لوحات الدوائر المطبوعة ذات النواة المعدنية (MCPCBs) من PCBasic  

مع تزايد قوة المنتجات الإلكترونية وصغر حجمها وارتفاع أدائها، أصبحت مشكلة تبديد الحرارة مشكلةً بالغة الأهمية يجب حلها في تصميم لوحات الدوائر المطبوعة. تتميز مواد لوحات الدوائر المطبوعة التقليدية (مثل FR-4 والبولي إيميد) بضعف التوصيل الحراري، ويصعب تبديد الحرارة بسرعة في الدوائر عالية الطاقة، مما قد يؤدي بسهولة إلى ارتفاع درجة حرارة المكونات أو حتى تلفها.

لحل هذه المشكلة، ركزت شركة PCBasic على تصميم وتصنيع لوحات الدوائر المطبوعة ذات النواة المعدنية (MCPCBs)، والمعروفة أيضًا باسم لوحات الدوائر المطبوعة ذات النواة المعدنية، أو لوحات الدوائر المطبوعة المغطاة بالمعادن، أو لوحات الدوائر المطبوعة الحرارية. يتميز هذا النوع من لوحات الدوائر بطبقة من النواة المعدنية في تصميمه، مما يُسرّع من توصيل الحرارة، مما يجعل تشغيل الدائرة أكثر استقرارًا وموثوقية. وهو مناسب جدًا للاستخدام في مختلف المنتجات الإلكترونية عالية الطاقة والأداء.

ما هو MCPCB؟

تُعرف لوحات الدوائر المطبوعة ذات الركيزة المعدنية المعزولة (IMS) أو لوحات الدوائر المطبوعة المغطاة بالحرارة (MCPCBs) أيضًا باسم لوحات الدوائر المطبوعة ذات الركيزة المعدنية المعزولة (IMS) أو لوحات الدوائر المطبوعة المغطاة بالحرارة، وهي نوع من لوحات الدوائر ذات النواة المعدنية المصممة خصيصًا لحل مشكلة التسخين في المنتجات الإلكترونية.

بخلاف لوحات الدارات المطبوعة التقليدية FR-4، التي تستخدم الراتنج أو الألياف الزجاجية كمادة أساسية، تتضمن لوحات الدارات المطبوعة ذات النواة المعدنية طبقة أساسية معدنية في هيكلها، مصنوعة عادةً من سبائك الألومنيوم أو النحاس أو الفولاذ. هذه الطبقة المعدنية قادرة على توصيل الحرارة الناتجة عن المكونات بسرعة إلى المشتت الحراري أو طبقة النواة المعدنية، مما يجعل الدائرة تعمل بشكل أكثر استقرارًا وأقل عرضة لارتفاع درجة الحرارة.

من بين هذه المواد المعدنية، يُعد الألومنيوم الأكثر استخدامًا نظرًا لتوصيله الحراري الجيد ومتانته الميكانيكية العالية وتكلفته المنخفضة. وهو حاليًا الخيار السائد في تصنيع ألواح MCPCB.

تتكون ألواح MCPCB من طبقة موصلة وطبقة عازلة للحرارة وطبقة ركيزة معدنية.

تتكون لوحة الدائرة المعدنية القياسية من:

•  طبقة قناع اللحام

•  طبقة الدائرة

•  طبقة النحاس (1 أونصة إلى 6 أونصات من النحاس، الأكثر شيوعًا 1 إلى 2 أونصة)

•  طبقة العزل الكهربائي

•  طبقة القلب المعدنية (الألومنيوم أو النحاس أو الفولاذ) - تعمل كمشتت حراري

•  طلاء أو لمسة نهائية واقية اختيارية

مزايا MCPCB

بالمقارنة مع لوحات الدوائر التقليدية، تتمتع لوحات الدوائر المطبوعة ذات النواة المعدنية بالمزايا الواضحة التالية:

1. تبديد الحرارة متفوقة

بفضل استخدام المواد المعدنية، تتميز لوحات الدوائر المطبوعة ذات النواة المعدنية (وخاصةً ركائز الألومنيوم والنحاس) بموصلية حرارية ممتازة للغاية. فهي تُبدّد الحرارة الناتجة عن مصابيح LED عالية الطاقة، ووحدات الطاقة، وإلكترونيات السيارات، وغيرها، بسرعة، مما يُحسّن كفاءة تبديد الحرارة بشكل كبير ويزيد من استقرار الدائرة.

2. تقليل الحاجة إلى مشعات حرارية خارجية

تتميز لوحات MCPCB بتوصيلها الحراري بكفاءة عالية، ما يُغني في كثير من الحالات عن إضافة مشتتات حرارية أو مراوح تبريد إضافية. وهكذا، يصبح الجهاز أصغر حجمًا وأخف وزنًا وأبسط تصميمًا.

3. قوة ميكانيكية عالية

تجعل طبقة القلب المعدني (وخاصة مادة الألومنيوم) لوحة الدائرة أكثر صلابة، وقادرة على تحمل الضغوط الناجمة عن الانحناء والاهتزاز والتمدد والانكماش الحراري، وأكثر متانة في كل من الإنتاج والاستخدام.

