برد مدار چاپی (PCB) یا Printed Circuit Board، یک صفحه نازک است که برای اتصال و پشتیبانی از قطعات الکترونیکی استفاده میشود. این برد از لایههای مسی و مواد عایق مانند فایبرگلاس، مواد پلیمری یا کامپوزیت ساخته شده است. PCBها در انواع مختلفی مانند یکلایه، دولایه و چندلایه تولید میشوند و در صنایع مختلف از جمله الکترونیک، مخابرات، خودروسازی و پزشکی و ... کاربرد دارند.
اجزای اصلی PCB
اجزای اصلی PCB شامل چندین لایه و بخش مهم است که هرکدام نقش اساسی در عملکرد مدار دارند. اولین بخش، لایه پایه (Substrate) است که معمولاً از فایبرگلاس (FR4)، آلومینیوم یا پلیآمید ساخته میشود و به عنوان ساختار اصلی برد، استحکام مکانیکی و عایق الکتریکی را فراهم میکند. بر روی این لایه، لایه مسی (Copper Layer) قرار دارد که مسیرهای رسانا را برای انتقال جریان الکتریکی تشکیل میدهد. ضخامت این لایه معمولاً بین ۱ تا ۳ اونس بر فوت مربع است و مستقیماً بر ظرفیت حمل جریان تأثیر میگذارد.
برای محافظت از مسیرهای مسی، لایه ماسک لحیمکاری (Solder Mask) روی برد اعمال میشود که از اتصالهای ناخواسته جلوگیری کرده و در عین حال به فرایند لحیمکاری کمک میکند. بر روی این لایه، لایه سیلک اسکرین (Silkscreen) قرار دارد که برای چاپ علائم، نمادها و اطلاعات مربوط به قطعات استفاده میشود تا مونتاژ و تعمیرات برد آسانتر شود. علاوه بر این، PCB ممکن است شامل پوشش نهایی سطح (Surface Finish) مانند HASL، ENIG یا OSP باشد که از اکسیداسیون مس جلوگیری کرده و قابلیت لحیمپذیری را بهبود میبخشد. در بردهای چندلایه، لایههای دیالکتریک و عایق (Dielectric Layers) بین لایههای مسی قرار میگیرند تا از تداخل سیگنالها جلوگیری کرده و استحکام برد را افزایش دهند. تمامی این اجزا با یکدیگر ترکیب شده و ساختار نهایی PCB را تشکیل میدهند که در دستگاههای الکترونیکی مختلف مورد استفاده قرار میگیرد.
انواع بردها براساس متریال
انواع بردهای مدار چاپی (PCB) بر اساس متریال بهکاررفته در ساخت آنها به چند دسته اصلی تقسیم میشوند که هرکدام ویژگیها و کاربردهای خاص خود را دارند:
بردهای فایبرگلاس (FR4 PCB): فایبرگلاس یا FR4 رایجترین متریال برای ساخت PCB است که از الیاف شیشهای تقویتشده با رزین اپوکسی ساخته شده و استحکام مکانیکی، مقاومت حرارتی و عایق الکتریکی بالایی دارد. این نوع برد در اکثر تجهیزات الکترونیکی از جمله کامپیوترها، موبایلها و دستگاههای صنعتی مورد استفاده قرار میگیرد.
- Figure 1برد FR4 با تحمل دمایی TG170
- Figure 2برد FR4 با تحمل دمایی TG150
- Figure 3برد استخوانی CEM-1
- Figure 4برد FR1 با تحمل دمایی TG100
- Figure 5برد FR4 با تحمل دمایی TG130
بردهای پایه فلزی (Metal Core PCB - MCPCB)
: در این بردها، هسته اصلی از آلومینیوم، مس یا فولاد ضدزنگ ساخته شده و لایههای مسی روی آن قرار میگیرند. این نوع بردها به دلیل توانایی دفع حرارت بالا، در کاربردهایی مانند مدارهای LED، درایورهای قدرت و تجهیزات مخابراتی مورد استفاده قرار میگیرند. بردهای آلومینیومی رایجترین نوع در بین MCPCBها هستند.
بردهای انعطافپذیر (Flexible PCB - FPC)
این نوع PCB از پلیآمید (Polyimide) یا PEEK ساخته میشود که امکان خمشدن و انعطافپذیری را فراهم میکند. بردهای انعطافپذیر در دستگاههایی مانند موبایل، لپتاپ، دوربینهای دیجیتال و تجهیزات پزشکی به کار میروند. مزیت اصلی آنها کاهش حجم و وزن مدار و افزایش مقاومت در برابر لرزش و تنش مکانیکی است.
