معرفی انواع PCB (برد مدار چاپی) با تصاویر و نکات کاربردی

برد مدار چاپی (PCB)

برد مدار چاپی (PCB) در واقع یک صفحه نازک، تخت و معمولاً از جنس فایبرگلاس، اپوکسی یا مواد پلیمری خاص است که مسیرهای رسانا (معمولاً از جنس مس) روی آن چاپ یا حک می‌شوند. این مسیرها وظیفه دارند سیگنال‌های الکتریکی را بین قطعات مختلف مثل مقاومت‌ها، خازن‌ها، آی‌سی‌ها و ترانزیستورها و… جابه‌جا کنند.

در گذشته، بردهای الکترونیکی با استفاده از سیم‌های زیادی بین قطعات متصل می‌شدند (مدار سیم‌کشی نقطه‌به‌نقطه)، که هم وقت‌گیر بود و هم احتمال بروز خطا و اتصال کوتاه را بالا می‌برد. با پیدایش بردهای الکترونیکی مبتنی بر PCB، امکان طراحی مدارهای پیچیده با دقت بالا، اندازه کوچک‌تر، عملکرد قابل‌اعتمادتر و تولید انبوه اقتصادی فراهم شد. این پیشرفت در طراحی بردهای الکترونیکی باعث کاهش اندازه دستگاه‌ها و افزایش کارایی آن‌ها گردید.

بردهای الکترونیکی با استفاده از فناوری PCB به طراحان این امکان را می‌دهند که سیستم‌های پیچیده را در فضاهای کوچکتر و با دقت بیشتر طراحی کنند. بنابراین، بردهای الکترونیکی نقش حیاتی در پیشرفت صنایع مختلف از جمله کامپیوتر، مخابرات، خودرو و تجهیزات پزشکی و … ایفا می‌کنند.

پس از تکمیل طراحی برد مدار چاپی در نرم‌افزار Altium Designer، فایل نهایی پروژه معمولاً با فرمت PCB یا PCBDocاستخراج شده و جهت ساخت برد برای شرکت تولیدکننده ارسال می‌گردد. این فایل شامل تمامی اطلاعات مورد نیاز برای چاپ و تولید برد بوده و مبنای ساخت قرار می‌گیرد.

ساختار مدار (PCB)

• لایه پایه (Substrate):

Substrate به معنای “زیرلایه” یا “لایه پایه”، نخستین و اصلی‌ترین بخش فیزیکی یک PCB است که دیگر لایه‌ها مانند مس، ماسک لحیم و چاپ سیلک روی آن سوار می‌شوند. این لایه در واقع نقش اسکلت یا بدنه اصلی PCB را ایفا می‌کند و پایه‌ای برای استحکام مکانیکی و پایداری ابعادی مدار محسوب می‌شود.

ویژگی‌های لایه (Substrate):

عایق الکتریکی: این لایه باید مانع عبور جریان الکتریکی شود و مسیرهای مسی روی PCB را به‌خوبی از هم جدا کند تا از اتصال کوتاه جلوگیری گردد.

پایداری حرارتی: باید بتواند دمای لحیم‌کاری و شرایط دمایی محیط‌های صنعتی یا خودرو را بدون تغییر شکل یا آسیب‌دیدگی تحمل کند.

پایداری مکانیکی: تحمل وزن قطعات الکترونیکی، لرزش، ضربه و تنش‌های مکانیکی را دارد تا عملکرد برد به خطر نیافتد.

• لایه رسانای مسی (Copper Layer) :

لایه رسانای مسی (Copper Layer) یکی از مهم‌ترین اجزای تشکیل‌دهنده PCB است که نقش اصلی در انتقال جریان و سیگنال‌های الکتریکی در مدارهای الکترونیکی را ایفا می‌کند. این لایه از فلز مس ساخته شده و روی آن مسیرهایی به نام ترک‌های مسی ایجاد می‌شود که ارتباط بین اجزای مختلف را فراهم می‌سازند. به‌دلیل رسانایی الکتریکی بسیار بالای مس، این لایه هسته اصلی تمام اتصالات الکتریکی در PCB را تشکیل می‌دهد.

