برد مدار چاپی (PCB)

مقدمه

طراحان مدار الکترونیکی، با استفاده از طرحواره به نام شماتیک (schematic)، مدارهای خود را طراحی می‌کنند. شماتیک شامل نمادهای قطعات الکترونیکی است که با خطوط به یکدیگر وصل می‌شوند. این خطوط بیان‌گر مسیرهای رسانایی هستند که به جریان اجازه‌ی عبور از قسمتی مدار به قسمت دیگر را می‌دهد. شماتیک‌ صرفا یک نقشه‌ی مدارهای الکترونیکی است نه شبیه ساز آن‌ها.

برای پیاده سازی مدارها، باید محتوای شماتیک به اجزا و اتصالات فیزیکی ترجمه شود. شماتیک شامل مدارهای ساده را می‌توان بر روی برد برد (Breadboard) پیاده سازی کرد. اما برای مدارهای پیچیده، می‌بایست آن را به صورت یک برد مدار چاپی یا PCB (Printed Board Circuit) اجرا شود. در این مقاله، معنای PCB و توضیحات طراحی آن را با جزییات بیش‌تر بررسی خواهیم کرد.

ساختار PCB‌‌‌‌‌‌

ساختار ساده‌ترین و ابتدایی‌ترین برد مدار چاپی شامل سطوح عایق و رسانای نازکی است. ساختار رسانا دارای شکل‌های هندسی متفاوت است و به عنوان مسیر یا نقطه‌ی اتصال بین قطعات الکترونیکی عمل می‌کنند.

مسیر رساناها غالبا به صورت نوارهای باریکی یا صفحه‌ای از جنس مس هستند. نقاط اتصال رساناها بسته به نوع شکل قطعات می‌توانند به صورت سوراخ یا پد باشند. در برد مدار چاپی ابتدایی همه مسیرهای رسانا بر یک طرف سطح عایق قرار می‌گیرند.

برد مدار چاپی شکل فوق یک لایه است. یعنی تمام اتصالات رسانا در یک طرف برد مدار چاپی قرار دارد. PCB تک لایه دارای محدودیت‌های زیادی است و طراح PCB ممکن است در ایجاد اتصالات با مشکل مواجه شود.

با افزودن لایه‌های رسانای اضافی به PCB، طراحی مدار چاپی دارای چالش‌های کم‌تر و آسان‌تر خواهد بود. اکثر پروژه‌های الکترونیکی ساده و متوسط بر روی PCB های تک لایه و دولایه اجرا می‌شود. پروژه‌های پیچیده و حرفه‌ای بر روی PCB های چهار لایه به بالا اجرا می‌شود.

تاریخچه‌ی PCB

قبل از اینکه بتوانیم طراحی PCB را توضیح دهیم، بهتر است بدانیم PCB از کجا آمده است. در گذشته، اجزای گسسته و مدارهای مجتمع با استفاده از سیم به یکدیگر وصل می‌شدند که “برد سیم کشی چاپی” نام داشت.
در این برد اتصالات مدارها از طریق پروسه‌ی طولانی و طاقت فرسا، به صورت نقطه به نقطه ساخته می‌شدند.

این امر باعث ایجاد آسیب‌های ناشی از محل اتصال سیم‌ها و اتصال کوتاه سیم‌ها می‌شد.
تعداد سیم‌ها به قدری زیاد بود که اشکال زدایی آن دشوار بود. هم چنین تولید چنین برد بسیار کند بود و قطعات به صورت دستی لحیم می‌شدند.

امروزه، اتصالات مسی مستقیم روی لایه‌های عایق قرار می‌گیرند و قطعات از طریق پد یا سوراخ به یکدیگر وصل می‌شوند. برد مدار چاپی نسبت برد سیم کشی چاپی، فشرده‌تر است و حجم کمتری از فضا را در برمی‌گیرد.
بسیاری از دستگاه‌های امروزی مانند تلفن‌های هوشمند، مانیتورهای پزشکی، موشک و … دارای بردهای مدار چاپی با طرح‌های پیشرفته‌ی HDI (High-Density Interconnect ) و هزاران اتصال الکتریکی هستند.

انواع PCB

در تصویر زیر یک برد قدیمی را مشاهده می‌کنید که قطعات آن از فناوری through hole می‌باشند.

اما بردهای جدید دارای قطعات فناوری SMD هستند و اکثر آن‌ها به صورت حداقل دو لایه با چگالی بالا ساخته می‌شوند. نسبت به بردهای قدیمی، فضا و هزینه‌ی کم‌تری دارند. با این حال برخی از بردهای مدار چاپی دارای قطعات سوراخ دار هستند. در ادامه با انواع PCB آشنا می‌شویم.

