برد مدار چاپی (PCB) چیست؟ ساختار، مراحل ساخت و ۸ نوع برد

برد مدار چاپی یا PCB (Printed Circuit Board) صفحه ای است که قطعات الکترونیکی روی آن نصب می شوند و از طریق مسیرهای مسی نازکی که روی یک پایه عایق قرار دارند، به هم متصل می شوند. تقریبا هر دستگاه الکترونیکی، از گوشی هوشمند و رایانه گرفته تا تجهیزات پزشکی، خودرو، ماشین آلات صنعتی و سیستم های هوافضا، دست کم یک برد مدار چاپی دارد.

برد مدار چاپی دو وظیفه اصلی دارد:

• نگهداری مکانیکی قطعات الکترونیکی در جای خود

• اتصال الکتریکی قطعات به یکدیگر طبق طرح مدار

پیش از اختراع برد مدار چاپی، قطعات دستگاه های الکترونیکی با سیم کشی دستی به هم متصل می شدند که روشی کند، پرخطا و حجیم بود. در این مقاله با ساختار، مراحل ساخت و انواع برد مدار چاپی آشنا می شوید.

تاریخچه برد مدار چاپی

برد مدار چاپی به شکل امروزی، در اواسط دهه ۱۹۳۰ توسط پاول آیسلر، مهندس اتریشی، برای ساخت یک رادیو ابداع شد. در جنگ جهانی دوم، از این فناوری در تجهیزات نظامی استفاده شد و پس از جنگ، به سرعت در صنعت الکترونیک گسترش یافت. با پیشرفت فناوری، بردهای دو رو، چندلایه و انعطاف پذیر ساخته شدند و امروزه بردهای بسیار پیچیده ای با ده ها لایه در دستگاه های پیشرفته استفاده می شوند.

ساختار برد مدار چاپی

یک برد مدار چاپی معمولا از این لایه ها تشکیل شده است:

زیرلایه (بستر)

زیرلایه پایه عایق و محکم برد است. رایج ترین ماده زیرلایه، FR-4 است که از الیاف شیشه آغشته به رزین اپوکسی ساخته می شود. این ماده استحکام مکانیکی خوب، عایق بودن الکتریکی و مقاومت در برابر حرارت و آتش دارد.

لایه مس

یک لایه نازک مس روی زیرلایه قرار می گیرد و با حذف بخش های اضافه آن، مسیرهای رسانا (ترک ها) و پدها (محل لحیم کاری قطعات) طبق طرح مدار ایجاد می شوند. ضخامت مس معمولا بر حسب اونس بر فوت مربع بیان می شود و بسته به جریان عبوری مدار انتخاب می شود.

لایه محافظ لحیم (سولدرماسک)

سولدرماسک لایه ای پلیمری است که روی مسیرهای مسی قرار می گیرد و رنگ آشنای سبز بردها از همین لایه است، هرچند رنگ های دیگر نیز وجود دارد. این لایه از اکسید شدن مس جلوگیری می کند، مسیرها را عایق می کند و مانع اتصال ناخواسته لحیم بین مسیرهای نزدیک به هم می شود. فقط پدها برای لحیم کاری باز می مانند.

لایه چاپ (سیلک اسکرین)

سیلک اسکرین لایه ای از جوهر، معمولا سفید، است که نام و محل قطعات، شماره ها، علامت ها و نوشته های راهنما را روی برد چاپ می کند. این لایه به مونتاژ، عیب یابی و تعمیر برد کمک می کند.

مراحل ساخت برد مدار چاپی

ساخت برد مدار چاپی شامل چند مرحله اصلی است:

1. طراحی شماتیک: نقشه الکتریکی مدار، یعنی قطعات و نحوه اتصال آنها، در نرم افزارهای طراحی مانند Altium Designer، KiCad یا OrCAD رسم می شود.

2. طراحی لی اوت: محل قرارگیری قطعات و مسیرهای مسی روی برد طراحی می شود. خروجی این مرحله، فایل هایی به نام گربر است که اطلاعات هر لایه را برای ساخت در اختیار سازنده قرار می دهند.

3. انتقال طرح و حکاکی: طرح مدار با روش فوتولیتوگرافی روی لایه مس منتقل می شود و مس اضافی با محلول های شیمیایی حکاکی و حذف می شود تا فقط مسیرهای مورد نظر باقی بمانند.

4. پرس لایه ها: در بردهای چندلایه، لایه های مس و عایق تحت فشار و حرارت به هم چسبانده می شوند.

5. سوراخکاری: سوراخ های لازم برای پایه قطعات و اتصال بین لایه ها با دستگاه های دقیق سوراخ می شوند.

6. آبکاری سوراخ ها: دیواره سوراخ ها با مس آبکاری می شود تا لایه های مختلف از طریق سوراخ ها به هم متصل شوند.

7. اعمال سولدرماسک و سیلک اسکرین

8. پوشش نهایی پدها: پدهای مسی برای لحیم پذیری بهتر و جلوگیری از اکسید شدن، با پوشش هایی مانند قلع (HASL) یا نیکل و طلا (ENIG) پوشانده می شوند.

