برد مدار چاپی(PCB – Printed Circuit Board) یکی از اصلی‌ترین و ضروری‌ترین اجزای هر سیستم الکترونیکی به حساب می‌آید. بدون وجود این برد، قطعات الکترونیکی عملاً نمی‌توانند به‌صورت منظم، مؤثر و ایمن با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. PCB در حقیقت همان بستری است که قطعات مختلف روی آن نصب شده و از طریق مسیرهای رسانا با هم ارتباط پیدا می‌کنند. این بردها در شکل‌ها و اندازه‌های متنوعی ساخته می‌شوند و می‌توانند ساده یا پیچیده، تک‌لایه یا چندلایه، و حتی منعطف یا سخت باشند.
در حالی که بیشتر توجه‌ها معمولاً به طراحی مدار و چیدمان قطعات معطوف می‌شود، موضوع مهمی که اغلب نادیده گرفته می‌شود، نوع مواد به‌کاررفته در ساخت خود برد مدار چاپی است. در واقع، جنس لایه‌های PCB نقش بسیار تعیین‌کننده‌ای در عملکرد الکتریکی، استحکام مکانیکی، مقاومت در برابر حرارت، قابلیت اطمینان طولانی‌مدت و حتی قیمت نهایی محصول دارد.
از بردهای ساده ساخته‌شده با مواد ارزان‌قیمت برای پروژه‌های آموزشی گرفته تا بردهایی با متریال پیشرفته و چندلایه که در تجهیزات پزشکی، هوافضا یا خودروهای مدرن استفاده می‌شوند، همه تحت تأثیر همین انتخاب مواد اولیه هستند.
در این مقاله، به زبان ساده اما دقیق، به بررسی انواع مواد خام تشکیل‌دهنده‌ی بردهای مدار چاپی می‌پردازیم. با شناخت این مواد و ویژگی‌هایشان، میتوان انتخاب بهتری در طراحی و ساخت مدارهای الکترونیکی داشت؛ انتخابی که هم از نظر فنی بهینه باشد و هم از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه.
اجزای اصلی PCB به زبان ساده:
برد مدار چاپی(PCB)از چند بخش اصلی تشکیل شده که هرکدام نقش مهمی در عملکرد مدار دارن. پایه‌ی اصلی برد، لایه ساب‌استریت (Substrate)هست که معمولاً از فایبرگلاس (FR4)،آلومینیوم یا پلی‌آمید ساخته می‌شه و استحکام و عایق بودن برد رو تأمین می‌کنه.
روی این لایه، لایه مسی (copper layer) قرار داره که مسیرهای جریان الکتریکی رو ایجاد می‌کنه. برای محافظت از این مسیرها، لایه ماسک لحیم‌کاری (Solder Mask) استفاده می‌شه تا از اتصال‌های ناخواسته جلوگیری کنه و لحیم‌کاری رو راحت‌تر کنه.
روی لایه ماسک، لایه سیلک‌اسکرین (Silkscreen) قرار می‌گیره که شامل نوشته‌ها و علائمی برای راهنمایی در مونتاژ و تعمیر برد می باشد. همچنین، برد معمولاً دارای پوشش نهایی(Surface Finish) مثل HASL یا ENIG هست تا از زنگ‌زدگی جلوگیری کنه و لحیم‌پذیری رو بهتر کنه.
در بردهای چندلایه، لایه‌های عایق (Dielectric)بین لایه‌های مسی قرار دارن تا از تداخل سیگنال جلوگیری و استحکام برد افزایش پیدا کنه.
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.
بردهای مدار چاپی فایبرگلاس (FR4(ترکیبی از استحکام، کارایی و صرفه اقتصادی
یکی از پرکاربردترین و استانداردترین متریال‌ها در ساخت بردهای مدار چاپی (PCB)، فایبرگلاس FR4 است. این نوع برد از ترکیب الیاف شیشه تقویت‌شده با رزین اپوکسی ساخته می‌شود و به دلیل ویژگی مقاومت در برابر شعله (Flame Retardant) به آن FR4گفته می‌شود.
FR4 به عنوان یک کامپوزیت مهندسی‌شده، استحکام مکانیکی بالا، عایق الکتریکی قوی و مقاومت حرارتی قابل قبولی دارد که آن را به گزینه‌ای ایده‌آل برای طیف وسیعی از کاربردهای الکترونیکی تبدیل کرده است.
مهم‌ترین مزایای FR4 میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
پایداری عملکرد در دمای بالا: این بردها در شرایط حرارتی متوسط تا نسبتاً بالا عملکرد پایدار و ایمنی ارائه می‌دهند که برای جلوگیری از نشتی جریان در مدارهای حساس بسیار مهم است.
- مناسب برای انواع ساختارها: FR4 قابلیت تولید به‌صورت بردهای تک‌رو، دورو و چندلایه را دارد، که این موضوع دست مهندسان را برای طراحی مدارهای پیچیده، فشرده و با کارایی بالا باز می‌گذارد.
قیمت مناسب و در دسترس بودن: تعادل مناسب بین قیمت و قابلیت‌ها باعث شده FR4 به انتخاب اول در بسیاری از پروژه‌ها از جمله تجهیزات مصرفی، صنعتی، کنترل‌های خودرویی و تجهیزات پزشکی غیرحیاتی تبدیل شود.