ویژگی‌های لایه رسانای مسی (Copper Layer):

رسانایی الکتریکی بالا: مس با داشتن هدایت الکتریکی فوق‌العاده، برای ایجاد مسیرهای ارتباطی در PCB بسیار مناسب است.

انعطاف‌پذیری: لایه‌های مسی به راحتی قابل شکل‌دهی هستند و در فرآیند طراحی و ساخت PCB می‌توان مسیرهای متنوع و پیچیده‌ای را ایجاد کرد.

مقاومت در برابر خوردگی: اگرچه مس ذاتاً مقاوم است، اما برای افزایش دوام آن در برابر رطوبت و مواد شیمیایی، اغلب از پوشش‌هایی مانند قلع یا نقره روی آن استفاده می‌شود.

قابلیت عبور جریان بالا: مس می‌تواند جریان‌های زیاد را بدون افت عملکرد انتقال دهد، به‌خصوص در بردهای قدرت یا کاربردهای صنعتی.

کاهش تداخل الکترومغناطیسی (EMI): طراحی صحیح مسیرهای مسی می‌تواند از ایجاد نویز جلوگیری کرده و عملکرد PCB را در محیط‌های پر از سیگنال بهبود دهد.

• لایه Solder Mask)) :

لایه‌ی Solder Mask یکی از عناصر کلیدی در طراحی و ساخت بردهای الکترونیکی است. این لایه‌ی نازک، عایقی است که روی بخش‌هایی از لایه‌ی مسی که نیازی به لحیم‌کاری ندارند، اعمال می‌شود. هدف اصلی این ماسک، محافظت از مسیرهای رسانا و جلوگیری از لحیم‌کاری ناخواسته در حین تولید یا تعمیر بردهای الکترونیکی است.

ویژگی‌های لایه Solder Mask :

محافظت از مسیرهای مسی: این لایه از اکسیداسیون و خوردگی مس در تماس با رطوبت یا مواد شیمیایی جلوگیری می‌کند و مسیرهای حیاتی بردهای الکترونیکی را ایمن نگه می‌دارد.

جلوگیری از اتصال کوتاه: با جلوگیری از اتصال لحیم ناخواسته بین مسیرهای نزدیک، از بروز خطا در عملکرد بردهای الکترونیکی پیشگیری می‌شود.

مقاومت در برابر حرارت: در برابر دماهای بالا در فرآیندهایی مانند Reflow و لحیم‌کاری موجی مقاومت نشان می‌دهد، بدون اینکه ساختار خود را از دست بدهد.

عایق الکتریکی: به عنوان یک عایق، مانع از ایجاد مسیرهای ناخواسته برای جریان الکتریکی روی سطح بردهای الکترونیکی می‌شود.

زیبایی ظاهری و حرفه‌ای بودن: ظاهر یکنواخت، براق و تمیز این لایه، جلوه‌ای حرفه‌ای به بردهای الکترونیکی می‌بخشد و حتی در کنترل کیفیت بصری نیز مفید است.

• لایه Silkscreen)) :

Silkscreen لایه‌ای است که با استفاده از جوهر (معمولاً سفید رنگ)، اطلاعات متنی، نمادها و نشانه‌های راهنما را روی سطح برد الکترونیکی چاپ می‌کند. این اطلاعات به تکنسین‌ها و مونتاژکاران کمک می‌کند تا قطعات را در محل صحیح نصب کرده و برد الکترونیکی را به‌درستی تست و تعمیر کنند.

ویژگی‌های اصلی لایه Silkscreen:

نشانه‌گذاری قطعات الکترونیکی: حروف و اعدادی مانند R1، C2، U3 روی برد الکترونیکی چاپ می‌شوند تا موقعیت مقاومت، خازن، آی‌سی و سایر قطعات مشخص باشد. 

راهنمای مونتاژ : جهت نصب قطعات مانند دیودها، ترانزیستورها، و آی‌سی‌ها روی برد الکترونیکی نشان داده می‌شود (مثلاً علامت پین 1 یا قطب مثبت و منفی).