9. آزمون الکتریکی: اتصالات برد برای اطمینان از نبود قطعی یا اتصال کوتاه آزمایش می شوند.

10. مونتاژ: قطعات روی برد قرار گرفته و لحیم کاری می شوند.

روش های نصب قطعات

• قطعات سوراخ دار (THT): پایه قطعات از سوراخ های برد عبور کرده و در طرف دیگر لحیم می شوند. این روش اتصال محکمی ایجاد می کند و برای قطعات بزرگ و پرتوان مناسب است.

• قطعات نصب سطحی (SMD): قطعات کوچک مستقیما روی پدهای سطح برد قرار گرفته و معمولا با روش ریفلو در کوره لحیم می شوند. این روش امکان ساخت بردهای بسیار کوچک و پرتراکم را فراهم می کند و امروزه رایج ترین روش است.

انواع برد مدار چاپی

بردهای مدار چاپی بر اساس تعداد لایه ها، میزان انعطاف پذیری و کاربرد انواع مختلفی دارند. در ادامه هشت نوع رایج را بررسی می کنیم:

1. برد یک رو

2. برد دو رو

3. برد چندلایه

4. برد سخت (Rigid)

5. برد انعطاف پذیر (Flexible)

6. برد سخت و انعطاف پذیر (Rigid-Flex)

7. برد فرکانس بالا

8. برد هسته فلزی

۱. برد یک رو

برد یک رو ساده ترین و ارزان ترین نوع PCB است که فقط در یک طرف آن لایه مس وجود دارد. در بردهای یک رو با قطعات سوراخ دار، قطعات در یک طرف و مسیرهای مسی در طرف دیگر قرار دارند. این بردها برای مدارهای ساده با قطعات کم، مانند منابع تغذیه ساده، ماشین حساب ها و اسباب بازی ها، مناسب هستند.

۲. برد دو رو

در برد دو رو، در هر دو طرف برد لایه مس وجود دارد و قطعات نیز می توانند در هر دو طرف نصب شوند. اتصال بین دو طرف از طریق سوراخ های آبکاری شده انجام می شود. این بردها فضای بیشتری برای مسیرها فراهم می کنند و امکان طراحی مدارهای پیچیده تر و فشرده تر را می دهند. بردهای دو رو در تقویت کننده ها، منابع تغذیه، سیستم های کنترل صنعتی و بسیاری از دستگاه های الکترونیکی استفاده می شوند.

۳. برد چندلایه

برد چندلایه شامل سه لایه یا بیشتر از مس است که با لایه های عایق از هم جدا شده اند؛ در عمل بیشتر بردهای چندلایه چهار لایه یا بیشتر دارند. لایه ها از طریق سوراخ های کوچکی به نام وایا (Via) به هم متصل می شوند:

• وایای سراسری: از همه لایه های برد عبور می کند.

• وایای کور: یک لایه بیرونی را به یک یا چند لایه داخلی وصل می کند.

• وایای مدفون: فقط لایه های داخلی را به هم متصل می کند.

بردهای چندلایه امکان طراحی مدارهای بسیار پیچیده با تراکم بالای قطعات را فراهم می کنند. در این بردها معمولا لایه های داخلی کاملی برای زمین و تغذیه در نظر گرفته می شود که نویز را کاهش و کیفیت سیگنال را بهبود می دهد. گوشی های هوشمند، رایانه ها، تبلت ها و تجهیزات پزشکی پیشرفته از بردهای چندلایه، اغلب از نوع HDI با تراکم بسیار بالا، استفاده می کنند.

۴. برد سخت (Rigid)

بردهای سخت از موادی مانند FR-4 ساخته می شوند که انعطاف پذیر نیستند و نمی توان آنها را خم یا تا کرد. این بردها محکم، ارزان و رایج ترین نوع برد هستند و می توانند یک رو، دو رو یا چندلایه باشند. بیشتر دستگاه های الکترونیکی، از رایانه ها و لوازم خانگی تا تجهیزات صنعتی و پزشکی، از بردهای سخت استفاده می کنند.

۵. برد انعطاف پذیر (Flexible)

بردهای انعطاف پذیر یا فلکس از مواد انعطاف پذیری مانند پلی ایمید ساخته می شوند. این بردها را می توان خم کرد، پیچاند یا تا کرد تا در فضاهای کوچک قرار گیرند یا با شکل های نامنظم دستگاه تطبیق پیدا کنند. بردهای فلکس می توانند یک رو، دو رو یا چندلایه باشند و در گوشی های هوشمند، دوربین ها، ساعت های هوشمند، خودروها و تجهیزات پزشکی استفاده می شوند.