با این حال، این بردها محدودیت‌هایی هم دارند:
- انتقال حرارت ضعیف: در مدارهایی که قطعات گرمای زیادی تولید می‌کنند، استفاده از FR4 ممکن است منجر به تجمع حرارت و کاهش عمر قطعات شود.
عدم انعطاف‌پذیری: FR4 به‌دلیل ساختار سخت خود، برای طراحی‌هایی که نیاز به خم شدن یا انعطاف دارند، مناسب نیست.
فیبرهای شیشه‌ای مورد استفاده در FR4 در دسته‌ی گسترده‌تری از فیبرهای فایبرگلاس مانند G10، G11، FR5 قرار می‌گیرند که هرکدام با ویژگیهای خاصی برای کاربردهای صنعتی و حرفه‌ای طراحی شده‌اند. به دلیل مقاومت بالا در برابر حرارت و استحکام مکانیکی، بردهای فایبرگلاس اغلب در تجهیزات الکترونیکی حساس و گران‌قیمت مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین چون ارتباط بین پایه‌های قطعات از پشت این برد قابل مشاهده است، مونتاژ و تعمیر آن نسبتاً ساده‌تر انجام می‌شود.
در مجموع، FR4 یک گزینه مطمئن و مقرون‌به‌صرفه برای بسیاری از نیازهای طراحی و ساخت PCB است که تعادلی خوب بین عملکرد، قیمت و دسترسی فراهم می‌کند.
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. بسته به ترکیب مواد، این بردها در انواع مختلفی مانند CEM-1، CEM-3، CEM-4 و CEM-5 طبقه‌بندی می‌شوند که هر کدام ویژگیهای خاصی دارند.
CEM-1
دارای هسته‌ی کاغذی و یک لایه‌ی نازک فایبرگلاس در سطح
مناسب برای بردهای تک‌لایه
دمای Tg حدود 130 درجه سانتی‌گراد
مقرون‌به‌صرفه اما با استحکام و مقاومت پایین در برابر رطوبت
CEM-3
ساختاری شبیه FR4 ولی نرم‌تر و مات‌تر
مناسب برای بردهای دو‌لایه
دمای Tg بین 130 تا 150 درجه سانتی‌گراد
کاربرد در تجهیزات خانگی، بردهای LED و دستگاه‌های مصرفی
CEM-4
کاملاً از الیاف شیشه‌ای و رزین اپوکسی ساخته شده
قابل استفاده در مدارات دو‌لایه و چندلایه
مقاومت بالا در برابر رطوبت، حرارت و تنش مکانیکی
Tg حدود 150 تا 160 درجه سانتی‌گراد
CEM-5
از رزین پلی‌استر و الیاف شیشه‌ای ساخته شده
مقاوم‌ترین نوع CEM با Tg بین 150 تا 180 درجه سانتی‌گراد مناسب برای مدارات صنعتی، بردهای LED، و سیستم‌های مخابراتی
استحکامی نزدیک به FR4 ولی با قیمت پایین‌تر
نکته مهم این است که بردهای CEM معمولاً به نام «برد استخوانی» نیز شناخته می‌شوند، اما باید توجه داشت که این اصطلاح در بازار ایران ممکن است هم برای CEM و هم برای بردهای فنولیک به‌کار رود، در حالی که ساختار آن‌ها متفاوت است.
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 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.
این نوع بردها به‌دلیل قیمت پایین و قابلیت سوراخ‌کاری آسان، انتخاب اول برای مدارات ساده و ارزان‌قیمت هستند و در بازار ایران به نام فیبر استخوانی یا فیبر قهوه‌ای شناخته می‌شوند.
ویژگی های برد فنولیک:
- قیمت بسیار پایین و دسترسی بالا
- لحیم‌پذیری خوب در دماهای پایین
- مناسب برای بردهای تک‌لایه
- دمای انتقال شیشه‌ای نسبتاً پایین (105 تا 130 درجه سانتی‌گراد)
با وجود مزایای اقتصادی، این بردها دارای ضعف در برابر حرارت، رطوبت و تنش مکانیکی هستند. به همین دلیل، برای تجهیزات حساس و مدارهایی با بار کاری بالا توصیه نمی‌شوند. همچنین، اتصال لایه مسی آن‌ها در اثر دمای زیاد ممکن است جدا شود، که تعمیر و لحیم‌کاری مجدد را دشوار می‌کند.
محصول، دما و فرکانس کاری و غیره بستگی دارد
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 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.
برد های راجرز
برد های خیلی نازک و با دی الکتریک بالا میباشند . شرکت راجرز مواد مختلفی با ویژگیهای متنوع برای استانداردهای مختلف ارائه نموده است. ممکن است در یک برد چند لایه، از مواد مختلفی در لایه ها استفاده گردد . از تفاوت های برد راجرز و برد های FR میتوان به قیمت بالای برد های راجرز در ازای تکنولوژی بالاتر آن ها اشاره کرد.
بسته به نیاز و محدودیتهای پیشروی یک طراحی ممکن است نیاز باشد تا از مواد دیگری غیر از FR4 در تولید برد مدار چاپی استفاده شود. به عنوان مثال بردهای RF که فرکانس کاری بالایی دارند، نیازمند استفاده از موادی با ثابت دیالکتریک پایدار برای نمونههای مشابه از یک برد هستند. انتخاب ماده برد به پارامترهایی نظیر هزینه نهایی محصول، طراحی
