برد مدار چاپی یا pcb چیست و چه کاربردی دارد؟

امروزه در دنیایی قرار گرفته ‌ایم که روز به روز شاهد پیشرفت تکنولوژی هستیم و دنیایی الکترونیک یکی از اهرم‌های قدرتمند در این پیشرفت است‌. در صنعت الکترونیک یکی از مواردی که اهمیت بسیار زیادی در پیشرفت تکنولوژی دارد صنعت برد‌های مدار چاپی است‌. برد مدار چاپی یا printed circuit board که به اختصار به آن PCB نیز می‌گویند، یکی از قطعات پرکاربرد و مهم در صنعت الکترونیک است که در تمامی محصولات الکترونیکی کاربرد دارد و در مونتاژ برد الکترونیکی نیز از آن استفاده می‌شود. در ادامه با آوند الکترونیک همراه باشید.

printed circuit board یا برد مدار چاپی چیست‌؟

pcb قطعه‌ای سخت افزاری و غیر رسانا است که معمولا رنگ سبز، نارنجی و آبی دارد و قطعات الکترونیکی مانند خازن، مقاومت، آی سی و… روی آن مونتاژ‌ می‌شوند. این بردها در ضخامت‌های مختلفی تولید می‌شوند که معمولا بین ۰.۲ میلیمتر تا ۳.۲ میلیمتر متغیر هستند و همچنین می‌توانند یک طرفه؛ یعنی یک لایه مس یا به صورت ۲ طرفه و… تولید شوند. با مونتاژ شدن قطعات روی برد‌های مدار چاپی برد‌های الکترونیکی تشکیل می‌شوند‌.

انواع برد مدار چاپی بر اساس مونتاژ قطعات

برد‌های مدار چاپی بر اساس نوع مونتاژ قطعات، نوع انعطاف پذیری و تعداد لایه به دسته‌های مختلفی تقسیم بندی می‌شوند که هر کدام کاربرد و ویژگی خاص خود را دارند. در ادامه با این دسته بندی‌ها و کاربرد هرکدام بیشتر آشنا می‌شویم. قطعات بر روی برد های PCB به ۲ صورت نصب سطحی و نصب حفره‌ای مونتاژ می‌شوند‌، هر یک از این روش‌ها دارای خصوصیاتی است که بسته به محل کاربرد برد‌ها و میزان ولتاژ ورودی به آن‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مقایسه برد‌های مدار چاپی بر اساس تعداد لایه و نصب قطعات

۱- برد نصب سطحی

در برد مدار چاپی نصب سطحی روی سطح برد‌ها حفره زده نمی‌شود و قطعات نیاز به پایه‌های بلند برای عبور از حفره‌های برد ندارند‌. قطعاتی که در برد pcb نصب سطحی استفاده می‌شوند معمولا دارای پایه‌های کوتاه و یا بدون پایه هستند که روی سطح برد لحیم می‌شوند. به برد‌هایی که به صورت نصب سطحی مونتاژ می‌شوند برد‌هی SMD می‌گویند‌. مونتاژ برد SMD از حساسیت بالایی برخوردار است و برای تیراژ‌های بالای این برد بهتر است از مونتاژ اتوماتیک استفاده شود‌. از فناوری نصب سطحی برای برد‌هایی استفاده می‌شود که تراکم بالایی دارند و قطعات پیچیده‌تری همچون IC‌ها در آن‌ها به کار می‌روند‌.

مزایای برد های نصب سطحی

1. نصب آسان‌تر
2. صرفه جویی در هزینه‌ی تمام شده برای برد
3. کاهش فضای برد در محصول الکترونیکی
4. امکان قطع اتصال ساده‌تر و رفع مشکل برد

۲- برد نصب حفره دار

برد‌های حفره‌دار دارای حفره‌هایی هستند که پایه‌ی قطعات الکترونیکی بر اساس قطب مثبت و منفی از این حفره ها عبور می‌کند. لحیم کاری این نوع نصب در قسمت پشت برد مدار چاپی انجام می‌شود که در حال حاضر رایج‌ترین روش نصب قطعات بر روی برد‌های الکترونیکی به صورت حفره‌دار است که بیشتر در برد‌های تک لایه استفاده می‌شود. به این فناوری به اختصار THT می‌گویند و به فرآیند مونتاژ این برد‌ها مونتاژ برد DIP می‌گویند‌.

