ادخل أي مختبر إلكتروني اليوم، وستجد مكونات SMD (أجهزة التثبيت السطحي). يصعب رؤية هذه الأجزاء الصغيرة بالعين المجردة، ومع ذلك فهي أساس جميع المعدات التي تستخدمها. يُعد فهم كيفية تحديد هذه المكونات واستخدامها من الأمور الأساسية التي يجب على مهندس لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) تعلمها.
من خلال هذا الدليل، ستتعرف على الأنواع الرئيسية لمكونات SMD، وأحجام المكونات ورموزها، وكيفية اختيار المكون الصحيح في تصميم لوحة الدوائر المطبوعة الخاصة بك.
ما هي مكونات SMD؟
مكونات SMD هي مكونات إلكترونية تُركّب مباشرة على سطح لوحة الدوائر المطبوعة (PCB). تتميز بأحجامها الصغيرة، وهي الخيار الأساسي في صناعة الإلكترونيات الحديثة.
مزايا وعيوب مكونات SMD
تتمتع أجهزة التثبيت السطحي بعدد من المزايا المفيدة:
- إنها خفيفة الوزن وصغيرة الحجم، مما يجعلها الخيار المفضل في الأجهزة المحمولة والأجهزة ذات المساحة المحدودة.
- يمكن تركيبها على كل جانب من جوانب لوحات الدوائر المطبوعة لزيادة كثافة التصميم.
- تحسين كفاءة التصنيع من خلال التكامل مع العمليات الآلية
ومع ذلك، توجد أيضًا قيود مرتبطة بمكونات SMD:
- يصعب تجميعها يدوياً لأنها صغيرة جداً، وتتطلب أدوات احترافية.
- يصعب فحص هذه المكونات وإصلاحها.
- غير مناسب للبيئات ذات الطاقة العالية أو البيئات القاسية.
مكونات SMD مقابل مكونات الثقوب (THT)
قبل ظهور تقنية SMD، كان المهندسون يستخدمون بشكل أساسي مكونات THT. وحتى يومنا هذا، لا تزال كلتا التقنيتين تلعبان دورًا لا غنى عنه في صناعة الإلكترونيات الحديثة. فما هي الفروقات بينهما تحديدًا؟ راجع الجدول أدناه:
| الميزات | مصلحة الارصاد الجوية | THT |
| المقاس | مدمجة وخفيفة الوزن | أكبر وأثقل |
| مساحة لوحة الدوائر المطبوعة | مثبتات على كلا الجانبين | جانب واحد فقط |
| التركيب | مؤتمتة للغاية | يدوي أو نصف آلي |
| لحام كوي | إنحسر لحام | اللحام الموجي أو اليدوي |
| القوة الميكانيكية | منخفض، حساس للاهتزاز | أعلى وأكثر متانة |
| تبديد الحرارة | محدود | أفضل |
| إعادة العمل والإصلاح | صعب، ويتطلب أدوات | أسهل باليد |
| التكلفة | أقل على نطاق واسع | ارتفاع تكلفة العمالة |
قراءة متعمقة: التركيب عبر الفتحة مقابل التركيب السطحي: كيفية اختيار الطريقة الصحيحة
أنواع مكونات SMD الشائعة
على الرغم من وجود مئات الأنواع المختلفة من مكونات SMD، إلا أن معظم الدوائر تستخدم نفس المجموعة الأساسية من المكونات. إليك ما ستصادفه في أغلب الأحيان:
مكونات SMD السلبية
أولًا، نحتاج إلى معرفة ماهية مكونات SMD السلبية: وهي مكونات لا تتطلب مصدر طاقة خارجي. فهي قادرة على تخزين الطاقة أو تبديدها أو حتى ترشيحها في الدائرة الكهربائية. تشمل أنواع مكونات SMD الشائعة ما يلي:
- المقاومات
تُستخدم المقاومات السطحية للتحكم في كمية التيار الكهربائي المتدفق داخل الدائرة الكهربائية والحد منها. ووحدتها هي الأوم (Ω)، ويتراوح نطاق مقاومتها من 1 Ω إلى 10 ميجا أوم.
تشمل أنواع المقاومات الشائعة المقاومات ذات الأغشية السميكة، والمقاومات ذات الأغشية الرقيقة، ومقاومات استشعار التيار.