4. خفيف الوزن وصديق للبيئة

مقارنةً بألواح السيراميك أو الألياف الزجاجية، تتميز لوحات الدوائر المطبوعة ذات النواة المعدنية بأنها أخف وزنًا وأكثر متانة، بالإضافة إلى قابليتها لإعادة التدوير والاستخدام. ويُعدّ الألومنيوم، على وجه الخصوص، غير سام وصديق للبيئة وقابل لإعادة التدوير، مناسبًا جدًا للتصنيع المستدام.

5. استقرار الأبعاد

في نطاق درجة الحرارة من 30 درجة مئوية إلى 150 درجة مئوية، تحافظ لوحات الدوائر المطبوعة ذات النواة المعدنية على أبعاد وأداء مستقرين، مما يضمن التشغيل الموثوق به للمعدات على المدى الطويل.

أنواع MCPCB

اعتمادًا على تكوين الطبقات الموصلة والمعدنية، يمكن تصنيف MCPCBs إلى خمسة أنواع أساسية:

1. طبقة واحدة من MCPCB

2. COB MCPCB (رقاقة على اللوحة)

3. طبقات مزدوجة MCPCB

4. MCPCB مزدوج الجوانب

5. MCPCB متعدد الطبقات

طبقة واحدة من MCPCB

طبقة واحدة من MCPCB 

تتكون لوحة الدوائر المطبوعة أحادية الطبقة ذات النواة المعدنية من ثلاثة أجزاء: طبقة الدائرة النحاسية، وطبقة العزل الكهربائي، والقاعدة المعدنية (عادةً ما يُستخدم الألومنيوم). يتميز هذا الهيكل بالبساطة والعملية، والكفاءة من حيث التكلفة، والموثوقية في الأداء، وهو مناسب جدًا للإنتاج بكميات كبيرة.

التطبيقات:

• إضاءة LED ومصابيح عالية السطوع

• مرحلات السيارات والصناعة

• معدات الصوت ومكبرات الصوت

• أجهزة الاستشعار وآلات التعبئة والتغليف

تُستخدم ألواح MCPCB أحادية الطبقة، التي تنتجها PCBasic، على نطاق واسع في إضاءة LED. بفضل أدائها المتميز في تبديد الحرارة، يمكنها خفض درجة الحرارة بفعالية، مما يضمن سطوع المصابيح وعمرها الافتراضي.

COB MCPCB

لوحة الدوائر المطبوعة ذات النواة المعدنية (COB MCPCB) هي نوع خاص من لوحات الدوائر المطبوعة ذات النواة المعدنية. ميزتها الأبرز هي تركيب القوالب العارية مباشرةً على اللوحة المعدنية، مما يُغني عن طبقة الحاجز العازل في الهيكل التقليدي.

يتيح هذا التصميم اتصال الشريحة مباشرةً بلوحة الدوائر المطبوعة ذات النواة المعدنية، مما يُحسّن نقل الحرارة بشكل أسرع وأكثر كفاءة. يمكن أن تتجاوز الموصلية الحرارية 200 واط/متر·كلفن، وهي تُعادل تقريبًا الموصلية الحرارية للمادة الأساسية المعدنية نفسها.

يتضمن الهيكل الأساسي للوحة PCB ذات النواة المعدنية COB ما يلي:

•  ربط الشريحة مباشرة على لوحة الدوائر المطبوعة ذات النواة المعدنية

•  ربط الأسلاك لربط الإشارات

•  تغليف راتنج الإيبوكسي لحماية الرقائق

الشريحة مُثبَّتة بإحكام على لوحة MCPCB من خلال ربط الأسلاك وتغليف الإيبوكسي. يُحسّن هذا التصميم تجانس الضوء، وفي الوقت نفسه، يُطيل عمر مصابيح LED عالية الطاقة.

تستخدم معظم لوحات COB MCPCB الألومنيوم كمادة أساسية نظرًا لتوصيله الحراري الجيد ومتانته العالية وتكلفته المنخفضة، مما يجعله الخيار الأمثل لمعظم مصنعي لوحات الدوائر المطبوعة ذات النواة المعدنية. كما تستخدم بعض المنتجات الراقية لوحات دوائر مطبوعة من الألومنيوم بتشطيب عاكس مطلي بالفضة/الذهب لتحسين الانعكاسية وأداء تبديد الحرارة.

التطبيقات:

• مصابيح الشوارع LED ومصابيح الكشافات

• وحدات الإضاءة الخلفية والعرض LED

• مصادر الطاقة والمحولات

• المصابيح الأمامية وأنظمة الإشارات للسيارات

• مصابيح النمو الزراعية والبستانية

• أنظمة الإضاءة الصناعية والمعمارية

MCPCB مزدوج الطبقة

MCPCB مزدوج الطبقة 

لوحة الدوائر المطبوعة ثنائية الطبقة (MCPCB) هي نوع من لوحات الدوائر المطبوعة ذات النواة المعدنية، وتتميز ببنية أكثر تعقيدًا من اللوحات أحادية الطبقة. تتكون من طبقتين من النحاس، مغلفتين على قاعدة معدنية من نفس الجانب. المواد المستخدمة عادةً هي الألومنيوم أو النحاس. يقع النواة المعدنية في أسفل لوحة الدوائر، مما يوفر دعمًا ميكانيكيًا جيدًا ويساعد على تبديد الحرارة بسرعة.