pcb‌های نصب حفره‌ای

مزایای برد‌های نصب حفره دار

1. نصب قابل اطمینان‌تر
2. امکان تولید برد‌هایی با توانایی تحمل ولتاژ‌های بیشتر
3. امکان قلع کاری راحت‌تر

انواع pcb بر اساس تعداد لایه

تعداد لایه‌های برد‌های PCB بسته به کاربرد آنها و همچنین محدودیت فضایی که قرار است برد در آن استفاده شود متفاوت است. در حال حاضر امکان تولید برد مدار چاپی با بیش از ۱۰ لایه هم در جهان وجود دارد که برای مقاصد بسیار خاص و پیشرفته ار آنها استفاده می‌شود. تعداد لایه‌های برد ارتباط مستقیمی با هزینه‌ی تمام شده‌ی آن‌ها دارد و هر‌چه تعداد لایه‌های برد بیشتر باشد هزینه‌ی ساخت آن نیز افزایش می‌یابد‌. در ادامه با انواع برد مدار چاپی بر‌اساس تعداد لایه بیشتر آشنا می‌شویم‌.

مقایسه برد‌های مدار چاپی چند‌لایه

۱- PCB تک لایه (یک رو)

ساده‌ترین نوع برد‌های pcb برد‌های یک لایه‌اند (‌یک طرف رسانا‌)‌. این نوع برد‌ها دارای یک لایه‌ی رسانا هستند (‌معمولا از جنس مس‌) و یک لایه‌ی رسانای دیگر (‌معمولا از جنس لحیم‌) که برای جلوگیری از زنگ زدگی روی آن را می‌پوشانند. لایه‌ی بعدی همانند بقیه‌ی برد‌ها از متریال غیر رسانا تشکیل می‌شود. همچنین این نوع برد ارزان‌ترین برد مدار چاپی به حساب می‌آید. برد‌های تک لایه به علت سادگی بیشترین کاربرد را دارند و در محصولاتی مانند ماشین حساب‌ها استفاده می‌شوند.

۲- PCB دو لایه

برد‌های دو رو مانند برد‌های تک لایه هستند با این تفاوت که در ۲ طرف این برد‌ها مواد رسانا و ضد‌ زنگ کار می‌شود‌. همین موضوع باعث میشود که بتوان در هر ۲ طرف برد از قطعات الکترونیکی استفاده کرد؛ ۲ طرف این نوع از برد‌ها به وسیله‌ی حفره‌هایی که با اسم Via آنها را می‌شناسیم به هم متصل و می‌شوند و قطعات ۲ طرف برد را به یکدیگر مرتبط می‌کنند.

مقایسه برد مدار چاپی تک لایه با برد دو لایه

۳- PC‌‌B چند لایه

این نوع برد‌ها دارای حداقل سه لایه‌ی رسانای مسی هستند و قطعات می‌توانند حتی در لایه‌ی میانی نیز مورد استفاده قرار بگیرند. هزینه‌ی ساخت برد‌های چند لایه بسیار بالاست و فقط در تکنولوژی‌های پیشرفته که دارای فضای کم و تراکم قطعات بالا هستند مورد استفاده قرار می‌گیرد مثل: تجهیزات پزشکی ، هارد درایو‌ها و تجهیزات ماهواره‌ای و…

انواع pcb بر اساس انعطاف پذیری (نوع فیبر)

پس از اختراع برد‌های مدار چاپی و استفاده‌ی گسترده از این نوع برد همچنان محدودیت‌هایی برای استفاده از آنها وجود داشت‌، از این رو دانشمندان برای مصارف خاص شروع به ساخت برد‌هایی با قابلیت انعطاف‌پذیری بالا کردند که بتواند محدودیت‌های استفاده از این نوع برد ها را از بین ببرد. pcb‌ها را از نظر قابلیت انعطاف پذیری و جنس فیبر استفاده شده در آنها به ۳ دسته‌ی تقسیم می‌شوند که با توجه به کاربرد برد از انواع مختلف این برد‌ها استفاده می‌شود‌. در ادامه با انواع مختلف برد‌های مدار چاپی که بر‌اساس انعطاف پذیری تقسیم بندی می‌شوند بیشتر آشنا خواهیم شد‌.

