برد PCB چیست؟ آموزش کامل PCB فیبر مدار چاپی

سلام. آموزش کامل انواع برد های PCB و بهترین نرم افزار طراحی فیبر مدار چاپی، PCB چیست ؟ را آماده کردیم.

PCB چیست؟

PCB یک برد مدار چاپی (Printed Circuit Board) غیر رسانا و چندلایه 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 یکدیگر متصل اند. قبل از رشد و گسترش PCB مدار ها به‌وسیله سیم کشی نقطه به نقطه ساخته می شدند که باعث افزایش پیچیدگی و عدم اطمینان در مدار می‌شد. در نتیجه هیچ گاه (بوسیله اتصال قطعات با سیم) قادر به ساخت مدار بزرگی چون مادر برد نبودیم. 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.

پیشنهاد میکنم آموزش طراحی PCB و ساخت مدار چاپی را نیز مشاهده کنید.

انواع برد PCB

چندین نوع PCB مختلف برای یک مدار وجود دارد . ما بایستی با توجه به نیاز خود نوع مناسب PCB را از میان این چند نوع انتخاب کنیم.

• تک لایه
• دو لایه
• چند لایه
• انعطاف‌پذیر
• جامد-سخت
• منعطف-سخت

PCB تک لایه

PCB تک لایه که به آن یک رو نیز می گویند، از دیگر PCB ها ساده‌تر است و به‌ همین دلیل در طراحی و ساخت پرکاربرد ترین نوع PCB است. یک طرف این PCB با لایه ای از مواد رسانا پوشانده شده است. به‌طور کلی مس بدلیل خاصیت رسانایی بالا به‌عنوان ماده رسانا برای این PCB بکار می رود. لایه‌ای لحیم کاری شده برای حفاظت PCB در برابر اکسایش بکار می رود و یک لایه 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 و الکترونیکی 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 به‌کار می‌رود.

PCB دولایه

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 می‌شود. همانگونه که در شکل 2b نشان داده شده است،  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، سیستم ups، استفاده از HVAC ، تلفن، تقویت کننده و سیستم های مانیتورینگ برقی استفاده  می شود.

PCB چند لایه 

این 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 می‌شوند 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 تکنولوژی GPS، سیستم ماهواره، تجهیزات پزشکی، سرور فایل و ذخیره داده کاربرد دارد.

PCB انعطاف پذیر

این نوع PCB با نام مدار قابل تغییر نیز شناخته می شود. در این نوع PCB از مواد پلاستیکی انعطاف‌پذیر مثل پلی مید، پیک (پلی تر اتر کتون) و یا لایه ای از پلی استر رسانای شفاف بکار می رود. این نوع PCB بسیار پیچیده است و شامل محدوده متفاوتی از لایه هایی همچون مدار قابل تغییر یک لایه، مدار قابل تغییر دو لایه و مدار قابل تغییر چند لایه است. مدار قابل تغییر در ساخت دیودهای منتشر کننده نور آلی، ساخت LCD، 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 جامد و 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 زیاد است 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 چندلایه را می توان با اضافه کردن لایه ها به 9 تا 10 لایه فشرده تر نیز کرد.

PCB جامد قابل تغییر

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.

انواع برد مدار چاپی برطبق سیستم مونتاژ

حال انواع برد مدار چاپی PCB بر طبق سیستم مونتاژ را بررسی میکنیم. در این جا یک دسته بندی دیگر را ارائه میدهیم که برپایه نصب فیبر مدار چاپی انجام گرفته است.

PCB حفره دار

در این نوع PCB حفره‌ ها به ‌وسیله دریل ایجاد می‌شوند. در این سوراخ ها، پایه های قطعات به pad های قرار گرفته در سمت دیگر PCB لحیم می شوند. این تکنولوژی به‌دلیل ان‌که تکیه گاه مکانیکی بیشتری را برای قطعات الکتریکی فراهم کرده و یک تکنولوژی قابل اطمینان برای نصب قطعات است بیشترین کاربرد را دارد اما ایجاد حفره این ساختار را پرهزینه تر می سازد. در PCB تک لایه، استفاده از این نوع تکنولوژی نصب برای جای گذاری قطعات راحت تر است اما در PCB  دولایه و چندلایه ایجاد سوراخ برروی برد سخت تر است.

PCB نصب سطحی

در این نوع PCB قطعات بدلیل داشتن پایه های بسیار کوچک یا بدون پایه بودن به ‌منظور نصب برر روی برد دارای ابعاد کوچکی هستند. در این نوع تکنولوژی قطعات smd بطور مستقیم و بدون نیاز به ایجاد سوراخ برروی برد نصب می گردند.