- المكثفات
تُعدّ المكثفات من أهمّ المكوّنات المستخدمة في لوحات الدوائر المطبوعة لتخزين الطاقة الكهربائية، وتصفية التشويش، وتثبيت الجهد. تُقاس سعتها بالفاراد (F)، مع العلم أن معظمها تتراوح سعتها بين 1 بيكوفاراد و100 ميكروفاراد. ومن أنواع مكثفات SMD الشائعة: المكثفات الخزفية، ومكثفات التنتالوم، والمكثفات الفيلمية، والمكثفات الإلكتروليتية.
- المحاثات
تتمثل وظائف محاثات SMD في تخزين الطاقة في مجال مغناطيسي، وترشيح الإشارات، وتحويل الطاقة. تُقاس قيمتها بالهنري (H)، ويتراوح حثها عادةً من 1 نانوهنري إلى 1000 ميكروهنري. تشمل أنواع المحاثات الشائعة الاستخدام المحاثات السلكية، والمحاثات متعددة الطبقات، ومحاثات خرز الفريت.
مكونات SMD النشطة
تحتاج المكونات النشطة إلى مصدر طاقة خارجي لأداء وظائفها، وفيما يلي المكونات النشطة الثلاثة الأكثر استخدامًا:
- الثنائيات
تُستخدم الثنائيات في لوحات الدوائر المطبوعة للتحكم في تدفق التيار، مما يضمن تدفقه في اتجاه واحد فقط. وتلعب دورًا أساسيًا في حماية الدوائر وإدارة الطاقة. ومن أنواع الثنائيات الشائعة: ثنائيات التقويم، وثنائيات شوتكي، وثنائيات زينر، وثنائيات LED.
- الترانزستورات
تستخدم لوحات الدوائر المطبوعة ترانزستورات SMD للتبديل وتضخيم الإشارات الكهربائية، وهي أساس الدوائر التناظرية والرقمية. ومن أمثلة أنواع الترانزستورات الشائعة: أنابيب ثنائية القطب، MOSFETs و IGBTs.
- الدوائر المتكاملة (ICs)
تُدمج الدوائر المتكاملة مكونات إلكترونية متعددة في شريحة واحدة، مما يُمكّنها من أداء وظائف معقدة بحجم صغير. وتُعتبر هذه الدوائر بمثابة قلب النظام الإلكتروني. وتُستخدم أنواع مختلفة من الدوائر المتكاملة على نطاق واسع، مثل وحدات التحكم الدقيقة، ومضخمات العمليات، والدوائر المتكاملة المنطقية، ودوائر إدارة الطاقة المتكاملة.
ملخص مكونات SMD
يوفر الجدول أدناه مرجعًا سريعًا لأكثر مكونات التثبيت السطحي شيوعًا المستخدمة في تصميم وتجميع لوحات الدوائر المطبوعة.
| مكون | الوظيفة | الحزم الشائعة | تطبيقات نموذجية |
| المقاومات | تحديد التيار، والتحكم في الجهد | 0402، 0603، 0805 | تحديد التيار، مقسمات الجهد |
| المكثفات | تخزين الطاقة، تصفية الضوضاء | 0402، 0603، 0805 | الفصل، والترشيح، وربط الإشارات |
| المحاثات | تخزين الطاقة المغناطيسية | 0603 , 0805 | DC-DC، ترشيح التداخل الكهرومغناطيسي |
| الثنائيات | السماح بتدفق التيار في اتجاه واحد | SOD-123، SOD-323 | التصحيح والحماية |
| الترانزستورات | تبديل/تضخيم الإشارات | SOT-23 ، SOT-223 | التبديل، التضخيم |
| المرحلية | معالجة الإشارات، عمليات التحكم | SOIC، QFN، BGA | المعالجة والتحكم |
أحجام ورموز عبوات SMD
تُغلّف أجهزة التثبيت السطحي بأحجام ورموز مختلفة تُشير إلى خصائصها الكهربائية. ومن الضروري أن يتعلم المهندسون كيفية تحديد هذه المعايير الأساسية.
