برد مدار چاپی – آموزش طراحی و ساخت PCB

یکی از مفاهیم کلیدی در الکترونیک برد مدار چاپی یا به اختصار PCB می‌باشد. این مفهوم آنقدر پایه‌ای است که مردم اغلب فراموش می‌کنند توضیح دهند PCB چیست. این آموزش بخش‌های تشکیل دهنده PCB و بعضی از اصطلاحات رایج در دنیای PCB را شرح می‌دهد.

در ادامه مطلب به بررسی اجزای تشکیل‌دهنده PCB، بعضی از اصطلاحات در این زمینه، روش‌های ساخت، و روند طراحی یک PCB می‌پردازیم. سعی میکنیم به طراحی برد مدار چاپی ،  سفارش برد مدار چاپی  و تولید برد مدار چاپی هم بپردازیم.

برد مدار چاپی یا PCB چیست؟

برد مدار چاپی رایج‌ترین نام است اما ممکن است  “برد سیم‌کشی چاپی” یا کارت سیم‌کشی چاپی” نیز به گوشتان خورده باشد. قبل از ظهور PCBها مدارات از طریق فرایند طاقت فرسای سیم‌کشی نقطه به نقطه ساخته می‌شدند. این امر منجر به خرابی‌های متعدد در محل اتصال سیم‌ها و اتصال کوتاه به دلیل از بین رفتن عایق سیم‌ها بر اثر پوسیدگی می‌شد.

یک پیشرفت مهم توسعه‌ی وایر رپ بود، که در آن یک سیم نازک در هر نقطه اتصال به دور یک میله پیچیده می‌شودو یک اتصال محکم که بسیار مقاوم و به سادگی قابل تغییر است را به وجود می‌آورد.

PCB مخفف Printed Circuit Board می‌باشد و یک برد است که نقاط مختلف را با خط‌ها و پدها به همدیگر متصل می‌کند. در تصویر بالا ترک‌هایی وجود دارند که کانکتورها و قطعات را به طور الکتریکی به یکدیگر متصل می‌کنند. یک PCB این امکان را فراهم می‌کند که سیگنال‌ها و انرژی بین قطعات فیزیکی مسیرکشی شوند. لحیم فلزی است که ارتباط الکتریکی بین سطح PCB و قطعات الکترونیکی را برقرار می‌کند. به دلیل فلز بودن، لحیم نقش یک پیوند مکانیکی محکم را نیز بازی می‌کند.

اجزای تشکیل دهنده PCB

PCB تا حدی مانند یک کیک لایه‌ای یا لازانیا است – لایه‌های متعددی از مواد مختلف در آن وجود دارند که با چسب و گرما، طوری به یکدیگر لمینت شده‌اند که محصول نهایی یک شی واحد است.

اکنون از وسط شروع می‌کنیم و به سمت بیرون حرکت می‌کنیم.

لایه FR4

ماده پایه یا زیرلایه، معمولا فیبر شیشه است. به طور تاریخی رایج‌ترین ماده برای این فیبرشیشه “FR4” می‌باشد. این هسته محکم به برد مدار چاپی آن استقامت و ضخامت را می‌دهد. همچنین برد مدار چاپی های انعطاف‌پذیر نیز وجود دارند که روی پلاستیک دمابالای انعطاف‌پذیر (کپتون یا مواد معادل) ساخته می‌شوند.

انواع زیادی از PCBها با ضخامت‌های مختلف وجود دارند؛ رایج‌ترین ضخامت برای محصولات  (”1.6mm (0.063 می‌باشد.  بردهای لیلی پد و بردهای آردوینو  – از بردهای با ضخامت 0.8mm استفاده می‌کنند.

برد سوراخ‌ دار

PCBهای ارزانتر و برد های سوراخ‌ دار (تصویر بالا) با دیگر مواد مانند اپوکسی ها یا فنولیک‌ها ساخته می‌شوند که استقامت FR4 را ندارند اما بسیار ارزانتر می‌باشند. هنگامی متوجه می‌شویدکه با این نوع از PCB کار می‌کنید که چیزی را روی آن لحیم کنید – این بردهای بوی نامطبوع خاصی دارند. این  نوع از زیرلایه‌ها معمولا در لوازم الکترونیکی کم کیفیت نیز یافت می‌شوند. فنولیک‌ها دمای تجزیه‌ی گرمایی پایینی دارند که باعث می‌شود هنگامی که هویه برای مدت طولانی رو آن‌ها نگه داشته می‌شود، ورقه ورقه شده ، دود کنند و سیاه شوند.

