آشنایی کامل با برد مدار چاپی و انواع آن

PCB چیست؟

برد مدار چاپی ، یک مدار چاپ شده به‌وسیله لایه‌ای از مس بر روی برد است که همه قطعات الکتریکی و الکترونیکی را روی یک بردِ مشترک به هم متصل می‌کند و استحکام فیزیکی قطعات را فراهم می‌کند.

زمانی‌که PCB هنوز توسعه نیافته بود، همه اتصالات بین قطعات با سیم انجام می‌شد که پیچیدگی زیادی به همراه داشت و ضریب اطمینان مدار را کاهش می‌داد. با این روش، امکان ساخت مدارهای بسیار بزرگ مانند مادربوردها وجود نداشت. اما با استفاده از PCB، همه قطعات درون برد، بدون نیاز به سیم به یکدیگر متصل می‌شوند. در نتیجه، پیچیدگی کلی طرح مدار کاهش می‌یابد. برد مدار چاپی برای برقراری جریان الکتریسیته و اتصال بین قطعات مورد استفاده قرار می‌گیرد تا مدار به آنچه که برای آن طراحی شده عمل کند.

طراحی و ساخت PCB بسته به نیاز کاربر برای هر کاربردی قابل اجرا است. ردپای آن‌ در بسیاری از لوازم الکترونیکی مانند تلویزیون، موبایل، دوربین هوشمند، قطعات کامپیوتر مانند کارت‌های گرافیک، مادربورد و.. یافت می‌شود و در بسیاری از زمینه‌ها مانند دستگاه‌های پزشکی، اتوماسیون صنعتی، صنایع خودرویی، روشنایی و..کاربرد دارد.

انواع PCB

چندین نوع PCB برای پیاده‌سازی مدار وجود دارد که باید با توجه به کاربرد آن‌ها، نوع مناسب را انتخاب کرد. برخی از انواع برد مدار چاپی عبارت‌اند از:

1. یک‌لایه
2. دولایه
3. چندلایه
4. انعطاف‌پذیر
5. سخت
6. انعطاف پذیر-سخت

هر یک از انواع PCB را در ادامه بررسی خواهیم کرد.

برد مدار چاپی یک لایه:

PCB یک لایه که به نام برد یک رو هم شناخته می‌شود، ساده‌ترین و پر استفاده‌ترین نوع برد مدار چاپی است، زیرا این نوع PCB، طراحی و ساخت ساده‌ای دارد. یک سمت این برد با لایه‌ای از یک ماده رسانا پوشیده می‌شود. این ماده معمولا مس است، زیرا مس، هدایت بسیار خوبی دارد.

از یک لایه چاپ محافظ (solder mask) نیز برای حفاظت از برد در برابر اکسید شدن استفاده می‌شود و چاپ راهنما (silk screen) روی آن قرار می‌گیرد تا نام و محل قرارگیری قطعات روی برد را مشخص کند. در این نوع PCB، تنها یک سمت برد برای اتصال انواع قطعات الکتریکی و الکترونیکی مانند مقاومت، خازن، سلف و.. مورد استفاده قرار می‌گیرد. این قطعات روی برد لحیم می‌شوند. از این نوع بردها در کاربردهایی با هزینه‌ی تولید کم و با ابعاد بزرگ استفاده می‌شود مانند ماشین حساب‌ها، رادیو، پرینتر و ssd.

برد مدار چاپی دولایه:

PCB دو لایه با نام برد دو رو هم شناخته می‌شود. همان‌طور که از نام آن پیداست، در این نوع برد مدار چاپی، یک لایه نازک ماده رسانا مانند مس در دو سمت بالایی و پایینی برد قرار می‌گیرد. این لایه‌ها از طریق via‌ها، که دارای دو pad منطبق بر هم در دو لایه‌ی متفاوت هستند، با هم در ارتباط‌اند. همان‌طور که در شکل زیر نمایش داده شده است، Via سوراخی در داخل برد است که اتصال الکتریکی لایه‌های بالا و پایین را برقرار می‌کند.