۱- برد PCB جامد و سخت

این برد‌ها همان برد‌هایی هستند که ما معمولا در قطعات مختلف برقی و یا الکترونیکی با آنها سر و کار داریم. شکل این برد‌ها پس از ساخت قابل تغییر نیست و ویژگی آنها دوام و طول عمر بالاییست که این برد‌ها دارند ، برای همین در قطعاتی همانند هارد درایو ، سی پی یو ها و کارت‌های گرافیک کاربرد دارند.

۲- برد PCB منعطف

این نوع برد که به آن برد مدار چاپی قابل تغییر هم می‌گویند غالباً به صورت دو لایه و چند لایه تولید می‌شود. تولید این برد‌ها نیازمند تکنولوژی‌ها پیشرفته می‌باشد و هزینه‌ی ساخت آنها نسبت به برد‌های سخت بالاتر است. برد‌های انعطاف‌پذیر دارای یک لایه ی پلیمری منعطف و غیر رسانا هستند که نقش همان لایه‌ی فیبر در برد‌های سخت را ایفا می‌کند.

pcb های منعطف قابلیت انعطاف پذیری زیادی دارند و همین موضوع باعث می‌شود برای کاربرد‌هایی مثل وسایل نقلیه، کامپیوتر‌ها، تلفن‌های هوشمند و… مناسب باشند.

برد مدار چاپی انعطاف‌پذیر

۳- برد PCB جامد و انعطاف پذیر (منعطف سخت)

پر اهمیت‌ترین و همچنین پیچیده‌ترین برد‌ها بر اساس نوع فیبر برد‌های منعطف سخت هستند که ترکیبی از برد‌های منعطف و برد‌های سخت اند؛ به طوری‌که قسمتی از برد سخت و قسمت دیگری از برد به صورت منعطف ساخته می‌شود. ساخت این نوع pcb نیازمند تکنولوژی بسیار پیشرفته‌ای است و هزینه‌ی ساخت برد‌های منعطف سخت بسیار بالا است‌. معمولا از برد مدار چاپی منعطف سخت برای صنایع نظامی، دوربین‌های دیجیتال و صنایع رباتیک استفاده می‌شود.

pcb منعطف سخت

۴- برد PCB آلومینیومی

برد‌های آلومینیومی معمولا به صورت یک لایه تولید می‌شوند، فیبر این برد‌ها همان آلومینیوم است و بیشترین کاربرد آنها در صنایع روشنایی است.

بردهای مدار چاپی چگونه طراحی می‌شوند؟

طراحی برد‌های مدار چاپی با نرم افزار‌های طراحی برد انجام می‌شود‌. معروف‌ترین نرم افزار برای طراحی برد‌های الکترونیکی آلتیوم دیزاینر (Altium Designer) است‌. نرم افزار‌هایی که برای طراحی برد‌های الکترونیکی از آن‌ها استفاده می‌شود معمولا از استانداردهای مربوط به برد‌های الکترونیکی مانند استاندارد IPC پشتیبانی می‌کنند. در طراحی بردها مواردی مانند ترتیب مدار و محل قرارگیری هر کدام از قطعات الکترونیکی و تقدم و تاخر آن‌ها در گرفتن جریان از منبع تغذیه مشخص می‌شود.

pcb چه کاربردی در صنعت الکترونیک دارد؟

pcbها دارای سیم کشی‌های مسی در شیارها هستند که قطعات مونتاژ شده روی برد را به همدیگر متصل می‌کند، همین موضوع باعث می‌شود که مانند گذشته درگیر اتصالات سیمی پیچیده نباشیم. قطعات مونتاژ شده روی برد‌های مدار چاپی از داخل برد به یکدیگر متصل هستند و این موضوع هم باعث کم شدن اشتباهات رایج سیم کشی و هم به علت در دسترس نبودن سیم‌ها، مشکل قطع شدن اتصالات را برطرف می‌کند. در برد‌های پیشرفته بعضی از قطعات الکترونیکی در بین لایه‌های مختلف برد جاسازی می‌شوند به این نوع از برد‌ها چند‌لایه می‌گویند که پیش‌تر با آن‌ها آشنا شدیم و ویژگی‌های آن‌ها را شناختیم‌.

