برد مدار چاپی چیست؟

یک برد مدار چاپی یا PCB برای پشتیبانی مکانیکی و اتصال الکتریکی اجزای الکترونیکی به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد که از طریق مسیرها یا شیارهای مسی رسانا، بر روی یک بستر غیر رسانا لایه‌گذاری می شوند.

بیش از یک قرن پیش، سیم کشی پیچیده دستگاه های الکترونیکی عرضه شد و امروزه، این سیم‌ ها با انواع برد مدار چاپی جایگزین شده‌ اند.

به طور کلی، عملکرد PCB دو جنبه دارد:

• اتصال تمام قطعات الکترونیکی داخل یک دستگاه
• عایق بندی این قطعات، هنگام اتصال به منبع برق

برد مدار چاپی در انواع مختلف و تحت تکنولوژی های مختلفی تولید می شوند و مصارف گوناگونی دارند و در لوازم الکترونیکی مصرفی ساده مانند گوشی های هوشمند و رایانه ها گرفته تا ماشین آلات صنعتی پیچیده و سیستم های هوافضا یافت می شوند.

آنها نقش مهمی در تأمین اتصالات الکتریکی و اطمینان از عملکرد صحیح دستگاه های الکترونیکی دارند. با ما باشید تا این تکنولوژی جذاب را مورد بررسی قرار دهیم.

ساختار کلی برد مدار چاپی

PCB، یک مدار پیچیده از مسیرهای رسانا بر روی یک ماده مقاوم در برابر حرارت به نام بستر است. قطعات الکترونیکی بر روی این برد لحیم می شوند تا جریان برق را در یک ماده از پیش تعیین شده کنترل کنند و دستگاه الکترونیکی به روشی که برای آن طراحی شده است کار کند.

بستر مدار، یک برد مسطح ساخته شده از مواد غیر رسانا مانند فایبرگلاس یا اپوکسی کامپوزیت است و به عنوان پایه ای برای مونتاژ قطعات الکترونیکی عمل می کند.

مسیرهای رسانا معمولاً از مس ساخته شده اند و در یک الگوی خاص به نام طرح مدار قرار گرفته اند. این چیدمان نحوه اتصال اجزا را تعیین می کند و اجازه می دهد تا جریان الکتریکی بین آنها جریان یابد.

انواع برد مدار چاپی

فرآیند تولید بردهای مدار چاپی شامل چندین مرحله است، از جمله:

• طراحی طرح مدار با استفاده از نرم افزار طراحی به کمک کامپیوتر (CAD)
• چاپ یا حکاکی مسیرهای رسانا بر روی برد
• سوراخ کاری جفره ها برای قرار دادن قطعات
• لحیم کاری قطعات بر روی برد

PCB های پیشرفته ممکن است شامل چندین لایه از مسیرهای رسانا باشند که امکان طراحی مدارهای پیچیده تری را فراهم می کند.

انواع مختلفی از PCB وجود دارد که هر کدام برای برآوردن نیازها و کاربردهای خاص طراحی شده اند. در این مقاله به  8 نوع مختلف از این بردهای چاپی می پردازیم که عبارتند از:

• یک طرفه (Single-sided)
• دو طرفه (Double-sided)
• چند لایه (Multilayer)
• سفت و سخت (Rigid)
• انعطاف پذیر (Flexible)
• انعطاف پذیر-سخت (Flex-Rigid)
• فرکانس بالا (High-Frequency)
• هسته فلزی (Metal Core)

برد یک طرفه

این بردها، آشناترین و ساده ترین نوع PCB هستند که در یک طرف آن قطعات نصب شده و طرف دیگر آنها مس است و معمولاً در سیستم های الکترونیک ساده که اجزای کمی دارند، استفاده می شوند.

این بردهای مقرون به صرفه و با ساخت آسان، از زیرلایه ای ساخته شده اند که ماده ای است که تمام اجزای برد را در خود جای می دهد و یک لایه مس رسانا به بالای بستر اضافه می شود.

برد دو طرفه

این نوع از بردها، دارای قطعاتی هستند که در هر دو طرف نصب شده اند و مسیرهای مسی نیز در دو طرف آن وجود دارد. آنها فضای بیشتری را برای نصب قطعات فراهم می کنند.

این بردها،  طراحی مدارهای پیچیده تر و فشرده تر را ممکن می کنند و معمولاً در تلفن های همراه و آمپلی فایرها استفاده می شوند.

بردهای چند لایه

این بردها شامل چندین لایه از مسیرهای رسانا است که توسط مواد عایق از هم جدا شده اند (حداقل از سهلایه تشکیل شده اند). این لایه ها از طریق via هایی که سوراخ های کوچکی هستند به هم متصل می شوند.

Via ها اتصالات عمودی بین لایه‌ ها هستند که در دستگاه های الکترونیکی پیچیده ای استفاده می شوند که به تراکم بالایی از قطعات و مسیریابی سیگنال نیاز دارند و نیاز به ساده سازی وجود دارد.

بردهای چند لایه اغلب در رایانه ها، تبلت ها و تجهیزات پزشکی استفاده می شوند.

بردهای Rigid

این بردها از مواد غیر قابل انعطاف مانند فایبرگلاس یا اپوکسی کامپوزیت ساخته می شوند و  نمی توانند پیچ خورده، خم یا تا شوند. این بردهای سبک وزن و مقرون به صرفه، اغلب با لایه های متعددی از جمله بستر، رسانا، ماسک لحیم کاری و لایه ابریشمی ساخته می شوند.

PCB های صلب می توانند یک طرفه یا دو طرفه یا چند لایه باشند. آنها به طور گسترده در اکثر دستگاه های الکترونیکی و معمولاٌ در دستگاه های اشعه ایکس، سیستم های MRI و تجهیزات GPS استفاده می شوند.

