چه چیزی باعث به وجود آمدن PCB شد؟

قبل از به وجود آمدن برد PCB ، قطعات در یک جعبه قرار می گرفتند و پایه های آن ها به وسیله سیم به هم متصل می شدند. مسیرهای ارتباطی بین پایه های قطعات الکترونیکی طوالنی بوده و از سیم های مسی زیادی برای اتصال پایه های قطعات به یکدیگر استفاده می شدند. این گونه ساخت خرابی های متعددی را به همراه داشت به عنوان مثال با از بین رفتن عایق سیم ها بر اثر پوسیدگی منجر به از کار افتادن دستگاه می شد. همچنین این کار موجب عدم اطمینان در مدار و افزایش پیچیدگی در مدار می شد بعلاوه چون فضای زیادی اشغال میکرد مانع از تولید برد های بزرگ نظیر مادربرد میشد .

PCB چیست؟

PCB یک برد مدار چاپی (Board Circuit Printed)غیر رسانا و چندالیه مسی است که تمامی قطعات الکتریکی و الکترونیکی از طریق یک برد مشترک و به وسیله تکیه گاه فیزیکی نصب شده در کف برد به یکدیگرمتصل اند . در PCB تمامی قطعات بدون سیم و از داخل به یکدیگر متصل اند که این ویژگی منجر به کاهش پیچیدگی طرح کلی مدار می شود.روش طراحی PCB به گونه ای است که، در فراهم کردن الکتریسیته و اتصال بین قطعات مدار کاربرد ویژه ای دارد. PCB ها را می توان با توجه به مشخصات مورد نیاز کاربر طراحی کرد و این طراحی دلخواه و متنوع در بسیاری از وسایل الکترونیکی از جمله تلویزیون، موبایل، دوربین دیجیتال و اجزاء
کامپیوتر همچون کارت های گرافیک، مادربرد و … یافت.PCB در بسیاری زمینه های دیگر از جمله تجهیزات پزشکی، ماشین آلات صنعتی، صنایع خودروسازی و
روشنایی مورد استفاده قرار می گیرد.

انواع PCB:

برد مدارچاپی یا PCB انواع مختلفی دارد. ما باید متناسب با نیاز و کاربرد مدنظر خود ، نوع PCB مناسب راانتخاب کنیم .
• PCB تک لایه

• PCB دو لایه

• PCB چند لایه

• PCB انعطاف پذیر

• PCB پشت آلمینیومی

• PCB جامد – سخت

•سخت – منعطف Flex-Rigid PCB

PCB تک لایه :

PCBتک لایه که به آن یک رو نیز می گویند، از دیگر PCB ها ساده تر است و به همین دلیل در طراحی وساخت پرکاربرد ترین نوع PCB است. یک طرف این PCB با لایه ای از مواد رسانا پوشانده شده است. به طور کلی مس بدلیل خاصیت رسانایی بالای به عنوان ماده رسانا برای این PCB بکار می رود. لایه ای لحیم کاری شده
برای حفاظت PCB در برابر اکسایش بکار می رود و یک الیه عایق ابریشمی که محل قرار گیری تمام قطعات را مشخص می کند. در این نوع PCB تنها یک سمت PCB برای اتصال انواع مختلف قطعات الکتریکی والکترونیکی از جمله مقاومت، خازن، سلف و … بکار می رود. و تمامی این قطعات برروی برد لحیم شده اند .این نوع PCB ها دارای قیمت مناسبی هستند و به همین دلیل در مدار ماشین حساب ها، رادیوها، پرینترها و درایوهای حالت جامد به کار می رود.

PCB دو لایه :

این نوع PCB با نام دورو نیز شناخته می شود. در این نوع PCB یک صفحه هادی در یک طرف برد و یک لایه هادی در طرف دیگر چسبیده شده است. ارتباط بین دو لایه هادی با استفاده از سوراخ هایی به نام ویا(via)برقرار می شود . این pad ها بوسیله سوراخی در داخل برد از لحاظ الکتریکی به یکدیگر متصل هستند.از مزایای این نوع PCB می توان به قابلیت تغییر و انعطاف پذیری بیشتر و هزینه نسبتا پایین آن اشاره کرد اما مهم ترین مزیت این نوع PCB در کاهش اندازه برد است زیرا موجب فشرده تر شدن مدار می شود.از این نوع PCB عمدتا در کنترل های صنعتی، مبدل ها، سیستمups ، استفاده از HVAC ، تلفن، تقویت کننده و سیستم های مانیتورینگ برقی استفاده می شود.

