ما هي مكونات الأجهزة المُركَّبة على السطح (SMD)؟

أ Surface-Mount Device هو مكوِّن إلكتروني مُصمَّم ليتم تركيبه مباشرةً على سطح لوحة الدوائر المطبوعة، بدلًا من إدخاله عبر الثقوب المثقوبة. ويُشكِّل هذا الفرق الجوهري الفارق بين تقنية الأجهزة المُركَّبة على السطح والطرق الأقدم المبنية على التركيب عبر الثقوب، ويُحدِّد طريقة بناء الإلكترونيات الحديثة. ويكوِّن فهم ما هو الجهاز المُركَّب على السطح، وكيف يعمل، ولماذا يُستخدم على نطاق واسع أساسًا حيويًّا للمهندسين ومشتري المكونات ومطوري المنتجات لاتخاذ قراراتٍ مستنيرة في تصميم وتصنيع لوحات الدوائر المطبوعة.

أدى ازدهار الإلكترونيات الاستهلاكية المدمجة، واللوحات الدائرية ذات الكثافة العالية، وخطوط التجميع الآلية إلى جعل أجهزة التركيب السطحي (SMD) التنسيق السائد للمكونات في صناعة الإلكترونيات. فمنذ الهواتف الذكية وحتى وحدات التحكم الصناعية، يعتمد ما يكاد يكون كل منتج إلكتروني حديثٍ على مكونات أجهزة التركيب السطحي لتحقيق التصغير، والأداء العالي، والكفاءة من حيث التكلفة. ويوضّح هذا المقال ماهية هذه المكونات، وأنواعها المختلفة، وكيفية استخدامها في عمليات تركيب اللوحات الإلكترونية (PCB) في العالم الحقيقي.

التعريف بالجهاز المُركَّب سطحيًّا والخصائص الأساسية له

ما المقصود بالجهاز المُركَّب سطحيًّا

جهاز مُركَّب على السطح (SMD) هو أي مكوِّن سلبي أو نشط أو كهروميكانيكي تم تصميمه ليُركَّب على سطح اللوحة. وبدلًا من الأسلاك الواصلة التي تمر عبر اللوحة، يستخدم جهاز مُركَّب على السطح اتصالات مسطحة أو وصائل أو نهايات معدنية صغيرة تلامس سطح لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) بشكل مستوٍ. ويُطبَّق معجون اللحام على وصائل اللوحة، ثم توضع أجهزة مُركَّبة على السطح بواسطة آلات التجميع الآلي (Pick-and-Place)، وبعد ذلك تمر التجميعات عبر فرن إعادة الصهر لإتمام التوصيل الكهربائي.

السمة الفيزيائية المميِّزة لجهاز مُركَّب على السطح هي هيئته المدمجة ومنخفضة الارتفاع. وبما أن جهاز مُركَّب على السطح لا يحتاج إلى ثقوب محفورة في اللوحة، فإنه يمكن تركيب المكونات على كلا وجهي لوحة الدوائر المطبوعة، ما يزيد كثافة الدائرة زيادةً كبيرةً. وهذا يجعل جهاز مُركَّب على السطح مثاليًّا للتطبيقات التي تفرض قيودًا على المساحة والوزن.

الخصائص الكهربائية الرئيسية لجهاز مُركَّب على السطح

جهاز التوصيل السطحي ليس مجرد نسخة أصغر من جهاز التوصيل عبر الفتحة. بل تم تصميم جهاز التوصيل السطحي ليوفّر أداءً كهربائيًّا مستقرًّا ضمن مساحته المصغَّرة. وتؤدّي أطوال الأطراف الأقصر في جهاز التوصيل السطحي إلى تقليل الحث والسعوية الضارة، وهي ميزةٌ كبيرةٌ في تصاميم الدوائر عالية التردد. وهذا يعني أن جهاز التوصيل السطحي غالبًا ما يتفوّق على نظيره المُوصَّل عبر الفتحة في تطبيقات الترددات الراديوية وسلامة الإشارات والتبديل.