نمایش لوگو، تاریخ و شماره نسخه : سازندگان معمولاً لوگوی شرکت، شماره نسخه برد الکترونیکی، تاریخ ساخت یا اطلاعات تولید را در این لایه درج می‌کنند.

ساده‌سازی تست و تعمیر : تکنسین‌ها در مراحل عیب‌یابی و نگهداری می‌توانند با کمک این لایه، قطعات موردنظر روی برد الکترونیکی را سریع‌تر شناسایی کنند.

مقاومت در برابر حرارت و مواد شیمیایی : جوهر مورد استفاده باید در برابر حرارت لحیم‌کاری و شوینده‌های صنعتی مقاوم باشد.

عدم رسانایی : جوهر چاپ‌شده کاملاً غیر رسانا است و تماسی با مدار یا عملکرد برد الکترونیکی ایجاد نمی‌کند.

• لایه Prepreg / Dielectric)) :

لایه‌های Prepreg و Dielectric از اجزای کلیدی در ساخت بردهای الکترونیکی چندلایه هستند. این لایه‌ها که عمدتاً از مواد پلیمری عایق ساخته شده‌اند، وظیفه دارند لایه‌های رسانای مسی را در برد الکترونیکی از هم جدا کرده و از ایجاد اتصال ناخواسته بین آن‌ها جلوگیری کنند. عملکرد صحیح این لایه‌ها نقش مهمی در کیفیت و دوام نهایی برد الکترونیکی ایفا می‌کند.

ویژگی‌های مهم لایه Prepreg / Dielectric :

عایق الکتریکی بسیار قوی: این لایه‌ها مانع عبور جریان بین لایه‌های مسی می‌شوند و از اتصال کوتاه در برد الکترونیکی جلوگیری می‌کنند.

استحکام بالا: این مواد در برابر فشار و دمای زیاد مقاوم‌اند و ساختار مکانیکی برد الکترونیکی را تقویت می‌کنند.

پایداری حرارتی: در محیط‌هایی با دمای بالا یا پایین، خواص خود را حفظ می‌کنند و باعث ثبات عملکرد مدار می‌شوند.

پشتیبانی از فرکانس‌های بالا: این لایه‌ها اجازه انتقال سیگنال‌های پرسرعت را بدون افت کیفیت می‌دهند، که برای بردهای الکترونیکی پیشرفته حیاتی است.

مقاومت در برابر رطوبت و مواد شیمیایی: به خصوص در بردهایی که در محیط‌های سخت کار می‌کنند، این ویژگی اهمیت زیادی دارد.

انواع برد مدار چاپی PCB

بردهای مدار چاپی (PCB) بر اساس ویژگی‌هایی مانند تعداد لایه‌ها، جنس مواد استفاده‌شده، میزان انعطاف‌پذیری و همچنین نوع کاربرد در دستگاه‌های مختلف، به گروه‌های گوناگونی تقسیم می‌شوند.

1. بردهای یک‌لایه (Single-Layer PCB)

بردهای یک‌لایه ساده‌ترین و ابتدایی‌ترین نوع از بردهای مدار چاپی هستند. در این نوع PCB، فقط یک لایه نازک مسی بر روی یک طرف از لایه پایه (معمولاً فایبرگلاس یا اپوکسی) قرار دارد. تمام مسیرهای الکتریکی و قطعات روی همین سطح طراحی و مونتاژ می‌شوند.

•  بردهای دولایه (Double-Layer PCB)

بردهای دولایه، همان‌طور که از نامشان پیداست، دارای دو لایه مسی هستند که در دو طرف لایه پایه قرار گرفته‌اند. این امکان باعث می‌شود مسیرهای الکتریکی در هر دو طرف PCB طراحی شوند و اتصالات بین آن‌ها معمولاً از طریق سوراخ‌های متالیزه (VIA) برقرار گردد. این ساختار، گامی مهم در افزایش پیچیدگی و قابلیت‌های طراحی PCB محسوب می‌شود.