PCB چند لایه :

ین نوع PCB حداقل دارای سه لایه رسانای مسی است. بمنظور ایمنی و استحکام بیشتر، لایه های عایق الکتریکی، بر روی یک هسته عایق و در دمای بالا و تحت فشار چسبانده می شوند تا اطمینان یابیم که گرمای اضافی به هیچ قطعه ای از مدار آسیب نمی رساند. طراحی این نوع PCB بسیار پیچیده است و به همین دلیل
در کارهای الکتریکی بزرگ و بسیار پیچیده که دارای فضای بسیار کم و مدار فشرده هستند کاربرد دارد.از انوع PCB در کاربردهای بزرگی چون تکنولوژیGPS ، سیستم ماهواره، تجهیزات پزشکی، سرور فایل وذخیره داده کاربرد دارد.

PCB انعطاف پذیر :

ین نوع PCB با نام مدار قابل تغییر نیز شناخته می شود. در این نوع PCB از مواد پالستیکی انعطاف پذیر مثل پلی مید، پیک پلی تر اتر کتون و یا لایه ای از پلی استر رسانای شفاف بکار می رود. این نوع PCBبسیار پیچیده است و شامل محدوده متفاوتی از لایه هایی همچون مدار قابل تغییر یک لایه، مدار قابل تغییر و لایه و مدار قابل تغییر چند لایه است.مدار قابل تغییر در ساخت دیودهای منتشر کننده نور آلی، ساختLCD ، سلول های خورشیدی قابل تغییر، صنایع اتومبیل سازی، تلفن های با طرح خانه به خانه، دوربین ها و وسایل الکترونیکی پیچیده همچون لپتاپ ها بکار می رود.

PCB پشت آلمینیومی :

بردهای آلومینیومی متشکل از یک یا چند لایه مسی متصل به لایه های عایق ولایه های آلومینیومی هستند. این نوع PCB در مداراتی مانند المپ های led که حرارت زیادی تولید میکنند کاربرد دارد.لایه آلومینیومی به عنوان هیت سینک عمل کرده و حرارت را از مدار به بیرون منتقل کند .

PCB جامد – سخت :

این نوع PCB ها از مواد جامدی ساخته شده اند. مثل PCB های انعطاف پذیر، دارای شکل لایه های متفاوتی هستند. شکل این نوع PCB پس از طراحی و ساخت تغییری نمی کند و نمی توان آن را خمیده کرد و این دلیلی است که این نوع PCB را با نام جامد و سخت می شناسند. طول عمر این نوع PCB بسیار زیاداست و به همین دلیل در ساخت بخش های مختلفی از کامپیوتر همچون ram ، gpu و cpu بکار می رود.پرکاربردترین نوع این PCB از نوع یک طرفه جامد است که بیشترین تولید را دارد ودارای طراحی ساده تری نیز نسبت به سایرین هست. PCB جامد چندالیه را می توان با اضافه کردن لایه ها به 9 تا 10 الیه فشرده تر نیز کرد.

PCB منعطف – سخت : 

ترکیب مدار قابل تغییر و مدار سخت و جامد موجب ساخت پراهمیت ترین برد می شود. بردهای جامد قابل تغییر از لایه های چندگانه قابل تغییر که برروی تعدادی از لایه های PCB جامد چسبانده شده اند تشکیل شده است. برد جامد قابل تغییر در شکل زیر نشان داده شده است. این نوع PCB در ساخت تلفن های سلولی، دوربین های دیجیتال، اتومبیل ها و .. کاربرد دارد.

اجزای مختلف PCB

پد:

پد یک قطعه مسی است که پایه های قطعات روی آن قرار گرفته و مونتاژ میشوند. قطعات از طریق پدها به بدر متصل شده و محکم میشوند .

ترک یا مسیر:

در PCB ،اجزا به کمک سیم متصل نمی شوند. همه اجزا با یک ماده رسانا مانند مس به هم متصل می شوند.قسمت مسی PCB برای اتصال تمام اجزای سازنده بکار می رود، و به آن trace می گویند .

