفق الإشارة
وظيفة PCB هي نقل الإشارات الكهربائية والطاقة بين المكونات دون تداخل أو خسارة. يعتمد ذلك على ثلاثة مبادئ تصميم رئيسية:
1تعقب التوجيه: الطرق للإشارات
آثار النحاس هي الطرق التي تحمل الإشارات والطاقة. يُحسن المصممون التوجيه إلى:

a. تقليل الطول: تقلل المسارات القصيرة من تأخير الإشارة الحرجة لتصميمات عالية السرعة (على سبيل المثال ، تستخدم 5G مسارات < 5 سم لتجنب التأخير).
تجنب التقاطعات: في أقراص PCB ذات جانب واحد ، لا يمكن أن تتقاطع الآثار (إنها قصيرة) ، لذلك تستخدم أقراص PCB ذات جانبين / متعدد الطبقات الممرات (الثقوب) لـ "القفز" بين الطبقات.
c.عرض التحكم: تتحمل المسارات الأوسع المزيد من التيار ‬عرض 1 ملم ، مسامير مسامير النحاس 1 أونصة ~ 10A ، في حين أن مسامير مسامير 0.2 ملم ~ 2A (معيار IPC-2221).

المثال: يستخدم بطاقة PCB للهاتف الذكي 5G مسارات عرضها 0.15 مم لمسارات الإشارة ومسارات عرضها 1 مم للطاقة (البطارية إلى IC).

2- تطابق العقبة: إبقاء الإشارات واضحة
يجب أن تكون المعوقة (مقاومة إشارات التيار المتردد) متسقة عبر المسارات لمنع انعكاس الإشارة. تستخدم معظم أقراص PCB معوقة 50Ω للإشارات ذات الطرف الواحد (مثل USB) و 100Ω للأزواج التفاضلية (مثل.g.، Ethernet). تسبب العقبات غير المتطابقة:

a.خسارة الإشارة: عدم تطابق معوقة بنسبة 10٪ (55Ω بدلاً من 50Ω) يعكس 10٪ من الإشارة ، مما يقلل من النطاق.
ضجيج: الإشارات المنعكسة تتداخل مع آثار أخرى، مما يسبب خلل في الصوت أو البيانات.

كيفية تحقيق المطابقة: ضبط عرض العلامة وسماكة الروك ‬على سبيل المثال، علامة عرضها 0.15 ملم على عائق FR4 سميك 0.1 ملم = 50Ω.

3الترسيم والحد من الضوضاء
الأرضية أمر بالغ الأهمية للحد من التداخلات الكهرومغناطيسية (EMI) ، والتي يمكن أن تعطل الإشارات. تستخدم PCBs:

أ.مستويات الأرض: طبقة نحاسية صلبة (في أقراص PCB متعددة الطبقات) تعمل كـ"درع" لاستيعاب الضوضاء.
ب. التأرجح في نقطة واحدة: جميع الاتصالات الأرضية تلتقي في نقطة واحدة لتجنب الحلقات الأرضية (التي تخلق الضوضاء).
c. مكثفات فك الارتباط: وضعت بالقرب من ICs لتصفية ضوضاء الطاقة مكثفات 0.1μF هي قياسية لمعظم التصاميم.

النتيجة: يحتوي PCB المترابط جيدًا على 50٪ أقل من EMI ، مما يجعله مناسبًا للأجهزة الحساسة مثل الشاشات الطبية.

أسئلة شائعة عن الـ PCB: أسئلة شائعة
س1: ما هو الفرق بين PCB الصلبة والمرنة؟
ج: الـ PCBs الصلبة (على أساس FR4) صلبة ويتم استخدامها في أجهزة مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة. الـ PCBs المرنة (على أساس البوليميد) ينحني وتطوي مثالي للأجهزة القابلة للارتداء أو الهواتف القابلة للطي. الـ PCBs الصلبة والمرنة تجمع بين الاثنين (على سبيل المثال ،بطاقة PCB للساعة الذكية مع قلب جامد وشريط مرن).

س2: كيف أختار مادة PCB المناسبة؟
ج: اتبع هذه القائمة:

1التطبيق: مرن؟ استخدم البوليميد. عالية التردد؟ استخدم PTFE
2.البيئة: ساخنة (EVs) ؟ استخدم FR4 عالي Tg. عقيم (طبي) ؟ استخدم البوليميد المتوافق البيولوجي.
3التكلفة: الميزانية؟ استخدم FR4. المميزة؟ استخدم PTFE أو السيراميك.

السؤال الثالث: لماذا تكون أقراص PCB متعددة الطبقات أفضل للأجهزة المعقدة؟
ج: PCBs متعددة الطبقات:

a. توفير المساحة (PCB 6 طبقة = 1/3 حجم PCB من جانب واحد مع نفس المكونات).
ب. تقليل الضوضاء (طائرات الطاقة والتربة منفصلة).
دعم إشارات أسرع (مسارات أقصر ، عائق خاضع للرقابة).

السؤال 4: هل يمكن إعادة تدوير PCBs؟
ج: نعم، هناك منشآت متخصصة تستعيد النحاس (40-60٪ من وزن PCB) والمعادن الثمينة (الذهب والفضة) باستخدام عمليات كيميائية أو ميكانيكية.إعادة التدوير تقلل من النفايات الإلكترونية وتقلل من تكاليف المواد الخام.

س5: ما هي الأدوات التي أحتاجها لتصميم PCB؟
الجواب: للمبتدئين: أدوات مجانية مثل KiCad أو EasyEDA (ممتازة للمشاريع البسيطة). للمحترفين: Altium Designer أو Cadence Allegro (يعالج التصاميم متعددة الطبقات عالية التردد).تتضمن معظم الأدوات التقاط مخططي (رسوم الدوائر) والتخطيط (وضع المكونات / الآثار).

الاستنتاج
الـ (بي سي بي) هي أساس الإلكترونيات الحديثة، تمكننا من التصغير والموثوقية والكفاءة التي نعتبرها أمراً مفروغاً منه.المكونات ‬تتكيف لتلبية الاحتياجات الفريدة لكل تطبيقفهم المفاهيم الأساسية لـ PCB كيفية هيكلتها ، وما هي المواد المستخدمة ، وكيفية عمل المكونات معًا يمنحك القدرة على تصميم أو بناء أو إصلاح الأجهزة الإلكترونية بشكل أكثر فعالية.

مع تقدم التكنولوجيا (6G، الذكاء الاصطناعي، الحوسبة الكمية) ، سوف تتطور PCBs أيضا: آثار رقيقة، طبقات أكثر، ومواد جديدة (على سبيل المثال، الجرافين لإشارات أسرع) سوف تدفع حدود ما هو ممكن.سواء كنت هواة أو مهندس، البقاء على دراية بهذه الأساسيات سوف تساعدك على مواكبة العالم سريع الخطى من الإلكترونيات.

بالنسبة للمصنعين والمصممين، الشراكة مع الموردين PCB من ذوي الخبرة (مثل LT الدائرة) يضمن لوحاتكم تلبية معايير الصناعة ومتطلبات الأداء.يمكنك تحويل حتى أكثر الأفكار الإلكترونية تعقيدًا إلى مفاعلات، منتجات موثوقة.