یک رو

این برد دارای قطعاتی است که فقط روی یک سطح نصب شده‌اند. سطح پشتی معمولاً کاملاً مسی (زمین شده) است و با لایه‌ی محافظ که معمولا سبز رنگ است، پوشانده شده است.

دو رو

این نوع برد، دارای قطعاتی است که روی هر دو سطح نصب شده اند. هر سطح به عنوان یک لایه‌ی سیگنال در نرم افزار طراحی PCB تعریف می شود و دارای اتصالات مسی هستند.

برد چند لایه

این بردها علاوه بر لایه‎های پشت و رو، دارای لایه‌های رسانای داخلی هستند. PCB های چند لایه ممکن است یک یا دو رو باشند.

برد Rigid

عایق این بردها از مواد لمینت سفت و سخت، مانند مواد لمینت فایبرگلاس آغشته به رزین اپوکسی درجه‌ی FR4 ساخته می‌شود. انواع دیگری از مواد لمینت نیز وجود دارد که درموارد ویژه مانند پروژه‌های مخابراتی و نظامی به کار می‌روند.

برد انعطاف پذیر Rigid

برای اتصال دو یا چند برد Rigid و جانمایی آن‌ها در یک جعبه، از کابل‌های انعطاف پذیر استفاده می‌کنند. این کابل انعطاف پذیر مانند برد معمولی دارای اتصالات رسانا هستند. این نوع برد برای کاربردهایی که نیاز به المان‌های متحرک و تاشو دارند، مفید می‌باشد.

برد انعطاف پذیر

تمام این برد از نوارهای پلی آمید انعطاف پذیر ساخته می‌شود. قطعات می‌توانند بر روی آن‌ها نصب و لحیم شوند.

بردهای هسته فلزی

جنس لایه‌ی هسته‌ی این برد بر خلاف برد معمولی، از فلز (معمولا آلومینیوم) است. میزان سفتی و اتلاف گرما در این برد نسبت به بردهای دیگر بیش‌تر است. فرایند ساخت PCB با هسته‌ی فلزی کاملا متفاوت از فرایند ساخت بردهای معمولی است. این بردها در مواردی که نیاز به مدیریت گرما دارند، مانند صنعت روشنایی کاربرد فراوانی دارد.

بردهای سرامیکی

این بردها زیاد رایج و در کاربردهایی استفاده می شوند که به رسانایی حرارتی بسیار بالایی نیاز دارند به طوری که برد می تواند مقادیر زیادی گرما را از اجزای خود دفع کند.

ساختار و کاربردهای PCB

بسیاری از ویژگی‌های PCB در چیدمان لایه‌ها مشخص می‌شود. PCB های دو لایه شامل دو لایه‌ی سیگنال و یک لایه‌ی هسته‌ی دی الکتریکی است. در PCB های چهار لایه به بالا، دو نوع دی الکتریک در لایه‌های عایق هسته و پیش آغشته وجود دارد. ویژگی‌های دی الکتریک و مکانیکی هسته و پیش آغشته، قابلیت اطمینان و یکپارچگی سیگنال را در طراحی تعیین می‌کند و هنگام طراحی باید با دقت انتخاب شوند.

به عنوان مثال، برای کاربردهای حساس نظامی، مخابراتی و پزشکی به طراحی‌های بسیار قابل اعتمادی نیاز دارند که ممکن است در محیط‌های سخت و ناسازگار به کار گرفته شوند.

نمونه ای از ساختار PCB در زیر نشان داده شده است. در این مثال، یک ساختار 4 لایه‌ای شامل دو لایه‌ی داخلی (L02-GND برای زمین و L03-PWR برای تغذیه) است. این نوع ساختار برای دستگاه‌های اینترنت اشیا، سیستم‌های امبدد سبک وزن و بسیاری از طرح‌های دیگر که از رابط‌های پرسرعت استفاده می‌کنند، مناسب است.

آرایش صفحه‌ی داخلی به یکپارچگی توزیع توان کمک می‌کند و امکان محافظت در برابر نویزهای الکترومغناطیسی خارجی (EMI) را نیز فراهم می‌کند. لایه‌های سطح داخلی نیز یک مرجع ثابت برای سیگنال‌های امپدانس کنترل‌ شده می‌باشند. این نوع ساختار برای بسیاری از طرح‌ها معمول است و اغلب نقطه‌ی شروع بسیاری از بردهای مدار چاپی مدرن است.

منبع

https://resources.altium.com/p/what-is-a-pcb