لایه مسی برد مدار چاپی

لایه بعدی یک فویل نازک مسی است، که با گرما و چسب روی برد قرارگرفته است. در PCBهای دولایه رایج، مس در هر دو طرف لایه میانی قراردارد. در ابزارهای الکترونیکی ارزانتر ممکن است PCB فقط دارای یک لایه مسی در یک طرف برد باشد. هنگامی که ما از یک PCB دولایه یا دورو نام می‌بریم منظور تعداد لایه‌های مس در لازانیایی که داریم است. این تعداد می‌تواند از یک لایه تا 32 لایه یا بیشتر نیز متغییر باشد. برای اطلاعات بیشتر در مورد بردهای با تعداد لایه بیشتر و حساسیت طراحی آنها مقاله طراحی بردهای فرکانس بالا را بخوانید.

PCBبا مس در معرض هوا، بدون سولدر ماسک یا سیلک اسکرین

ضخامت لایه مسی می تواند مقادیر محتلفی باشد و با وزن مشخص می‌شود، با واحد اونس در فوت مربع. بیشتر PCBها 1 اونس مس به ازای هر فوت مربع دارند اما بعضی از PCBها که جریان‌های زیادی از آن‌ها عبور می‌کند تا 2 یا 3 اونس مس نیز دارند. هر اونس به ازای فوت مربع برابر است با 35میکرومتر یا 1.4هزارم اینچ ضخامت لایه مس.

سولدر ماسک

لایه رویی فویل مسی لایه سولدر ماسک نام دارد. این لایه به PCB رنگ سبز می‌دهد(یا قرمز ، سفید ، سیاه و بزودی در رنگ دلخواه 🙂 ). این لایه روی لایه مسی چاپ می‌شود تا ترک‌های مسی را از تماس اتفاقی با دیگر فلزات، لحیم ، یا ذرات رسانا محافظت کند. این لایه همچنین به کاربر کمک می‌کند تا نقاط صحیح را لحیم کند و از به هم چسبیدگی لحیم جلوگیری کند.

در مثال زیر، سولدر ماسک سبز در اکثر نقاط PCB اعمال شده است ، که ترک‌های ریز را پوشانده اما حلقه‌های نقره‌ای و پدهای SMD بیرون مانده‌اند تا بتوانند لحیم شوند.

سولدر ماسک معمولا به رنگ سبز است اما تقریبا به هر رنگی ممکن است.

سیلک اسکرین

لایه سفید رنگ سیلک اسکرین روی لایه سولدرماسک چاپ می‌شود. این لایه حروف، اعداد، و نمادها را به PCB اضافه می‌کند که به نصب آسانتر قطعات و خوانایی بیشتر برد برای فهم آن کمک می‌کند.معمولا از سیلک اسکرین برای نمایش عملکرد هرپایه یا LED استفاده می‌شود.

رنگ سیلک اسکرین معمولا سفید است اما هررنگی قابل استفاده است . رنگ‌های مشکی، طوسی، قرمز، و حتی زرد نیز به گسترده استفاده می‌شوند. اما معمولا بیشتر از یک رنگ برای یک برد به کار نمی‌رود.

اصطلاحات رایج در PCB

اکنون که در مورد ساختار PCB اطلاعاتی پیدا کرده‌اید، به اصطلاحاتی در مورد PCB که ممکن است به آن‌ها برخورد کنید می‌پردازیم:

• حلقه دایره‌ای – حلقه‌ای از مس که یک سوراخ آبکاری شده وایا را در بر می‌گیرد.

نمونه‌هایی از حلقه‌های دایره‌ای

• DRC – design rule check یا بررسی قوانین طراحی. یک بررسی نرم‌افزاری از طراحی شما برای اطمینان از این که خطاهایی مانند ترک‌های روی هم افتاده، ترک‌های بیش از حد نازک، یا سوراخ دریل‌های خیلی کوچک در آن وجود نداشته باشند.
• محل دریل‌کاری برد مدار چاپی – قسمت‌هایی از برد که باید با دریل سوراخ شوند. سوراخ‌کاری های بی‌دقت به دلیل کند بودن مته‌ها یکی از مشکلات رایج در تولید PCB است.