از برد مدار چاپی در تمامی محصولات الکترونیکی، چه ساده و چه پیشرفته استفاده می شود و بسته به ماهیت و کارآیی محصول مورد نظر قطعات الکترونیکی مختلفی روی آن مونتاژ می‌شود. در اصل وظیفه‌ی پردازش اطلاعات و همچنین کنترل جریان‌های الکترونیکی در محصولات الکترونیکی بر‌عهده‌ی برد‌های الکترونیکی محصول است‌.

اجزای مختلف برد مدار چاپی

برد مدار چاپی یا PCB از اجزای مختلفی تشکیل شده است که در ادامه با اسامی و کاربردهای هر‌کدام آشنا می‌شویم. به این نکته توجه کنید که اجزای زیر مربوط به برد‌های تک لایه و ساده هستند و برای برد‌های چند لایه تعداد آنها افزایش می‌یابد.

1. pad: صفحه ای مسی است که قطعات برای آنکه ثابت بمانند روی آن لحیم می‌شوند.
2. trace: همانطور که میدانید در برد‌های الکترونیکی قطعات به وسیله ی سیم به هم متصل نمی‌شوند؛ بلکه به وسیله‌ی مسیر های مسی که در برد قرار دارد به هم متصل می‌شوند و الکترون بین قطعات از طریق trace ها جا‌به‌جا می‌شود.
3. silk layer: این لایه همان لایه ایست که محل قرار گیری‌ها و قطب‌ها را روی برد نمایش می‌دهد و معمولا به رنگ سفید و از جنس جوهر اپوکسی است.
4. top & bottom layer: این لایه‌ی سبز رنگ همان قسمتی است که معمولا قطعات روی آن نصب می‌گردند. قسمت بالایی (top layer) محل قرار گیری قطعات است. در برد های دولایه قسمت پایینی (bottom layer) هم استفاده می‌شود که محل قرارگیری قطعات سمت دیگر برد است.
5. solder mask: این لایه در بعضی از برد‌ها به منظور اتصال پیدا نکردن احتمالی قطعات به لایه‌های رسانای برد بر روی top layer قرار می‌گیرد.

کنترل کیفی برد مدار چاپی

برد‌های مدار چاپی بعد از ساخت مانند هر محصول دیگری نیاز دارند از نظر کیفی بررسی شوند‌. بررسی برد‌های مدار چاپی به وسیله‌ی دستگاهی به نام بازرسی خودکار نوری انجام می‌شود‌. فرآیند بازرسی خودکار نوری‌، pcb را با فایل طراحی شده مطابقت می‌دهد و مطمئن می‌شود برد به درستی ساخته شده است و کارآیی خوبی دارد‌. کنترل کیفی PCB‌ها بسیار اهمیت دارد زیرا ممکن است برد مدار چاپی مطابق فایل نباشد و همین موضوع کارآیی محصول نهایی را دچار مشکل کند‌.

تاریخچه‌ی برد مدار چاپی

PCB در سال ۱۹۰۳ توسط دانشمند و مخترع آلمانی آلبرت هانسون اختراع شد. این دانشمند با استفاده از یک ورقه‌ی رسانا که توسط ۲ لایه‌ی غیر رسانا در بالا و پایین برد محافظت می‌شد‌، اولین برد مدار چاپی را اختراع کرد‌. هانسون برای مونتاژ قطعات الکترونیکی روی برد روشی را اختراع کرد به نام through hole‌، این روش امروزه یکی از رایج‌ترین روش‌های مونتاژ قطعات روی برد است‌. برد‌هایی که با روش through hole ساخته می‌شوند برد‌های DIP نام دارند‌. در دنیای الان بسیاری از برد‌های الکترونیکی به این روش ساخته و مونتاژ می‌شوند‌.

از برد مدار چاپی تا سال‌ها استفاده‌ی کاربردی نمی‌شد و محصولات بدون PCB‌ها به صورت خیلی ابتدایی تولید می‌شدند‌. در سال ۱۹۲۵ اولین استفاده از برد الکترونیکی انجام شد که برد‌های استفاده شده در این سال PCB نبودند‌. این برد‌ها با تکنولوژی‌ای کار می‌کردند که جوهر رسانا را به یک سطح غیر رسانا اضافه می‌کرد و باعث انتقال جریان برق می‌شد‌. اولین استفاده از برد مدار چاپی در جریان جنگ جهانی دوم و برای وسیله‌ای به نام فیوز مجاورتی انجام شد‌.