•  بردهای چندلایه (Multi-Layer PCB)

بردهای چندلایه، نوع پیشرفته‌تری از PCB هستند که از سه لایه یا بیشتر از لایه‌های مسی تشکیل شده‌اند. این لایه‌ها به‌صورت متناوب با مواد عایق (مثل prepreg) بین آن‌ها چیده شده و سپس با هم تحت فشار و حرارت بالا فشرده می‌شوند تا ساختاری یکپارچه و محکم ایجاد شود. لایه‌های داخلی و خارجی با استفاده از ویای‌های عبوری (Through-Hole Via)، کور (Blind Via) یا مدفون (Buried Via) به هم متصل می‌شوند، که این امر انعطاف طراحی در PCB‌های پیشرفته را افزایش می‌دهد.

در ساخت مدارهای چاپی (PCB)، از انواع مختلفی از فیبرها (برد خام) استفاده می‌شود که هر کدام ویژگی‌ها، مزایا و معایب خاص خود را دارند. در ادامه، رایج‌ترین انواع فیبرهای مورد استفاده در صنعت الکترونیک آورده شده‌اند:

فیبر فایبرگلاس که با نام FR-4 شناخته می‌شود، یک نوع برد خام محکم و مقاوم است که از ترکیب الیاف شیشه و رزین ساخته می‌شود. این فیبر در ساخت مدارهای الکترونیکی کاربرد زیادی دارد چون در برابر گرما، رطوبت و فشار مقاومت خوبی دارد. بیشتر بردهای حرفه‌ای و دقیق، مخصوصاً در دستگاه‌های صنعتی و الکترونیکی حساس، با این نوع فیبر ساخته می‌شوند.

فیبر  Rogers یک نوع برد پیشرفته است که بیشتر در مدارهای با فرکانس بالا استفاده می‌شود، مثل رادار یا سیستم‌های بی‌سیم. برخلاف فیبرهای معمولی مثل FR-4، این بردها از مواد خاصی ساخته می‌شن که دقت، سرعت و کارایی بالایی دارند. چون تلفات سیگنال کمی دارن، انتخاب خوبی برای پروژه‌های دقیق و حساس مخابراتی هستند.

فیبر  CEM نوعی برد میان‌رده است که از ترکیب کاغذ فشرده و الیاف شیشه ساخته می‌شود و مقاومتش از فیبرهای کاغذی بهتر است. این نوع فیبر برای مدارهای ساده و ارزان‌قیمت کاربرد دارد، مثل لوازم خانگی یا وسایل الکترونیکی معمولی. قیمتش مناسب است و کمی شبیه FR-4 عمل می‌کند، ولی کیفیتش پایین‌تر از آن است.

فیبر آلومینیومی (Aluminum PCB) نوعی برد مدار چاپی است که زیرِ آن به‌جای فایبرگلاس، از فلز آلومینیوم استفاده شده تا گرما را بهتر پخش کند. این نوع فیبر بیشتر برای مدارهایی استفاده می‌شود که داغ می‌شوند، مثل چراغ‌های LED یا درایورهای قدرت. چون آلومینیوم حرارت را سریع منتقل می‌کند، از سوختن قطعات جلوگیری می‌کند.

ضخامت استاندارد مدار چاپی (PCB) معمولاً بین 1.6 میلی‌متر است. این مقدار به عنوان ضخامت رایج در صنایع الکترونیکی پذیرفته شده و برای اکثر کاربردها مناسب است. اما ضخامت‌های دیگری هم وجود دارد که بسته به نیازهای خاص طراحی برد الکترونیکی و کاربرد می‌تواند متفاوت باشد، مثل:

• 0.8میلی‌متر (برای مدارهای نازک‌تر و انعطاف‌پذیر)
• 1 میلی‌متر
• 2 میلی‌متر یا بیشتر (برای مدارهای با استحکام بیشتر یا کاربردهای خاص)

ضخامت استاندارد مس در مدار چاپی حدود ۳۵ میکرون است که برای عبور جریان معمولی کافی است. اگر جریان بیشتری لازم باشد، ضخامت مس افزایش یافته و به ۷۰ یا ۱۰۵ میکرون می‌رسد. ضخامت بیشتر مس باعث کاهش مقاومت و گرمای کمتر مدار می‌شود.