از مزایای این نوع PCB، می‎‌توان به انعطاف‌پذیری بیشتر (در طراحی)، هزینه ساخت نسبتا پایین و مهم‌تر از همه ابعاد کم اشاره کرد که امکان ساخت مدارهای فشرده‌تر را فراهم می‌کند. از بردهای دو لایه معمولا در کنترل صنعتی، مبدل‌ها، سیستم‌های برق اضطراری (UPS)، کاربردهای HVAC، موبایل‌ها، تقویت کننده‌ها (amplifiers) و سیستم‌های مانیتورینگ توان استفاده می‌شود.

برد مدار چاپی چندلایه:

برد مدار چاپی چند لایه، بردی با بیش از دولایه است. به این معنا که این نوع  PCBحداقل سه لایه‌ی رسانای مسی دارد. برای استحکام برد، بین لایه‌ها چسب فشرده قرار می‌گیرد تا هم عایقی بین لایه‌ها باشد و هم این اطمینان را دهد که دمای اضافی به قطعات مدار آسیبی نخواهد رساند. این نوع طراحی PCB بسیار پیچیده بوده و برای ایجاد حجم زیادی از اتصالات الکتریکی در فضایی بسیار کم و فشرده استفاده می‌شود. از بردهای چند لایه در کاربردهای پیچیده مانند GPS، سیستم‌های ماهواره‌ای، تجهیزات پزشکی، ذخیره داده و سرورها استفاده می‌شود.

برد مدار چاپی انعطاف‌پذیر:

PCB انعطاف‌پذیر که با نام مدار خم شونده (Flex Circiut) هم شناخته می‌شود، از مواد پلاستیکی انعطاف‌پذیر مانند پلی‌آمید، PEEK (پلی‌استر اتر کتون)، یا فیلم شفاف رسانای پلی‌استری ساخته می‌شود. برد مدار معمولا در حالت تاخورده یا خم شده قرار می‌گیرد. این نوع برد، پیچیده‌ترین نوع PCB بوده و طیف متنوعی از لایه‌ها مانند مدار انعطاف‌پذیر یک لایه، دو لایه و چند لایه را در بر می‌گیرد. PCB انعطاف‌پذیر در OLEDها، ساخت LCD، سلول‌های خورشیدی انعطاف‌پذیر، صنایع خودرو، تلفن‌های همراه، دوربین و دستگاه‌های پیچیده الکترونیکی مانند لپتاپ‌ها به کار می‌رود.

برد مدار چاپی سخت:

PCBهای سخت از مواد جامدی ساخته می‌شوند که از خم شدن برد جلوگیری می‌کنند. PCB سخت، مانند PCB انعطاف‌پذیر، ساختار لایه‌ای متفاوتی مانند یک‌لایه، دولایه و چندلایه دارد. شکل این نوع برد پس از نصب تغییر نمی‌کند. طول عمر این نوع PCB بسیار بالا است، بنابراین در بسیاری از بخش‌های کامپیوتر مانند رم، کارت گرافیک و پردازنده استفاده می‌شود.

طراحی ساده، بیشترین استفاده و بیشترین حجم تولید از مشخصات دیگر این نوع برد مدار چاپی است. بردهای سخت چندلایه می‌توانند با داشتن 9-10 لایه، بسیار فشرده باشند.

برد مدار چاپی انعطاف پذیر-سخت:

مهم‌ترین نوع برد مدار چاپی، ترکیبی از بردهای سخت و بردهای انعطاف‌پذیر است. این نوع برد شامل چندین لایه برد مدار چاپی انعطاف‌پذیر است که روی تعدادی لایه برد سخت چسبانده می‌شوند. در شکل زیر، نمونه‌ای از این نوع برد را می‌بینیم. این بردها در تلفن‌های همراه، دوربین‌های دیجیتال و خودروها استفاده می‌شوند.