أنواع مكوّنات أجهزة التوصيل السطحي

المكوّنات السلبية لأجهزة التوصيل السطحي

تمثل الأنواع السلبية الفئة الأكثر استخدامًا من أجهزة المontaجة على السطح (SMD). وتتكوّن المقاومات والمكثفات والمحاثات من الغالبية العظمى من مكونات أجهزة المontaجة على السطح الموجودة على أي لوحة دوائر مطبوعة قياسية. وتتوفر هذه المكونات السلبية من أجهزة المontaجة على السطح بمقاييس عبوات قياسية، مثل 0402 و0603 و0805، حيث تشير الأرقام إلى الأبعاد الفيزيائية بوحدة جزء من مائة بوصة. ويُعد اختيار مقاس عبوة جهاز المontaجة على السطح المناسب أمرًا بالغ الأهمية، لأن ذلك يؤثر على قابلية اللحام والأداء الحراري وكفاءة التجميع. فمثلاً، المقاومة أو المكثف من أجهزة المontaجة على السطح المصنّف ضمن عبوة 0402 يكونان صغيرين جدًّا، ويستلزم تركيبهما دقة عالية باستخدام آلات التركيب الآلي لتفادي حدوث انحراف في المحاذاة أو عيوب تشبه شكل الشاهدة (Tombstoning).

تتوفر الملفات الحثية بصيغة الجهاز المُركَّب على السطح (SMD) بنسختين: مدرعة وغير مدرعة. وتقلل الملفات الحثية المدرعة من التداخل الكهرومغناطيسي، وهي المفضلة في دوائر إمداد الطاقة ودوائر الترشيح. ويختار المهندسون الملفات الحثية المُركَّبة على السطح (SMD) استناداً إلى قيمة الحث، ومعدل التيار، والمقاومة المستمرة (DC)، وكلُّ هذه القيم تُحدَّد في ورقة بيانات الجهاز المُركَّب على السطح (SMD).

المكونات النشطة والمدمجة المُركَّبة على السطح (SMD)

تشمل مكونات الأجهزة النشطة المُركَّبة على السطح الترانزستورات، والدايودات، والدوائر المتكاملة، ووحدات التحكم الدقيقة. وقد تستخدم الدائرة المتكاملة (IC) المُعبَّأة على شكل جهاز مُركَّب على السطح (Surface-Mount Device) تنسيقات مثل SOIC أو QFP أو QFN أو BGA. وتُعَدُّ تقنية «المصفوفة الكروية» (BGA) تنسيقًا عالي الكثافة للأجهزة المُركَّبة على السطح، حيث ترتَّب الكرات اللحامية على شكل شبكة على الجانب السفلي من المكوِّن. ويسمح تنسيق BGA كجهاز مُركَّب على السطح بإقامة مئات الاتصالات في مساحة صغيرة جدًّا، ما يجعله معيارًا شائع الاستخدام في المعالجات ورقائق الذاكرة. أما فحص جهاز BGA المُركَّب على السطح بعد عملية الانصهار (reflow) فيتطلَّب استخدام معدات الأشعة السينية، لأن الوصلات اللحامية تكون مخفية تحت الغلاف.

عادةً ما تستخدم الدايودات والترانزستورات المُركَّبة على السطح حزمات SOT أو SOD. وهذه المكونات النشطة المُركَّبة على السطح سهلة التركيب واللحام نسبيًّا، لكنها تتطلَّب اهتمامًا دقيقًا بتوجيهها أثناء التجميع. ويجب التحقُّق من قطبية المكوِّن المُركَّب على السطح وعلامات الدبوس رقم واحد (pin-one) مقابل الطباعة الحريرية (silkscreen) على لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) لتفادي أخطاء التركيب العكسي.

كيف تُستخدم مكوّنات الأجهزة المُركَّبة على السطح في تجميع لوحات الدوائر المطبوعة

عملية التجميع باستخدام تقنية التركيب على السطح لمكوّنات الأجهزة المُركَّبة على السطح

تتبع عملية تجميع جهاز مُركَّب على السطح سير عملٍ محدَّد. ففي البداية، تُطبَع معجون اللحام عبر قالب شبهي على وصائل لوحة الدوائر المطبوعة التي ستستقبل كل جهاز مُركَّب على السطح. وبعد ذلك، تستعيد آلة التقاط والوضع كل جهاز مُركَّب على السطح من عبوته إما على هيئة شريط وبكرة أو صينية، ثم تضعه بدقة على الوصائف المغطاة بمعجون اللحام. وبمجرد وضع جميع مكوّنات الأجهزة المُركَّبة على السطح، تدخل اللوحة إلى فرن إعادة التشكيل حيث تذوب درجات الحرارة المنظمة معجون اللحام وتُشكِّل وصلات موثوقة حول كل جهاز مُركَّب على السطح. ويتيح هذا التدفق الآلي الإنتاج بكميات كبيرة وجودة متسقة في لحام أجهزة التركيب على السطح.