بردهای سرامیکی (Ceramic PCB)
بردهای سرامیکی از موادی مانند آلومینا (Al₂O₃)، نیترید آلومینیوم (AlN) یا بریلیوم اکسید (BeO) ساخته میشوند و دارای هدایت حرارتی بسیار بالا، مقاومت در برابر دماهای بالا و ثبات الکتریکی عالی هستند. این بردها در مدارات فرکانس بالا، تجهیزات مخابراتی و سیستمهای فضایی استفاده میشوند.
بردهای کاغذی (Paper-Based PCB یا FR1, FR2)
این بردها از کاغذ فشرده آغشته به رزین فنولیک ساخته شدهاند و ارزانترین نوع PCB محسوب میشوند. FR2 که در بردهای یکلایه کاربرد دارد، در محصولات کمهزینه مانند لوازم خانگی ساده و اسباببازیهای الکترونیکی مورد استفاده قرار میگیرد. با این حال، این بردها مقاومت حرارتی و استحکام مکانیکی کمتری نسبت به FR4 دارند.
بردهای استخوانی (CEM PCB - Composite Epoxy Material)
نوعی از بردهای مدار چاپی هستند که از ترکیب الیاف شیشهای و مواد رزینی ساخته شدهاند و بهعنوان جایگزینی ارزانتر برای بردهای FR4 مورد استفاده قرار میگیرند. این بردها به دلیل ترکیب مواد مختلف، خواصی بین FR4 و بردهای کاغذی (مانند FR2) دارند و در برخی کاربردهای الکترونیکی کمهزینه یا با نیاز به استحکام متوسط استفاده میشوند.
تفاوت ساختاری فایبرگلاس ها و بردهای استخوانی:
بردهای FR1 و FR2 از جنس کاغذ فشرده آغشته به رزین فنولیک ساخته شدهاند و به دلیل هزینه پایین، در مدارات ساده و ارزانقیمت مورد استفاده قرار میگیرند. تفاوت اصلی بین این دو در دمای انتقال شیشهای (Tg) آنها است؛ FR1 دارای Tg بالاتر (حدود 130 درجه سانتیگراد) نسبت به FR2 (حدود 105 درجه سانتیگراد) است. این بردها عایق الکتریکی خوبی دارند، اما مقاومت مکانیکی و حرارتی پایینتری نسبت به بردهای FR4 دارند.
همچنین، FR1 و FR2 لحیمپذیری مناسبی دارند اما در برابر رطوبت و حرارت بالا ضعیفتر هستند. به دلیل ساختار کاغذی، این بردها تنها در طراحیهای تکلایه قابل استفاده هستند و انعطافپذیری کمتری دارند. بردهای FR4 پرکاربردترین نوع PCB هستند که از الیاف شیشهای تقویتشده با رزین اپوکسی ساخته میشوند.
این بردها دارای مقاومت حرارتی، استحکام مکانیکی و عایق الکتریکی بالا هستند که آنها را برای کاربردهای متنوع از جمله مدارات پیچیده، بردهای چندلایه و تجهیزات الکترونیکی پیشرفته مناسب میکند. دمای انتقال شیشهای (Tg) در FR4 معمولاً بین 130 تا 180 درجه سانتیگراد است که باعث میشود این بردها در دماهای بالا عملکرد خوبی داشته باشند.
علاوه بر این، FR4 در برابر رطوبت، لرزش و شوک مکانیکی مقاوم است و همین ویژگی، آن را برای مدارات صنعتی، نظامی و مخابراتی ایدهآل میکند. با وجود تمام مزایا، FR4 نسبت به FR1 و FR2 گرانتر است و در برخی کاربردهای ارزانقیمت ممکن است گزینه اقتصادی مناسبی نباشد.
بردهای CEM (Composite Epoxy Material) نوعی از بردهای مدار چاپی هستند که از ترکیب الیاف شیشهای و رزین اپوکسی ساخته شدهاند و بهعنوان جایگزینی ارزانتر برای FR4 در برخی کاربردها مورد استفاده قرار میگیرند. این بردها بسته به نوع ترکیب مواد، ویژگیهای مکانیکی، حرارتی و الکتریکی متفاوتی دارند و در چهار نوع رایج CEM-1، CEM-3، CEM-4 و CEM-5 طبقهبندی میشوند.