انواع برد مدار چاپی برحسب چگونگی نصب قطعات

در اینجا انواع برد مدار چاپی را به لحاظ روش نصب قطعات بر روی آن بررسی می‌کنیم.

1. از  طریق سوراخ:

در این نوع PCB، باید با دریل، برد را سوراخ کنیم. در این سوراخ‌ها، پایه‌های قطعات قرار می‌گیرند و به padها در سمت دیگر برد لحیم می‌شوند. این تکنولوژی بیش‌ترین کاربرد را دارد، زیرا استحکام مکانیکی بیشتری به قطعات الکتریکی می‌دهد و تکنولوژی قابل اعتمادی برای نصب قطعات است، اما با این حال، سبب افزایش هزینه این نوع بردها می‌شود. در بردهای یک‌لایه، این روش نصب یعنی سوراخ کردن برد، به‌سادگی قابل‌اجرا است، اما در PCBهای دولایه و چندلایه، بسیار دشوارتر خواهد بود.

1. نصب سطحی:

در این نوع PCB، قطعات ابعاد کوچکی دارند، زیرا این قطعات یا بدون پایه هستند یا پایه‌های بسیار کوچکی برای نصب بر روی برد دارند. در این فناوری، قطعات نصب سطحی (SMD) مستقیماً بر روی سطح برد نصب می‌شوند و نیازی به سوراخ کردن برد نیست.

بخش‌های مختلف برد مدار چاپی

Pad: پد تکه‌ای مس است که پایه قطعات در آن قرار گرفته و لحیم می‌شود و استحکام مکانیکی قطعات را فراهم می‌کند.

Trace: در برد مدار چاپی، قطعات با سیم به یک‌دیگر متصل نمی‌شوند. تمام قطعات با یک ماده رسانا مانند مس به هم متصل می‌گردند. بخش مسی برد که برای اتصال قطعات به کار می‌رود، ترک (trace) نامیده می‌شود.

Layers: با توجه به کاربرد، هزینه و فضای مدار، کاربر می‌تواند لایه‌های برد مدار چاپی را انتخاب کند. برد یک‌لایه، ساده‌ترین نوع برد در تولید است، طراحی ساده‌ای داشته و بیش‌ترین استفاده را در زندگی روزمره دارد، اما برای مدارهای بسیار بزرگ و پیچیده، بردهای دولایه یا چندلایه به برد یک‌لایه ترجیح داده می‌شوند.

امروزه در یک برد چندلایه، 10 یا 12 لایه می‌تواند وجود داشته باشد و حساس‌ترین موضوع در آن‌ها، ارتباط بین قطعات در لایه‌های مختلف است.

Silk layer: چاپ راهنما برای چاپ خطوط، متن یا هر شکل دیگری روی سطح برد مدار چاپی استفاده می‌شود. معمولاً برای چاپ روی سطح برد از جوهر اپوکسی استفاده می‌شود. این لایه بسته به نیاز کاربر می‌تواند لایه بالا یا پایین PCB باشد که به ترتیب چاپ راهنمای بالا و چاپ راهنمای پایین نامیده می‌شوند.

 Top and bottom layer: تمام قطعات در لایه بالایی PCB نصب می‌شوند. معمولاً این لایه به رنگ سبز است. در لایه پایینی تمام قطعات از طریق سوراخ لحیم می‌شوند و پایه‌های قطعات به عنوان لایه‌ی پایینی PCB شناخته می‌شوند.

گاهی اوقات لایه‌های بالایی یا پایینی (یا هر دو) با لایه‌ای از رنگ سبز پوشانده می‌شوند که به عنوان لایه محافظ شناخته می‌شود.

 Solder mask: لایه‌ی دیگری که معمولاً روی لایه مس بالایی اضافه می‌شود، لایه محافظ نام دارد. این لایه معمولاً سبزرنگ است اما می‌تواند به هر رنگ دیگری نیز باشد. این لایه جداکننده، برای جلوگیری از اتصال ناخواسته padها با سایر مواد رسانا بر روی PCB به کار می‌رود.