بخش های مختلف برد PCB

• pad : pad  صفحه‌ای مسی است که قسمت پایین قطعات برروی آن قرار گرفته و لحیم می شوند. وظیفه پد ها ثابت کردن قطعات بر روی PCB است.
• Trace: در PCB قطعات به کمک سیم ها متصل نمی شوند. تمامی قطعات به‌وسیله مسیرهایی از جنس مس به یکدیگر متصل می شوند. این بخش مسی PCB که به منظور اتصال تمامی قطعات بکار می رود بعنوان trace (مسیر الکترون) شناخته می شود. شکل زیر یک ترک را نشان می‌دهد.
• layers: توجه به کابرد، هزینه و فضای موجود برای مدار، کاربر می تواند تعداد لایه های PCB را انتخاب کند. ساده ترین و پرکاربردترین PCB تک لایه است. برای مدارات بسیار بزرگ و پیچیده PCB های دولایه و چندلایه کاربرد بیشتری دارند. امروزه در PCBهای چندلایه ، 10 تا 12 لایه می توانند به یکدیگر متصل شوند که ارتباط بین قطعات در لایه های مختلف، بسیار اهمیت دارد.
• silk layer: این لایه به منظور چاپ خط، متن و هر طرح دیگری برروی سطح PCB مورد استفاده قرار می گیرد. معمولا، به منظور چاپ صفحه، جوهر اپوکسی مورد استفاده قرار می گیرد. این لایه را می توان برحسب نیاز کاربر در لایه بالای و یا پایینی PCB قرار داد که در این صورت با نام های silk screen TOP و  silk screen BOTTOMشناخته می شود.
• Top and Bottom Layer: تمامی قطعات در لایه بالایی PCB نصب می گردند. بطور کلی این لایه به رنگ سبز است. در لایه پایینی PCB تمامی قطعات از طریق سوراخ ها و قسمت های پایه مانند قطعات لحیم می گردند. گاهی اوقات لایه بالایی و پایینی PCB با لایه سبز رنگی به نام  solder mask پوشانده می شوند.
•  solder mask: یک لایه اضافی در بالای لایه مسی قرار دارد که solder mask نامیده می شود. این لایه معمولا به رنگ سبز است اما می تواند رنگ های دیگری نیز داشته باشد. این لایه عایقی به منظور جلوگیری از تماس تصادفی padها با سایر مواد رسانای دیگر برروی PCB مورد استفاده قرار می گیرد.

مواد سازنده برد مدار چاپی

عنصر اصلی PCB یک ماده دی الکتریک جامد و یا قابل تغییر است. این ماده دی الکتریک به همراه مواد رسانایی چون مس برروی آن بکار می رود.  بعنوان یک ماده دی الکتریک، اپوکسی شیشه به صورت لایه لایه یا ترکیب مورد استفاده قرار می گیرد

1. FR4 :

FR مخفف کلمه Fire Retardent  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.

2. FR1 و FR2 :

این ماده از ترکیبات فنول و کاغذ ساخته شده است و تنها برای PCB های تک لایه کاربرد دارد. FR1 و FR2 هردو دارای خصوصیات مشابهی هستند، تنها تفاوت آنها در دمای تغییر حالت شیشه است. FR1 در مقایسه با FR2 دارای دمای گذار شیشه بالاتری است. این مواد نیز همچون FR4 به زیردسته های استاندارد، هالوژن آزاد و غیرهیدروفوبیک تقسیم بندی می شوند.

3. CEM-1 :

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. CEM-1 را می توان بجای FR4 استفاده کرد اما قیمت آن نسبت به FR4 بالاتر است.

4. CEM-3 :

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.

5. پلی مید

این ماده در ساخت PCB های قابل تغییر به کار می رود. جنس این ماده از کپتون، راجرز و داپتون است که همگی نوعی پلی مید هستند. این ماده دارای خواص الکتریکی خوب، خوش حالتی، محدوده دمایی گسترده و مقاومت شیمیایی بالایی است. دمای کاری این ماده از 200-  درجه سانتی گراد تا 300+  درجه است.

6. Prepreg

این واژه کوتاه شده عبارت  pre-impregnated 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 کاملا غوطه ور می شوند. این ماده دارای لایه 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) ، MR (رزین متوسط) و HR (رزین زیاد) است. انتخاب یکی از این انواع با توجه به میزان ضخامت مورد نیاز، ساختار لایه 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

در زیر برخی از محبوب ترین نرم افزارهای طراحی PCB عنوان شده است.

Eagle :  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 Cadsoft computer بود و در حال حاضر Autodesk کار توسعه این نرم افزار را انجام می دهد. بمنظور طراحی دیاگرام مدار، EAGLE دارای 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 می گردد.  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. در ابتدا کار توسعه این نرم افزار برعهده Electronics workbench بود و در حال حاضر برعهده بخشی از National Instruments  (NI) 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 گشترده ای به منظور آموزش مدار در دانشگاه و صنعت مورد استفاده قرار می گیرد. (دانلود مولتی سیم)

EasyEDA : این نرم افزار در طراحی و شبیه سازی مدارات کاربرد دارد. این نرم افزار برمبنای طرح بندی PCB  و   NgSpiceدارای 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 Altium Limited 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 3 بعدی از PCB و بررسی دقیق PCB با کمک مستقیم ویرایشگر PCB خود است.

KiCAd : این نرم افزار توسط شرکت jean-pierre charras توسعه و ایجاد شده است. این نرم افزار دارای ابزاری چون ساخت BoM (لیست قطعات) ، ارائه تصویر زیبا و 3 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.