برد CEM-1 از یک هسته کاغذی آغشته به رزین فنولیک به همراه یک لایه الیاف شیشهای در سطح بالا تشکیل شده است. این برد تنها برای مدارات تکلایه قابل استفاده است و به دلیل هزینه کم، گزینهای اقتصادی برای تولید انبوه بردهای ساده محسوب میشود. دمای انتقال شیشهای (Tg) این نوع برد حدود 130 درجه سانتیگراد است که آن را در برابر حرارت متوسط مقاوم میکند.
با این حال، مقاومت مکانیکی و رطوبتی پایینی دارد و در محیطهای صنعتی که نیاز به بردهای چندلایه و مقاوم در برابر حرارت بالا دارند، مناسب نیست. این برد بیشتر در لوازم الکترونیکی ارزانقیمت و مدارهای ساده مورد استفاده قرار میگیرد.
برد CEM-3 نسبت به CEM-1 پیشرفتهتر بوده و دارای ساختاری مشابه FR4 اما نرمتر و ماتتر است. این برد از الیاف شیشهای و رزین اپوکسی تشکیل شده و میتواند برای مدارات دولایه بهکار رود. دمای انتقال شیشهای آن بین 130 تا 150 درجه سانتیگراد است که باعث افزایش مقاومت آن در برابر حرارت میشود. این نوع برد در تجهیزات مصرفی، بردهای نورپردازی LED و دستگاههای الکترونیکی خانگی بهعنوان یک جایگزین اقتصادی برای FR4 مورد استفاده قرار میگیرد. اگرچه نسبت به CEM-1 از استحکام بیشتری برخوردار است، اما همچنان در برابر حرارتهای بسیار بالا عملکرد ضعیفتری دارد و شکنندگی آن در مقایسه با FR4 بیشتر است.
برد CEM-4 نسخهای مقاومتر از CEM-3 است که کاملاً از الیاف شیشهای و رزین اپوکسی ساخته شده است. این نوع برد از نظر مکانیکی و الکتریکی پایداری بیشتری نسبت به CEM-3 دارد و میتواند در مدارهای دولایه و چندلایه استفاده شود. دمای انتقال شیشهای آن بین 150 تا 160 درجه سانتیگراد است که باعث افزایش مقاومت حرارتی و مکانیکی آن میشود. برخلاف CEM-3 که در محیطهای با رطوبت بالا عملکرد کمتری دارد، CEM-4 از مقاومت بالایی در برابر رطوبت و تنشهای مکانیکی برخوردار است و بههمین دلیل در مدارات صنعتی، بردهای LED و تجهیزات پیشرفتهتر مورد استفاده قرار میگیرد. با این وجود، هزینه تولید آن از CEM-3 بیشتر است اما همچنان ارزانتر از FR4 محسوب میشود.
برد CEM-5 که با نام برد استخوانی نیز شناخته میشود، یکی از مقاومترین انواع بردهای CEM است که از الیاف شیشهای و رزین پلیاستر ساخته شده است. این برد از نظر استحکام مکانیکی و مقاومت حرارتی به FR4 بسیار نزدیک است و در برخی کاربردهای صنعتی بهعنوان جایگزینی مقرونبهصرفه برای FR4 مورد استفاده قرار میگیرد. دمای انتقال شیشهای آن بین 150 تا 180 درجه سانتیگراد است که امکان استفاده از آن را در تجهیزات صنعتی، بردهای LED و مدارهای مخابراتی فراهم میکند. برخلاف CEM-1 و CEM-3 که مقاومت محدودی در برابر دما و رطوبت دارند، CEM-5 در شرایط سخت محیطی عملکرد مناسبی دارد. البته این نوع برد در مقایسه با سایر بردهای CEM گرانتر است، اما همچنان هزینه کمتری نسبت به FR4 دارد و برای کاربردهایی که نیاز به استحکام بالا دارند، گزینهای ایدهآل محسوب میشود.