مواد مورد استفاده در برد مدار چاپی

المان اصلی، زیرلایه‌ی دی‌الکتریک است که می‌تواند سخت یا انعطاف‌پذیر باشد. این زیرلایه‌ی دی الکتریک با یک ماده رسانا مانند مس بر روی آن استفاده می‌شود. جنس دی الکتریک معمولا از glass epoxy laminate یا مواد کامپوزیتی است.

• FR4:

FR مخفف FIRE RETARDANT به معنای مقاوم در برابر اشتعال است. در بین همه روش‌های تولید برد مدار چاپی، FR4 متداول‌ترین ماده‌ی شیشه‌ای است. FR4 بر پایه ترکیبات به هم بافته شده اپوکسی شیشه ساخته می‌شود و یک ماده کامپوزیت است که به‌خاطر استحکام مکانیکی بسیار خوب، بیش‌ترین استفاده را دارد.

FR4	دمای گذار شیشه
استاندارد	130	متداول‌ترین و پر کاربردترین ارزان‌ترین
با دمای گذار شیشه بالا	170-180	سازگاری با فناوری reflow
بدون هالوژن	–	سازگاری با فناوری reflow

• FR-1 و FR-2:

این ماده از کاغذ و ترکیبات فنولی ساخته شده است و فقط برای برد مدار چاپی یک‌لایه استفاده می‌شود. هر دوی FR1 و FR2 مشخصات یکسانی دارند. تنها تفاوت آن‌ها در دمای گذار شیشه است. FR1، دمای گذار بالاتری نسبت به FR2 دارد. این مواد هم به زیر دسته‌های استاندارد، بدون هالوژن و آب‌دوست تقسیم می‌شوند.

• CEM-1 :

این مواد از کاغذ و دولایه اپوکسی شیشه‌ای بافته شده و ترکیبات فنول ساخته می‌شود و تنها برای بردهای یک‌لایه به کار می‌رود. CEM-1 می‌تواند به جای FR4 مورد استفاده قرار بگیرد، اما نسبت به FR4 قیمت بیشتری دارد.

• CEM-3 :

این ماده ترکیب اپوکسی شیشه‌ای و به رنگ سفید است که بیشتر در برد‌های دولایه به کار می‌رود. CEM-3، استحکام مکانیکی کمتری نسبت به FR4 دارد، اما از آن ارزان‌تر است. بنابراین، جایگزین مناسبی برای FR4 به حساب می‌آید.

• Polymide :

پلی آمید، در بردهای مدار چاپی انعطاف‌پذیر مورد استفاده قرار می‌گیرد و از کپتون (kepton)، راجرز (rogers) و دوپونت (dupont) ساخته می‌شود. این ماده، مشخصات الکتریکی خوب، محدوده دمای وسیع و مقاومت شیمیایی بالایی دارد. دمای کاری این ماده از -200  تا 300 درجه سانتی‌گراد می‌باشد.

• Prepreg :

prepreg به معنای از قبل آغشته کردن است. این ماده، فایبرگلس آغشته شده با رزین است. رزین از قبل خشک می‌شود. بنابراین، زمانی‌که حرارت داده می‌شود، روان شده و می‌چسبد و فایبرگلس کاملا در آن غوطه ور می‌شود. Prepreg به دلیل داشتن لایه چسبنده، استحکامی مشابه FR4 دارد. انواع مختلفی از این ماده بسته به جنس رزین (SR یا Standard Resin، MR یا Medium Resin و HR یا High Resin) وجود دارد و برحسب ضخامت مورد نیاز، ساختار لایه‌ها و امپدانس انتخاب می‌شوند. این ماده با دمای گذار شیشه‌ی بالا و بدون هالوژن موجود است.

نرم‌افزارهای طراحی برد

در اینجا تعدادی از محبوب‌ترین نرم‌افزارهای طراحی PCB را آورده‌ایم.