۶. برد سخت و انعطاف پذیر (Rigid-Flex)

بردهای رجید فلکس بخش های سخت و انعطاف پذیر را در یک برد واحد ترکیب می کنند. بخش های سخت، قطعات را نگه می دارند و بخش های انعطاف پذیر آنها را به هم متصل می کنند. این بردها می توانند به صورت سه بعدی در دستگاه قرار گیرند و چون به کانکتور و کابل بین بردها نیازی ندارند، سبک تر و قابل اطمینان تر هستند. بردهای رجید فلکس در هوافضا، تجهیزات نظامی، دستگاه های پزشکی و دستگاه های قابل حمل فشرده کاربرد دارند.

۷. برد فرکانس بالا

بردهای فرکانس بالا برای مدارهایی طراحی می شوند که با سیگنال های فرکانس رادیویی و مایکروویو، معمولا بالاتر از حدود یک گیگاهرتز، کار می کنند. در این فرکانس ها، ویژگی های الکتریکی ماده زیرلایه اهمیت زیادی پیدا می کند:

• ثابت دی الکتریک (Dk): سرعت انتشار سیگنال و امپدانس مسیرها را تعیین می کند و باید پایدار و یکنواخت باشد.

• ضریب اتلاف (Df): میزان تلف شدن انرژی سیگنال در ماده را نشان می دهد و باید کم باشد تا تضعیف سیگنال به حداقل برسد.

به همین دلیل در این بردها از مواد ویژه ای مانند PTFE (تفلون)، لمینت های پر شده با سرامیک و لمینت های ویژه فرکانس بالا استفاده می شود. در فرکانس های بالا، جریان به دلیل اثر پوستی فقط در لایه بسیار نازکی از سطح مس جریان می یابد، بنابراین صافی سطح مس روی تلفات اثر زیادی دارد. ساخت این بردها پیچیده تر و گران تر از بردهای معمولی است. بردهای فرکانس بالا در سیستم های فرستنده و گیرنده بی سیم، رادارها و ارتباطات ماهواره ای استفاده می شوند.

۸. برد هسته فلزی

بردهای هسته فلزی (MCPCB) به جای زیرلایه عایق معمولی، یک پایه فلزی از آلومینیوم یا مس دارند که گرمای قطعات را به خوبی دفع می کند. این بردها معمولا سه لایه دارند:

• هسته فلزی: لایه پایه با رسانایی حرارتی بالا. آلومینیوم به دلیل سبکی و قیمت مناسب رایج تر است و مس رسانایی حرارتی بیشتری دارد اما گران تر است.

• لایه دی الکتریک: یک لایه نازک عایق الکتریکی اما رسانای گرما، مانند اپوکسی پر شده با سرامیک، که مدار را از هسته فلزی جدا می کند و گرما را به آن منتقل می کند.

• لایه مس: شامل مسیرها و پدهای مدار که با روش های معمول ساخت PCB ایجاد می شوند.

بردهای هسته فلزی در روشنایی LED پرتوان، منابع تغذیه، الکترونیک خودرو، کنترل موتورها و سایر کاربردهایی که دفع گرما اهمیت زیادی دارد، استفاده می شوند.

سوالات متداول درباره برد مدار چاپی

PCB مخفف چیست؟

مخفف Printed Circuit Board به معنای برد مدار چاپی.

رنگ سبز برد مدار چاپی از چیست؟

از لایه سولدرماسک که مسیرهای مسی را از اکسید شدن و اتصال کوتاه محافظت می کند. این لایه می تواند رنگ های دیگری نیز داشته باشد.

تفاوت برد یک رو و دو رو چیست؟

برد یک رو فقط در یک طرف لایه مس دارد، اما برد دو رو در هر دو طرف مس دارد و امکان طراحی مدارهای پیچیده تر را فراهم می کند.

وایا در برد مدار چاپی چیست؟

سوراخ کوچک آبکاری شده ای که لایه های مختلف مس را در بردهای دو رو و چندلایه به هم متصل می کند.

برای ساخت برد مدار چاپی از چه نرم افزارهایی استفاده می شود؟

نرم افزارهایی مانند Altium Designer، KiCad و OrCAD برای طراحی شماتیک و لی اوت برد استفاده می شوند.

جمع بندی

برد مدار چاپی پایه ای است که قطعات الکترونیکی را نگه می دارد و از طریق مسیرهای مسی روی یک زیرلایه عایق به هم متصل می کند. یک برد از زیرلایه، لایه مس، سولدرماسک و سیلک اسکرین تشکیل شده و در مراحلی شامل طراحی، حکاکی، سوراخکاری، آبکاری، پوشش دهی، آزمون و مونتاژ ساخته می شود. بردهای مدار چاپی بر اساس تعداد لایه ها، انعطاف پذیری و کاربرد، به انواع یک رو، دو رو، چندلایه، سخت، انعطاف پذیر، رجید فلکس، فرکانس بالا و هسته فلزی تقسیم می شوند و انتخاب نوع مناسب به پیچیدگی مدار، فضای موجود، فرکانس کاری و نیاز به دفع گرما بستگی دارد.

منابع

• Complete PCB Design Using OrCAD Capture and PCB Editor

• PCB Design From Start To Finish