 انواع پوشش نهایی مدار چاپی :

پوشش هات ایر :(HASL) یعنی مدار چاپی را در قلع مذاب فرو می‌برند، سپس هوای گرم می‌دمند تا سطح قلع صاف و یکنواخت شود. این کار باعث می‌شود نقاط اتصال مدار بهتر لحیم شوند و مس زیرین از زنگ زدگی محافظت شود. این روش سریع، ارزان و رایج است.

پوشش الکترولس طلا :(ENIG) یک روش شیمیایی است که اول لایه‌ای از نیکل روی مدار چاپی می‌نشیند و بعد روی آن لایه نازکی از طلا قرار می‌گیرد. این پوشش از مدار در برابر زنگ‌زدگی محافظت می‌کند و سطحی صاف و با کیفیت برای نصب قطعات فراهم می‌کند. ENIG معمولاً در مدارهای پیشرفته و با دوام بالا استفاده می‌شود.

پوشش مس : یک لایه فلزی است که روی سطح مدار چاپی قرار می‌گیرد و وظیفه هدایت جریان برق را دارد. این لایه مسیرهای الکتریکی مدار را تشکیل می‌دهد و پایه اتصال قطعات است. همچنین مس به محافظت مدار در برابر خوردگی و آسیب‌های فیزیکی کمک می‌کند.

انواع چاپ محافظ قلع کاری مدار چاپی:

چاپ محافظ قلع کاری Top یعنی لایه‌ای از قلع روی سطح بالایی مدار چاپی قرار می‌گیرد تا مس زیرین را محافظت کند. این پوشش مانع زنگ‌زدگی می‌شود و باعث می‌شود قطعات راحت‌تر روی مدار لحیم شوند. معمولاً این کار با روش‌های حرارتی یا الکتروشیمیایی انجام می‌شود.

چاپ محافظ قلع کاری Bottom یعنی قلع یا پوششی از قلع روی سطح زیرین مدار چاپی قرار می‌گیرد تا مس را در برابر زنگ‌زدگی حفظ کند. این لایه کمک می‌کند که لحیم‌کاری قطعات روی پایین مدار بهتر انجام شود. این کار معمولاً با روش‌های حرارتی یا آبکاری انجام می‌شود.

برش نهایی در مدار چاپی، جدا کردن قطعات مدار از ورق بزرگ پس از تولید است. این کار با روش‌هایی زیر انجام می شود:

برش نهایی Rout : یعنی برش دادن مدار چاپی با دستگاه CNC به‌صورت دقیق و طبق خطوط مشخص شده دور برد ها. این روش برای شکل‌های پیچیده و نیاز به برش تمیز و دقیق کاربرد دارد.

برش نهایی  :V-Cut یعنی ایجاد یک شیار باریک به شکل V روی مدار چاپی تا بتوان بردها را به راحتی شکست و جدا کرد. این روش برای جداسازی سریع و آسان قطعات در خطوط تولید کاربرد دارد.

برش Rout + V-Cut، ابتدا با Rout  دور تا دور برد یا بخش‌هایی از آن با دستگاه فرز بریده می‌شود تا شکل نهایی برد کامل بشود. بعد با V-Cut شیارهایی به شکل V روی برد می‌زنند تا بردها راحت‌تر از هم جدا بشوند.

عوامل مهم بر قیمت ساخت PCB

• متریال یا جنس PCB
• ابعاد یا اندازه برد مدار چاپی
• نوع برش PCB
• تعداد لایه های PCB
• اندازه و تعداد سوراخ ها در PCB
• ضخامت مس لایه ها
• پوشش نهایی برد
• تیراژ یا تعداد برد مدار چاپی