Eagle:

Eagle، یکی از محبوب‌ترین و ساده‌ترین راه‌های طراحی برد مدار چاپی است. EAGLE مخفف Easily Applicable Graphical Layout Editor است که قبلا توسط CadSoft Computer توسعه یافته است و در حال حاضر Autodesk توسعه دهنده‌ی این نرم افزار است. Eagle یک محیط ویرایش شماتیک برای طراحی مدار دارد که با پسوند .SCH ذخیره می‌شود. پسوند کتابخانه قطعات، .LBR است و فایل برد، پسوند .BRD دارد.

Multisim:

Multisim هم نرم‌افزار قدرتمندی است که یادگیری ساده‌ای دارد. در ابتدا توسط Electronics Workbench ساخته شد و الان یکی از بخش‌های National Instruments (NI) است. این برنامه شامل شبیه‌ساز میکروکنترلر (MultiMCU) است و دارای ویژگی‌های وارد کردن و ارسال یکپارچه به نرم افزار PCB می‌باشد. این نرم افزار به‌طور گسترده با اهداف آموزشی به کار برده می‌شود و در صنعت نیز به منظور آموزش مدار مورد استفاده قرار می‌گیرد.

EasyEDA:

EasyEDA برنامه‌ای است که برای طراحی و شبیه‌سازی مدارها به کار می‌رود. این نرم‌افزار یک ابزار یکپارچه برای طراحی شماتیک، شبیه‌سازی مدار SPICE، براساس Ngspice و طرح PCB است. مهم‌ترین برتری این نرم‌افزار، تحت وب بودن آن و اجرا روی مرورگر است. به همین دلیل، این برنامه مستقل از سیستم‌عامل کار می‌کند.

Altium Designer:

این نرم‌افزار توسط شرکت نرم‌افزار استرالیایی Altium Limited توسعه داده شده است. قابلیت‌های اصلی این برنامه طراحی شماتیک، طراحی PCB سه‌بعدی، توسعه FPGA و مدیریت داده است. این برنامه، اولین نرم‌افزاری است که مشاهده نمای سه‌بعدی و بررسی فاصله قطعات، ترک‌ها و پدهای (clearance) برد مدار چاپی را ارائه می‌دهد.

KiCad:

این نرم‌افزار توسط jean-pierre charras ساخته شده است. Kicad ابزارهایی دارد که امکان گرفتن خروجی BoM (لیست قطعات)، نمای سه بعدی PCB و تمام قطعات مورد استفاده در مدار را دارد. اکثر قطعات در کتابخانه‌های خود نرم‌افزار قرار دارند و امکان اضافه کردن قطعات خاص توسط کاربر وجود دارد. این نرم‌افزار از زبان‌های زیادی نیز پشتیبانی می‌کند.

CirciutMaker:

این نرم‌افزار هم توسط Altium ساخته شده است. ویرایشگر شماتیک این نرم‌افزار شامل جای‌گذاری ساده قطعات و طراحی شماتیک‌های چندکاناله و سلسله مراتبی می‌شود. همه شماتیک‌ها بر روی سرور بارگذاری می‌شوند و توسط افراد قابل‌مشاهده هستند، به شرط اینکه یک حساب کاربری CirciutMaker داشته باشند.

خلاصه

در آغاز این مقاله جوابی به سوال متداول شما یعنی PCB چیست، ارائه کردیم و تلاش کردیم شما را با این برد آشنا کنیم. همان‌طور که دیدید PCB شامل انواع مختلفی از قبیل برد یک لایه، دو لایه و غیره است. علاوه بر این، بردها می‌توانند با توجه به روش نصبی که دارند، انواع مختلفی داشته باشند که در این مقاله بررسی کردیم. امیدواریم که به‌خوبی با برد مدار چاپی آشنا شده باشید.

از آنجایی‌که ما در تلاشیم تا سطح مقالات خود را ارتقا دهیم، حتما نظرات خود را برای ما بنویسید.