بردهای Flexible

همان طور که از نام آنها پیداست، این گروه از بردها از مواد انعطاف پذیری مانند پلی آمید ساخته می شوند. آنها را می توان خم کرد، پیچ داد یا تا کرد تا در فضاهای کم قرار بگیرند یا با اشکال نامنظم مطابقت داشته باشند.

این بردها نیز می توانند یک یا دو طرفه و همچنین چند لایه باشند. این بردها اغلب در کاربردهای خودرو سازی، تجهیزات پزشکی و دوربین های پیشرفته استفاده می شوند.

بردهای Flex-Rigid

در این بردها، انواع Rigid و Flexible را با هم ترکیب می کنند تا امکان وجود هر دو بخش غیر قابل انعطاف و انعطاف پذیر را در یک برد واحد فراهم گردد.

این بردها، به صورت سه بعدی طراحی و ساخته شده اند و از نظر ماهیتی، سبک تر هستند زیرا به اتصال دهنده نیاز ندارند.

این PCB های پیچیده اغلب در برنامه هایی استفاده می شوند که ترکیبی از استحکام و انعطاف پذیری مورد نیاز است و از جمله کاربردهای مهم آنها می توان به هوافضا و دستگاه های پزشکی اشاره کرد.

بردهای فرکانس بالا

PCB های فرکانس بالا برای کنترل سیگنال های با فرکانس های بالا و معمولاً بالای 1 گیگا هرتز و در فرکانس های رادیویی (RF) و محدوده مایکروویو طراحی شده اند.

این مدارها، معمولاً با استفاده از مواد تخصصی با خواص الکتریکی عالی ساخته می شوند و مواد رایج مورد استفاده عبارتند از:

• PTFE (پلی تترا فلوئورواتیلن)
• FR-4 با لمینت های فرکانس بالا
• لمینت های پر شده با سرامیک

ثابت دی الکتریک یک پارامتر مهم است که سرعت انتشار امواج الکترومغناطیسی را در مواد تعیین می کند. PCB های فرکانس بالا به موادی با ضریب دی الکتریک کم نیاز دارند تا از دست دادن سیگنال به حداقل برسد و یکپارچگی سیگنال حفظ شود.

در ساختمان این بردها اغلب از روکش مسی سنگین استفاده می شود تا اتلاف حرارت و ظرفیت عبور جریان را بهبود ببخشند. همچنین، لایه های مسی ضخیم تر، به کاهش اثر پوسته ای در فرکانس های بالا نیز کمک می کنند.

توجه به این نکته حائز اهمیت است که طراحی و ساخت برد مدار چاپی نوع فرکانس بالا به دلیل مواد تخصصی و فرآیندهای ساخت می‌تواند در مقایسه با موارد استاندارد پیچیده‌ تر و گران‌ تر باشد.

این گروه از بردها، اغلب در برنامه های کاربردی مانند سیستم های ارتباطی بی سیم، سیستم های راداری و ارتباطات ماهواره ای استفاده می شوند.

بردهای با هسته فلزی

PCB های با هسته فلزی به جای یک بستر غیر رسانا، یک لایه فلز، معمولاً آلومینیوم یا مس، به عنوان ماده پایه دارند.

این هسته فلزی کمک می کند تا گرما را به طور موثرتر دفع شود و آنها را برای کاربردهای توان بالا مناسب می کند و عملکرد قابل اعتماد را تضمین می کند.

ساختمان یک برد با هسته فلزی معمولاً از سه لایه تشکیل شده است:

هسته فلزی

هسته فلزی به عنوان لایه پایه عمل می کند و رسانایی گرمایی بسیار مطلوبی را ارائه می دهد. معمولاً از آلومینیوم به دلیل ماهیت سبک وزن و مقرون به صرفه بودن استفاده می شود، در حالی که مس رسانایی گرمایی بالاتری دارد، اما گران تر است.

لایه دی الکتریک

لایه دی الکتریک یک ماده غیر رسانای الکتریکی است که به هسته فلزی متصل می شود و به عنوان یک عایق الکتریکی عمل می کند. در حقیقت، این لایه باعث جداسازی هسته فلزی از مدار بالاتر می شود و ماده مورد استفاده معمولاً یک ماده رسانای حرارتی مانند اپوکسی پر شده با سرامیک یا پلی آمید است.

مسیرها و پدهای مسی

لایه بالای هسته فلزی از مسیرها و پدهای مسی تشکیل شده است که مدار قطعات الکترونیکی را تشکیل می دهند.

این لایه مسی، با استفاده از فرآیندهای استاندارد تولید PCB بر روی لایه دی الکتریک حک می شوند و ضخامت لایه مس می تواند بسته به نیازهای کاربردی متفاوت باشد.

این نوع از بردها، معمولاً در برنامه‌هایی استفاده می‌ شوند که در آن اتلاف گرمای مؤثر بسیار مهم است، مانند روشنایی LED با توان بالا، منابع تغذیه، الکترونیک خودرو، سیستم‌ های کنترل موتور و سایر محیط‌ های با دمای بالا.

سخن پایانی

در این مقاله، سعی بر این شد که اجزای مختلف یک مدار چاپی توضیح داده شود و در ادامه به انواع مختلف رایج این مدارها پرداختیم. امیدواریم که با خواند این مقاله، بتوانید انتخاب درستی داشته باشید.

به شما کاربرد عزیز پیشنهاد می کنیم که از بخش محصولات شرکت بلورآزما نیز دیدن کنید و در صورت لزوم می توانید آنها را به صورت رایگان دانلود کنید.

منابع

wikipedia

Complete PCB Design Using OrCAD Capture and PCB

PCB Design From Start To Finish: E-Book