نقش PCB در عملکرد سیستم

برد مدار چاپی (PCB) نقش بسیار کلیدی در عملکرد سیستم‌های الکترونیکی ایفا می‌کند. در فرآیند مهندسی معکوس، بررسی دقیق ساختار PCB یکی از نخستین مراحل تحلیل سیستم است، زیرا تمام اجزای الکترونیکی از طریق مسیرهای مسی روی آن به هم متصل شده‌اند و سیگنال‌های الکتریکی را منتقل می‌کنند. این موضوع در مهندسی معکوس اهمیت بالایی دارد، چون امکان شناسایی نحوه عملکرد مدار را فراهم می‌سازد. از سوی دیگر، مهندسی معکوس به ما کمک می‌کند تا متوجه شویم چگونه PCB از قطعات در برابر آسیب‌های فیزیکی مانند رطوبت و گرد و غبار محافظت می‌کند. علاوه بر آن، بسیاری از طراحان در پروژه‌های مهندسی معکوس به بررسی قابلیت‌های مدیریت گرمای PCB می‌پردازند، چون کنترل دما برای جلوگیری از داغ شدن بیش از حد اجزا حیاتی است.

در سیستم‌های پیچیده که بردهای چندلایه به کار می‌رود، مهندسی معکوس می‌تواند معماری داخلی و نحوه اتصال لایه‌های مختلف را آشکار کند، چیزی که بدون ابزار دقیق قابل مشاهده نیست. همچنین طراحی دقیق PCB برای کاهش نویز و تداخل سیگنال‌ها، از موارد مهمی است که در مهندسی معکوس مورد توجه قرار می‌گیرد.

کارشناسان مهندسی معکوس معمولاً با بررسی ابعاد و چیدمان قطعات روی PCB، راه‌هایی برای بازطراحی یا بهینه‌سازی سیستم پیدا می‌کنند. این بردها با اشغال فضای کمتر، امکان ساخت سیستم‌های کوچک‌تر را فراهم کرده و در مهندسی معکوس نیز به کاهش پیچیدگی تحلیل کمک می‌کنند.

کاربردهای برد الکترونیکی (PCB)

در صنعت خودرو، برد الکترونیکی برای کنترل سیستم‌های ایمنی و الکترونیکی مانند ترمز ضدقفل و سیستم‌های ناوبری استفاده می‌شود. این بردها در عملکرد دقیق و ایمنی خودرو نقش مهمی دارند.

در پزشکی، دستگاه‌هایی مانند مانیتورهای ضربان قلب و تجهیزات تصویربرداری به برد الکترونیکی نیاز دارند تا ارتباط بین قطعات مختلف را برقرار کرده و عملکرد سیستم‌ها را به‌درستی مدیریت کنند.

در تجهیزات مخابراتی مانند تلفن‌های همراه و روترها، برد الکترونیکی برای انتقال سیگنال‌ها و ارتباطات بین اجزا به‌کار می‌رود. این بردها وظیفه حیاتی در پایداری ارتباطات دارند.

در رایانه‌ها، سرورها و دستگاه‌های ذخیره‌سازی داده نیز از برد الکترونیکی برای اتصال اجزا و مدیریت اطلاعات استفاده می‌شود. این بردها به‌طور مؤثر نقش ارتباطی بین قطعات مختلف سیستم را ایفا می‌کنند.

در دستگاه‌های صوتی و تصویری مانند سینماهای خانگی و دوربین‌ها، برد الکترونیکی برای مدیریت و پردازش سیگنال‌های صوتی و تصویری به‌کار می‌رود.

در وسایل خانگی هوشمند مانند یخچال‌های هوشمند و تهویه مطبوع، برد الکترونیکی برای کنترل سیستم‌های الکترونیکی و عملکرد دستگاه‌ها استفاده می‌شود. این بردها به بهینه‌سازی مصرف انرژی و عملکرد دستگاه‌ها کمک می‌کنند.

در سیستم‌های انرژی خورشیدی و مبدل‌های برق، برد الکترونیکی برای مدیریت انرژی و کنترل فرآیندهای الکتریکی به کار می‌رود. این بردها به مدیریت بهینه انرژی و عملکرد صحیح سیستم‌ها کمک می‌کنند.

در نهایت، در سیستم‌های فضایی و نظامی، برد الکترونیکی برای ارتباطات و کنترل دقیق به‌کار می‌رود. این بردها به‌عنوان اجزای حیاتی در سیستم‌های پیچیده و حساس عمل می‌کنند.