در مجموع، بردهای CEM بسته به نیاز طراحی و هزینه، میتوانند جایگزین مناسبی برای FR4 باشند. اگر نیاز به یک برد ارزان و ساده برای مدارات تکلایه وجود داشته باشد، CEM-1 بهترین گزینه است. برای مدارات دولایه و تجهیزات الکترونیکی کمهزینه، CEM-3 انتخاب مناسبی خواهد بود. در صورتی که استحکام و مقاومت حرارتی بیشتری نیاز باشد، CEM-4 عملکرد بهتری ارائه میدهد. اما اگر بردی مقاوم در برابر حرارت و رطوبت برای کاربردهای صنعتی نیاز باشد، CEM-5 بهعنوان یک گزینه قوی و مقرونبهصرفه در مقایسه با FR4 انتخاب ایدهآلی خواهد بود.
Electronic Components
قطعات الکترونیکی روی PCB (Electronic Components) شامل مجموعهای از المانهای فعال و غیرفعال است که عملکرد کلی مدار را تعیین میکنند. قطعات فعال مانند میکروکنترلرها (Microcontrollers)، ترانزیستورها (Transistors) و دیودها (Diodes) وظایف پردازشی و کنترل جریان را بر عهده دارند، در حالی که قطعات غیرفعال مانند مقاومتها (Resistors)، خازنها (Capacitors) و سلفها (Inductors) برای مدیریت جریان، ذخیره انرژی و تنظیم ولتاژ استفاده میشوند. علاوه بر این، کانکتورها (Connectors) برای ارتباط PCB با سایر مدارات یا قطعات خارجی به کار میروند.
در بردهای پیشرفته، ممکن است آیسیهای حافظه (Memory ICs)، کریستالهای کوارتز (Quartz Crystals) برای تعیین فرکانس و رگولاتورهای ولتاژ (Voltage Regulators) برای تأمین تغذیه پایدار نیز وجود داشته باشند. این قطعات معمولاً به دو روش THT (Through-Hole Technology) و SMT (Surface Mount Technology) روی برد نصب میشوند.
روش THT برای قطعاتی با پایههای بلند که از طریق سوراخهای PCB لحیم میشوند، مناسب است، در حالی که روش SMT قطعات را مستقیماً روی سطح برد نصب کرده و برای مدارهای فشردهتر و تولید انبوه کاربرد دارد. چینش و انتخاب صحیح قطعات الکترونیکی روی PCB تأثیر مستقیمی بر عملکرد، بازدهی و طول عمر مدارهای الکترونیکی دارد.
برای کسب اطلاعات تخصصی تر درمورد المان های روی pcb مقاله های زیر را مطالعه کنید:
-
تولید برد های مدار چاپی
در مرحله تولید، ابتدا طراحی PCB با استفاده از نرمافزارهای تخصصی انجام شده و فایلهای Gerber برای ساخت برد به کارخانه ارسال میشود. سپس، لایههای مختلف برد ساخته شده و مسیرهای مسی با فرآیند چاپ فوتولیتوگرافی و اچینگ (Etching) روی سطح برد ایجاد میشوند. پس از آن، سوراخکاری انجام شده و پوششهای محافظ مانند ماسک لحیمکاری (Solder Mask) و سیلک اسکرین (Silkscreen) به برد اضافه میشوند. در نهایت، یک پوشش نهایی مانند HASL، ENIG یا OSP برای محافظت از مسیرهای مسی و بهبود لحیمپذیری اعمال میشود.
پس از تولید PCB، مرحله مونتاژ (Assembly) آغاز میشود که شامل نصب و لحیمکاری قطعات الکترونیکی روی برد است. بسته به نوع قطعات، دو روش THT (Through-Hole Technology) و SMT (Surface Mount Technology) مورد استفاده قرار میگیرد. در روش SMT، قطعات با استفاده از دستگاههای Pick & Place روی برد چیده شده و سپس از طریق کوره بازپخت (Reflow Soldering) لحیم میشوند.
در روش THT، قطعات دارای پایه از طریق سوراخهای برد عبور داده شده و با لحیمکاری دستی یا موجی (Wave Soldering) به برد متصل میشوند. پس از لحیمکاری، بردها تحت آزمایشهای E-Test (Electrical Test) و بازرسی نوری خودکار (AOI - Automated Optical Inspection) قرار میگیرند تا از صحت اتصالات اطمینان حاصل شود. در صورت تأیید کیفیت، بردهای مونتاژ شده بستهبندی شده و برای استفاده در محصولات الکترونیکی نهایی آماده میشوند. این فرآیند، دقت و کیفیت بالایی را میطلبد تا عملکرد مطلوب و عمر طولانی مدارها تضمین شود.