أحجام عبوات SMD القياسية
تُرمز حزم SMD عادةً بأربعة أرقام، تُشير إلى طول وعرض المكونات بالبوصة. على سبيل المثال، يعني الرمز "0402" أن الطول 0.04 بوصة والعرض 0.02 بوصة. يوضح الجدول أدناه أمثلة أخرى لفهم أفضل:
| فئة الإشتراك | بوصة | ملليمترات | استخدام نموذجي |
| 01005 | 0.01 × 0.005 | 0.4 × 0.2 | تصميمات فائقة الكثافة، أجهزة قابلة للارتداء |
| 0201 | 0.02 × 0.01 | 0.6 × 0.3 | لوحات الدوائر المطبوعة عالية الكثافة، الأجهزة المحمولة |
| 0402 | 0.04 × 0.02 | 1.0 × 0.5 | الإلكترونيات الاستهلاكية، تصاميم صغيرة الحجم |
| 0603 | 0.06 × 0.03 | 1.6 × 0.8 | الدوائر العامة للأغراض |
| 0805 | 0.08 × 0.05 | 2.0 × 1.25 | قوة معتدلة، سهولة التجميع |
| 1206 | 0.12 × 0.06 | 3.2 × 1.6 | طاقة أعلى، استقرار حراري |
رموز مقاومات SMD
هناك شكلان لترميز قيمة المقاومات:
- الرمز المكون من ثلاثة أرقام (الأكثر شيوعًا): أول رقمين هما أرقام معنوية، والرقم الثالث هو المضاعف. على سبيل المثال:
103 = 10 × 10³ = 10 كيلو أوم
472 = 47 × 10² = 4.7 كيلو أوم
- رمز مكون من أربعة أرقام (مقاومات دقيقة): الأرقام الثلاثة الأولى هي أرقام معنوية، والرابع هو المضاعف. على سبيل المثال: 1001 تعني 100 × 10¹، لذا فإن قيمة المقاومة هي 1 كيلو أوم.
كما يتم استخدام نظام الترميز الأبجدي الرقمي EIA-96 في بعض المقاومات الدقيقة.
رموز مكثفات SMD
العديد من مكثفات SMD الصغيرة جدًا بحيث لا يمكن وضع علامات عليها. في حال وجود بعض الرموز، فإنها تستخدم نظامًا من ثلاثة أرقام، حيث يمثل الرقمان الأولان الأرقام المعنوية، بينما يمثل الرقم الأخير المضاعف بالبيكوفاراد.
104 = 10 × 10⁴ بيكوفاراد = 100 نانوفاراد
225 = 22 × 10⁵ pF = 2.2 μF
في الواقع العملي، يعتمد المهندسون غالبًا على جداول البيانات أو معلومات قائمة المواد لتحديد قيم المكثفات.
رموز المحاثات SMD
على عكس المقاومات والمكثفات، فإنّ علامات المحاثات غير موحدة. فلكل مصنّع رموزه الخاصة؛ إذ يستخدم البعض رموزًا ثلاثية الأرقام، بينما يستخدم آخرون رموزًا رباعية الأرقام. لذا، من الضروري مراجعة ورقة بيانات المكوّن للتأكد من القيم.
بعد قراءة هذا الجزء، قد تتساءل: كيف يمكنني التمييز بين ما إذا كان "الرمز" يُمثل حجمًا أم قيمة؟ حسنًا، رموز أحجام عبوات SMD لا تُطبع على المكونات نفسها، بل تُستخدم في قوائم المواد. أما الرمز الذي تراه على المكونات فيُشير إلى قيمها الكهربائية.
كيفية التعرف على مكونات SMD
عند محاولة تحليل لوحة دوائر مطبوعة غير مألوفة، تُعد العدسة المكبرة أو المجهر أداةً أساسية. لكن القدرة على قراءة العلامات الصغيرة هي الخطوة الأولى. تُقدم العديد من المكونات أدلةً بناءً على علاماتها وقطبيتها وشكل غلافها.
- المقاومات السطحية: عادةً ما تُعلّم هذه المكونات برموز مكونة من 3 أو 4 أرقام، ومعظمها مستطيل الشكل. وهي مكونات غير قطبية.
- مكثفات SMD: عادةً ما تُعلّم مكثفات التنتالوم برمز مكون من ثلاثة أرقام وعلامة قطبية (خط يشير إلى الطرف الموجب). مع ذلك، لا تحمل معظم المكثفات الخزفية أي علامات، لذا يتطلب تحديد هذه المكونات مراجعة ورقة البيانات.
- الثنائيات السطحية: تتميز بخط على أحد جانبيها (الكاثود). تساعد هذه العلامات في تحديد اتجاه تدفق التيار.
- ترانزستورات SMD: تُعرف الترانزستورات عادةً باستخدام رموز مكونة من حرفين أو ثلاثة أحرف مثل A1C أو 2N، وتُعبأ في عبوات SOT-23 أو SC-70. وتختلف هذه الرموز عادةً باختلاف الشركة المصنعة.
إذا لم تكن علامات القطعة ظاهرة، فإن قياس أبعاد العبوة قد يوفر مؤشرات حول نوع المكون وقيمه بناءً على معايير الصناعة. بالإضافة إلى ذلك، يُعد التحقق من قائمة المواد أو المخططات أو جداول بيانات المكونات للتأكد من تحديدها بدقة طريقة جيدة دائمًا.