در سال ۱۹۴۳ فردی به نام آیزلر با چسباندن یک لایه‌ی مس روی یک سطح غیر رسانا‌ی شیشه‌ای بردی اختراع کرد‌. روشی که آیزلر برای اختراع برد استفاده کرد هنوز هم برای ساخت برد مدار چاپی مورد استفاده قرار می‌گیرد‌. آیزلر توانست با این اختراع اولین رادیو‌ی جهان را تولید کند که خود قدمی بسیار بزرگ رو به جلو بود‌.‌تا سال ۱۹۴۳ و حتی چند سال بعد‌تر از آن ما شاهد استفاده از PCB در وسایل روزمره نبودیم‌، حتی اولین تلویزیون‌ها هم با وجود اینکه تمامی قطعات الکترونیکی را دارا بودند اما از سیم‌کشی برای ارتباط قطعات با یکدیگر استفاده می‌کردند‌.

در سال ۱۹۴۷ با وجود اینکه استفاده از PCB عملا در هیچکدام از محصولات الکترونیکی اتفاق نمی‌افتاد ترانزیستور‌ها اختراع شدند‌. با اختراع ترانزیستور‌ها و نیاز آن‌ها به ارتباط با سایر قطعات الکترونیکی سر‌انجام در سال ۱۹۵۳ پای برد مدار چاپی به محصولات الکترونیکی باز شد‌. شرکت هازلین در سال ۱۹۶۳ نیز با انجام تغییراتی روی روش through hole توانست این روش را بسیار کاربردی‌تر کند در حدی که بتوان از این روش برای تولید محصولات و برد‌ها استفاده کرد‌.

تکنولوژی SMT پا به عرصه وجود گذاشت

با گذشت زمان و پیشرفت صنعت الکترونیک و پیچیده شدن محصولات برد‌های الکترونیکی نیاز به کوچک‌تر شدن پیدا کردند‌. بنابراین صنعت برد‌های مدار چاپی به عنوان بستر رشد و بهینه‌سازی محصولات الکترونیک نیاز به پیشرفت پیدا کردند‌. این نیاز به پیشرفت در سال ۱۹۶۳ با معرفی تکنولوژی‌ای به نام SMT یا همان تکنولوژی نصب سطحی توسط شرکت IBM انجام شد و صنعت برد مدار چاپی دچار انقلابی عظیم شد‌. این تکنولوژی همان تکنولوژی ساخت برد‌های SMD است که امروزه در بسیاری از وسایل الکترونیکی مثل تلویزیون و گوشی‌های موبایل مورد استفاده قرار می‌گیرد‌.

به جز تکنولوژی SMT باز هم نیاز بود تا برد‌های الکترونیکی بتوانند کار‌هایی با پیچیدگی‌های بیشتری انجام دهند‌. توانایی پردازش برد‌های الکترونیکی با اختراع IC یا مدار‌های مجتمع به سرعت افزایش یافت‌. این قطعات در دهه‌ی ۷۰ میلادی در بسیاری از محصولات الکترونیکی استفاده شدند و صنعت محصولات الکترونیکی متحول شد‌. در دهه‌ی ۹۰ میلادی (عصر اینترنت) پکیج BGA پا به عرصه‌ی وجود گذاشت‌. BGA‌ها بسیار در کوچک‌سازی برد‌های الکترونیکی و پیشرفت‌های پردازشی محصولات نقش داشتند‌.

برد مدار چاپی‌؛ مغز متفکر محصولات الکترونیکی

برد‌های الکترونیکی به خصوص PCB‌ها به صورت‌ها و ویژگی‌های گوناگونی در تمامی قطعات الکترونیکی کاربرد دارند و بخش زیادی از زندگی روزمره‌ی ما را تحت تاثیر قرار می‌دهند. امیدواریم بعد از این مقاله بیشتر با کاربرد، انواع و اجزای برد‌های مدار چاپی آشنا شده باشید. ما در آوند الکترونیک با ارائه‌ی خدماتی همچون طراحی برد الکترونیکی و همچنین مونتاژ برد‌های الکترونیکی مفتخریم که توانسته‌ایم شما را تا انتهای این مقاله با خود همراه کنیم و در کنار هم اطلاعات بیشتری درباره‌ی برد‌های مدار چاپی به دست آوریم.