لایه ها:

تعداد لایه PCB با توجه به کاربرد ، هزینه و فضای موجود مدار، تعیین می شود. پرکاربردترین و ساده ترین نوع در طراحی و تولید ،PCB یک لایه است. .اما برای مدارهای بسیار بزرگ و پیچیده ، PCB دو الیه یا PCB چند لایه در مقایسه با PCB یک الیه ترجیح داده می شود.در حال حاضر روزانه ، در PCB چند لایه ، 1۲-10 لایه
می تواند متصل شود. مهم ترین نکته، برقراری ارتباط و اتصال بین قطعات مختلف در این لایه ها می باشد .

چاپ راهنما یا layer silk:

از این لایه جهت چاپ خط ، متن یا هر نوع طرحی روی سطح PCB استفاده می شود. معمولا برای چاپ راهنما روی برد، جوهر اپوکسی بکار می رود. چاپ راهنما، با توجه به نیاز کاربر، میتواند در لایه بالا و پایین برد چاپ شود .

لایه بالا و پایین:

معمولادر لایه بالایPCB ، قطعات برد نصب شده و سپس در لایه زیرینPCB ، پایه های این قطعات لحیم میشوند. این دو لایه بالای و پایین در PCB ،میتواند با رنگ سبز یا سایر رنگ ها پوشیده شود که به عنوان سولدرماسک شناخته میشود.

سولدرماسک:

یک لایه اضافی در بالای لایه مسی وجود دارد که Mask Solder نام دارد.این لایه معمولا دارای رنگ سبز است اما می تواند از هر رنگی باشد. این لایه عایق برای جلوگیری از تماس تصادفی پدها و مسیرهای مسی با سایر مواد رسانا در PCBاستفاده می شود.

مواد PCB

عنصر اصلی در PCB ،لایه دی الکتریک و عایق است. دی الکتریک میتواند سخت یا منعطف باشد. این لایه با لایه های رسانایی مانند مس پوشیده میشود. ماده عایق در این لایه، از ورقه های اپوکسی شیشه یا مواد کامپوزیت تشکیل میشود .

FR4 1 

FR مخفف کلمه Retardent Fire و به معنای بازدارنده آتش یا کندکننده آتش است. در ساخت تمامی انواع PCB ،رایج ترین ماده لایه لایه شیشه ای FR4 است. بر اساس بافت ترکیبات شیشه – اپوکسی FR4 بدلیل ایجاد استحکام مکانیکی بسیارخوب، بیشترین کاربرد را در بین مواد ترکیبی داراست.

FR-2 و FR-1 ۲ 

این ماده از ترکیبات فنول و کاغذ ساخته شده است و تنها برای PCB های تک لایه کاربرد دارد FR1. و FR2هردو دارای خصوصیات مشابهی هستند، تنها تفاوت آنها در دمای تغییر حالت شیشه است FR1. در مقایسه با FR2دارای دمای گذار شیشه بالاتری است. این مواد نیز همچون FR4 به زیردسته های استاندارد، هالوژن آزاد و غیرهیدروفوبیک تقسیم بندی می شوند .

CEM-1 ۳

این مواد از کاغذ و دو لایه بافت اپوکسی شیشه و ترکیبات فنول ساخته شده اند و تنها برای PCB های یک طرفه بکار می روند 1-CEM. را می توان بجای FR4 استفاده کرد اما قیمت آن نسبت به FR4 بالاتر است.

CEM-3 ۴ 

این ماده به رنگ سفید است و از ترکیبات اپوکسی شیشه ساخته شده و بیشترین کاربرد را در PCB های دولایه دارد. این ماده نسبت به FR4 استحکام مکانیکی کمتری دارد اما از طرفی دیگر دارای قیمت پایین تری نیز هست در نتیجه یک جایگزین مناسب برای FR4 به حساب می آید .

۵ پلی آمید یا Polyimide

این ماده در PCB انعطاف پذیر استفاده می شود. حاوی کپتون ، راجرز ، دوپونت است. دارای خواص الکتریکی خوب ، براقیت ، دامنه وسیع دما و مقاومت شیمیایی بالا می باشد. دمای کار این ماده از منفی ۲00 درجه تا مثبت ۳00 درجه است.