إذا كنت تبحث عن خدمات تجميع لوحات الدوائر المطبوعة التي تتعامل مع مكوّنات الأجهزة المُركَّبة على السطح بمقاييس واسعة، فإن الاستعانة بفريق محترف Surface-Mount Device تقدم مقدِّمو خدمات التجميع خدمات جاهزة بالكامل، تشمل شراء المكونات، وطباعة المعجون، والانصهار الحراري، والتفتيش البصري الآلي. ويضمن اختيار شريك تجميع ذو خبرة أن يتم تركيب كل جهاز من أجهزة التوصيل السطحي (SMD) ولحامه بشكلٍ صحيح، مما يقلل من الحاجة إلى إعادة العمل ويسرع من إدخال المنتج إلى السوق.

مراقبة الجودة في تجميع أجهزة التوصيل السطحي (SMD)

تشمل مراقبة الجودة في تجميع أجهزة التوصيل السطحي (SMD) التفتيش البصري الآلي (AOI)، الذي يتحقق من كل جهاز من أجهزة التوصيل السطحي (SMD) فيما يتعلق بمكان التركيب والاتجاه وجودة وصلات اللحام. ويمكن لعملية التفتيش البصري الآلي (AOI) اكتشاف الجسور اللحامية، ونقص كمية اللحام، وغياب مكونات أجهزة التوصيل السطحي (SMD). أما بالنسبة للوحات الكثيفة التي تحتوي على حزم أجهزة التوصيل السطحي (SMD) من نوع BGA، فإن فحص الأشعة السينية يوفّر رؤيةً لوصلات اللحام المخفية التي لا يمكن للتفتيش البصري الآلي (AOI) الوصول إليها. ويُعد تنفيذ فحوصات دقيقة في كل مرحلة من مراحل تجميع أجهزة التوصيل السطحي (SMD) أمراً جوهرياً لتحقيق لوحات إلكترونية موثوقة سواء في مراحل النماذج الأولية أو الإنتاج الضخم.

الأسئلة الشائعة

ما الفرق بين الجهاز المثبت على السطح والمكون المثقوب؟

يتم تركيب جهاز التوصيل السطحي مباشرةً على سطح لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) باستخدام معجون اللحام وعملية إعادة الصهر، بينما يستخدم المكوّن المُثبَّت عبر الثقوب أسلاك توصيل يتم إدخالها في ثقوب محفورة ثم لحامها من الجانب المقابل. ويتميز جهاز التوصيل السطحي عمومًا بأنه أصغر حجمًا وأخف وزنًا، وأكثر ملاءمةً للتجميع الآلي عالي الحجم مقارنةً بالمكوّنات المُثبَّتة عبر الثقوب.

هل يمكن لحام جهاز التوصيل السطحي يدويًّا؟

نعم، يمكن لحام جهاز التوصيل السطحي يدويًّا، رغم أن ذلك يتطلب مهارة وأدوات مناسبة. فالتغليف الأكبر لجهاز التوصيل السطحي مثل SOIC أو المقاومات والمكثفات ذات الحجم 0805 يمكن التعامل معها بسهولة نسبيًّا باستخدام لوح لحام ذي طرف دقيق. أما التنسيقات الأصغر لجهاز التوصيل السطحي مثل 0201 أو BGA فهي بالغة الصعوبة في اللحام اليدوي الموثوق، ويُفضَّل التعامل معها باستخدام المعدات الآلية.

كيف أختار تنسيق جهاز التوصيل السطحي المناسب لتصميمي؟

يعتمد اختيار حزمة جهاز التوصيل السطحي المناسبة على قيود مساحة اللوحة، ومتطلبات التيار، وتكرار التشغيل، وقدرات التجميع. فتحزم أجهزة التوصيل السطحي الأصغر حجمًا توفر مساحةً لكنها تتطلب دقةً أعلى في عملية التجميع. أما مساحات تثبيت أجهزة التوصيل السطحي الأكبر فهي أسهل في التعامل معها والتفتيش عليها. ويجب دائمًا التأكد من أن شريك تجميع لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) الخاص بك قادرٌ على دعم أحجام حزم أجهزة التوصيل السطحي المحددة في تصميمك قبل الانتهاء من قائمة المواد.