لحام وتجميع مكونات SMD
تجميع SMD تستخدم عادةً تقنية التركيب السطحي (SMT) وتتضمن عمومًا الخطوات الأربع التالية:
الخطوة 1: طباعة معجون اللحام
وضع معجون اللحام على نقاط توصيل لوحة الدوائر المطبوعة باستخدام قوالب SMT، مع التأكد من وضع اللحام بدقة في المكان الذي سيتم فيه لحام المكونات المثبتة على السطح.
الخطوة الثانية: الالتقاط والوضع
هنا، تقوم آلات SMT بوضع الأجزاء على اللوحة في المواضع الصحيحة بناءً على ملف التصميم.
الخطوة 3: إنحسر اللحام
ثم توضع لوحات الدوائر الإلكترونية المزودة بالمكونات في فرن إعادة التدفق لإذابة اللحام. وعندما يبرد، يتصلب اللحام ويشكل وصلات لحام مستقرة.
الخطوة الرابعة: الفحص ومراقبة الجودة.
تتمثل العملية النهائية في فحص جودة لحام المكونات السطحية، والفحص البصري الآلي (AOI). فحص الأشعة السينية تُجرى هذه الفحوصات عادةً للتحقق من العيوب المرئية وغير المرئية.
على الرغم من أن غالبية مكونات SMD يتم تجميعها باستخدام تقنية SMT، إلا أن اللحام اليدوي لا يزال مطلوبًا في النماذج الأولية وإصلاح بعض المكونات.
كيفية اختيار مكونات SMD
فيما يلي ثلاثة اعتبارات رئيسية عند اختيار مكونات SMD المناسبة لتصميم لوحة الدوائر المطبوعة الخاصة بك:
- الخصائص الكهربائية
من المهم التأكد من أن المواصفات الأساسية للمكونات، مثل المقاومة والسعة والحث والجهد المقنن والطاقة المقننة، تتوافق مع متطلباتك. بالنسبة للمكثفات، تأكد من أن جهد تشغيلها أقل من 80% من القيمة المقننة؛ أما بالنسبة للمقاومات، فاختر طاقة مقننة لا تقل عن ضعف التبديد المتوقع لضمان موثوقية طويلة الأمد.
- الأبعاد
يجب أن يتناسب المكون مع المساحة المتاحة على لوحة الدوائر المطبوعة. تبدأ معظم التصاميم عادةً باستخدام حزم قياسية مثل 0603 أو 0805، وهي سهلة التجميع وصغيرة الحجم. إذا كانت المساحة محدودة، يُنصح باستخدام 0201.
- الموثوقية والبيئة
تأكد من أن درجة حرارة تشغيل المكونات السطحية (SMDs) تتناسب مع تطبيقك. إذا كانت هذه المكونات تُستخدم في الإلكترونيات الاستهلاكية، فمن المناسب اختيار مكونات تعمل في نطاق درجات حرارة من 0 إلى 70 درجة مئوية. أما إذا كانت تُستخدم في بيئات قاسية، فاختر مكونات تتحمل درجات الحرارة القصوى هذه.
الأسئلة الشائعة
ما الفرق بين تقنية SMT وتقنية SMD؟
جهاز التثبيت السطحي (SMD) هو في الواقع اسم المكون نفسه، بينما تقنية التثبيت السطحي (SMT) هي العملية والمنهجية التي يتم تطبيقها لتثبيت مكونات SMD هذه على لوحة الدوائر المطبوعة (PCB).
هل مكونات SMD أفضل من مكونات الثقوب؟
تُعدّ هذه الأنواع أكثر ملاءمةً للإنتاج عالي الكثافة والآلي، بينما تتميز تقنية THT بقوة ميكانيكية أفضل. لا يوجد خيار "أفضل" بشكل مطلق، ويتم اختيارها بناءً على التطبيق المطلوب.
هل يمكن لحام مكونات SMD يدويًا؟
نعم، يمكن لحامها يدوياً على الرغم من أن ذلك يتطلب ممارسة واستخدام الأدوات المناسبة مثل مكواة اللحام ذات الرأس الدقيق، ومادة اللحام المساعدة، والملقط.
كيف يمكنني تحديد مكون SMD؟
يمكن التعرف على المكونات المثبتة على السطح من خلال علاماتها وحجم عبوتها وخصائصها الفيزيائية. بالإضافة إلى ذلك، يمكنك مراجعة ورقة بيانات المكون.