Prepreg 6

این واژه کوتاه شده عبارت impregnated-pre و به معنای پیش باروری است. این ماده یک پیش لقاح از پشم شیشه به همراه رزین است. این رزین ها از پیش خشک هستند درنتیجه زمانی که گرما داده می شوند، به صورت سیال درآمده به هم چسبیده و در نهایت کامال غوطه ور می شوند.این ماده دارای الایه چسبناکی است که موجب می شود تا استحکامی همچون FR4 داشته باشد. این ماده براساس مقدار رزین موجود در آن دارای انواع مختلفی از جمله  SR رزین استاندارد،MRرزین متوسط و HR رزین زیاداست. انتخاب یکی از این انواع با توجه به میزان ضخامت مورد نیاز، ساختار الایه و مقاومت مورد نیاز انجام می گیرد. این ماده همچنین در انواع: دارای دمای گذار شیشه بالا و هالوژن آزاد نیز موجود است.

نرم افزار های طراحی PCB:

EAGLE :

محبوب ترین نرم افزار و راحت ترین راه برای طراحی یک PCB است. این نرم افزار برپایه یک ویرایشگر لایه گرافیکی ، عملی و ساده ای برنامه ریزی شده است. تا پیش از این کار توسعه این نرم افزار برعهده توسعه دهنده computer Cadsoftبود و در حال حاضر Autodesk کار توسعه این نرم افزار را انجام می دهد. بمنظور طراحی دیاگرام مدار، EAGLEدارای یک ویرایشگر شماتیک است. گسترش فایل این نرم افزار از نوع SCH بوده و قطعات و بخش های مختلف نیز در داخل گسترش LBR تعریف میگردد. گسترش فیل برد آن نیز از نوع BRD است.

 Multisim :

این نرم افزار نیز یک نرم افزار قدرتمند در زمینه طراحی PCB و دارای قابلیت یادگیری آسان است . این نرم افزار حاوی شبیه ساز میکروکنترلر با نام MultiMCU نیز هست که دارای خصوصیات ورود و خروج جامعی به نرم افزار طرح بندی PCB است. همچنین این نرم افزار بطور گسترده ای به منظور آموزش مدار در دانشگاه و
صنعت مورد استفاده قرار می گیرد .

 EsayEDA :

این نرم افزار در طراحی و شبیه سازی مدارات کاربرد دارد. و برمبنای طرح بندی PCB و NgSpice دارای ابزار جامعی برای ایجاد شماتیک و شبیه سازی مدار در SPICE است. مهم ترین مزیت این نرم افزار در این است که برپایه وب طراحی شده و در پنجره browser مورد استفاده قرار می گیرد لذا مستقل از نوع سیستم عامل مربوطه است.

 Altium Designer :

این نرم افزار توسط شرکت نرم افزاری و استرالیایی Limited Altium ایجاد شده است. ویژگی اصلی این نرم افزار طراحی شماتیک، طراحی سه بعدی PCB ، توسعه و ایجاد FPGA و مدیریت آزادانه داده هاست. این نرم افزار اولین نرم افزار در زمینه ارائه تصویر ۳ بعدی از PCB و بررسی دقیق PCB با کمک مستقیم ویرایشگر PCB خود است.

 KiCAd :

این نرم افزار توسط شرکت charras pierre-jean توسعه و ایجاد شده است. این نرم افزار دارای ابزاری چون ساخت BoM( لیست قطعات) ، ارائه تصویر زیبا و ۳ بعدی از PCB تمامی قطعات بکاررفته در مدار است. بسیاری از قطعات در کتابخانه این نرم افزار موجود است و در کنار آن کاربر می تواند قطعات انتخابی خود را نیز به این کتابخانه بیفزاید. این نرم افزار از بسیاری از زبان های انسانی نیز پشتیبانی می کند .

 CircuitMaker :

این نرم افزار نیز توسط شرکت Altium ایجاد شده است. ویرایشگر شماتیک این نرم افزار شامل جای گیری قطعات اساسی است و بمنظور طراحی پیشرفته شماتیک های از نوع سلسله ای و چند کاناله کاربرد دارد. تمامی شماتیک ها قادر به آپلود برروی سرور و دیدن توسط هر شخصی است اما پیش از آن نیاز است تا یک حساب کاربری در این نرم افزار داشته باشید .