على عكس لوحات الدوائر المطبوعة ذات النواة المعدنية ذات الوجهين، حيث يتم توزيع طبقتي النحاس على جانبي النواة المعدنية، يتم تثبيت جميع المكونات الإلكترونية لـ MCPCB ذات الطبقة المزدوجة على نفس الجانب، مما يجعل الهيكل أكثر إحكاما.

بالمقارنة مع لوحات الدوائر المطبوعة أحادية الطبقة ذات النواة المعدنية، يُعد إنتاج لوحات الدوائر المطبوعة متعددة الطبقات (MCPCBs) أكثر تعقيدًا. أثناء التصنيع، يلزم إجراء خطوة تصفيح إضافية لربط الطبقة الموصلة للحرارة بإحكام بالركيزة المعدنية. تتطلب هذه الخطوة دقة عالية في العملية، ويجب أن تضمن عزل الطبقات وقدرتها على توصيل الكهرباء بكفاءة.

تطبيقات MCPCB ذات الطبقة المزدوجة

• محولات ومقومات الطاقة

• مكبرات الصوت ومكبرات الصوت

• وحدات التحكم في الطاقة والمنظمات

• معدات الأتمتة الصناعية

• محركات السيارات ووحدات الاتصال

باعتبارها شركة مصنعة محترفة لـ MCPCB، تتبنى PCBasic تقنية التصفيح المتقدمة لضمان أن الطبقة الموصلة للحرارة في كل لوحة MCPCB مزدوجة الطبقة تتحد بشكل وثيق مع الركيزة المعدنية ولا تكون عرضة للتقشير.

MCPCB مزدوج الجوانب

على غرار لوحات الدوائر المطبوعة ثنائية الطبقة ذات النواة المعدنية، تحتوي هذه اللوحات أيضًا على طبقتين من الموصلات النحاسية. لكن النواة المعدنية تقع بين هاتين الطبقتين. بمعنى آخر، توجد مسارات دوائر كهربائية على السطحين العلوي والسفلي لطبقة النواة المعدنية، متصلة عبر فتحات مطلية.

على عكس لوحات الدوائر المطبوعة ذات النواة المعدنية أحادية الجانب، تتطلب لوحات الدوائر المطبوعة متعددة الطبقات ذات الجانبين خطوة تصفيح إضافية أثناء الإنتاج، مما يربط الطبقات الموصلة للحرارة المنقوشة بقوة بالركيزة الأساسية المعدنية.

مقارنةً بلوحات الدوائر FR-4 العادية، تتطلب لوحات الدوائر المطبوعة ثنائية الجوانب ذات النواة المعدنية دقةً وخبرةً تصنيعيةً أعلى. عند تغليف طبقتين من رقائق النحاس بالنواة المعدنية، يلزم التحكم بدقة في درجة الحرارة والضغط وأداء العزل. بهذه الطريقة فقط، يمكن ضمان عزل كهربائي جيد وأداء حراري مستقر.

التطبيقات:

• وحدات التحكم الصناعية

• محولات الطاقة والمنظمات

• أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء

• لوحات عدادات السيارات

• أنظمة UPS والاتصالات

MCPCB متعدد الطبقات

MCPCB متعدد الطبقات 

لوحة الدوائر المطبوعة متعددة الطبقات ذات النواة المعدنية هي نوع من لوحات الدوائر المطبوعة عالية الأداء ذات النواة المعدنية. تتكون من طبقات متعددة من دوائر النحاس ومواد عازلة موصلة للحرارة، مرصوصة على قاعدة معدنية صلبة.

يُمكّن هذا الهيكل لوحة الدوائر من تحقيق توجيه الإشارات الداخلية، ومستويات التأريض، وتصميم فتحات التوصيل المخفية أو المدفونة، مع الحفاظ على موصلية حرارية عالية. كما يتميز بمرونة تصميمية أعلى وأداء أفضل في إدارة الحرارة.

بالمقارنة مع لوحات الدوائر التقليدية FR-4، فإن متطلبات تصنيع لوحات MCPCB متعددة الطبقات أعلى. في عملية التصفيح، من الضروري التحكم بدقة في درجة الحرارة والضغط وأداء العزل لضمان التصاق كل طبقة نحاسية بقوة بالنواة المعدنية.

التطبيقات:

• الخوادم ومراكز البيانات

• أنظمة الفضاء والأقمار الصناعية

• الإلكترونيات الطبية (تخطيط كهربية القلب، أجهزة مراقبة القلب)

• أنظمة الاتصالات عالية التردد

• الأجهزة العلمية