سوراخ‌های نه خیلی دقیق، اما قابل استفاده

• Finger – پدهای فلزی بدون پوشش در راستای کناره‌ی برد، برای ایجاد ارتباط بین دو برد. برای مثال کناره‌های بردهای توسعه یا حافظه کامپیوتر یا بازی‌های ویدیویی قدیمی کارتریج دار.
• Mouse Bites – جایگزین v-score برای جدا کردن بردها از پنل. تعدادی زیادی سوراخ دریل که به صورت خوشه‌ای نزدیک به هم قرار گرفته‌اند و یک ناحیه ضعیف را ایجاد می‌کنند که برد می‌تواند بعد از تولید از آنجا شکسته شود. 

Mouse biteها به برد  امکان جدا شدن آسان PCB را می‌دهند.

• پد – قسمتی از فلز بدون پوشش روی سطح برد که قطعه به آن لحیم می‌شود.

پدهای  PTH plated through-hole

 پدهای SMD surface mount device

• پنل – یک برد بزرگ متشکل از تعداد زیادی برد کوچکتر که قبل از استفاده از پنل شکسته و جدا می‌شوند. ابزارآلات حمل اتوماتیک بردها معمولا با بردهای کوچک مشکل دارند و همچنین به دلیل اینکه با جمع آوری چندین برد در یک محل سرعت انجام کار به طرز قابل توجهی بالا می‌رود بردهای کوچک‌تر را روی پنل قرار می‌دهند.
• شابلون خمیر – یک شابلون نازک فلزی(یا گاهی پلاستیکی)، که روی برد قرار می‌گیرد و اجازه می‌دهد خمیر قلع در طی فرایند ساخت در محل‌های مشخصی اعمال شود.

آقای Abe در فیلم بالا خیلی سریع نشان می‌دهد که چگونه از یک شابلون خمیر برای اعمال خمیر قلع استفاده کنیم.

• Pick-and-place ماشین یا فرایندی که قطعات را روی برد قرار می‌دهد.

در فیلم بالا آقای Bob ماشین Pick and Place شرکت SparkFun به نام MyData را به ما نشان می‌دهد. شگفت‌انگیز است!

• پلیگان – یک بلوک پیوسته از مس در یک برد مدار چاپی که به جای مسیر با مرز مشخص می‌شود. همچنین به “pour” نیز معروف است.

قسمت‌های مختلفی از PCB که ترک ندارند اما به جای آن دارای پلیگان زمین هستند. اگر علاقمند بودید مطلب ابزار پلیگان آلتیوم (Polygon) در طراحی PCB را بخوانید.

• Plated through hole – یک سوراخ روی برد که دارای یک حلقه دایره‌ای است و دارای آبکاری در سرتاسر سوراخی که دو طرف برد را به هم وصل می‌کند می‌باشد. می‌تواند به عنوان یک نقطه اتصال برای یک قطعه THD، یک وایا برای عبور سیگنال، یا یک سوراخ برای نصب به کار رود.

یک مقاومت DIP درون یک PCB ، آماده برای لحیم‌کاری. پایه‌های مقاومت وارد سوراخ‌ها شده اند. این سوراخ‌های آبکاری شده می‌توانند دارای ترک هایی متصل به آن‌ها در رو یا پشت PCB باشند.

• Pogo pin – اتصال دهنده فنردار که برای اتصال موقت برای کاربردهای تست یا پروگرام کردن به کار می‌رود.

پوگو پین معروف با نوک تیز.

• Reflow – ذوب کردن قلع برای ایجاد اتصال بین پدها و پایه‌های قطعات.
• سیلک اسکرین – حروف، عاداد، نمادها، و تصاویر روی یک برد. معمولا برای آن تنها از یک رنگ استفاده می‌شود و وضوح آن نیز بسیار کم است.

سیلک اسکرین این  LED را به نام PWR مشخص می‌کند.

• شکاف(slot) – هر سوراخی که گرد نباشد. شکاف‌ها ممکن است آبکاری شده(متالیزه) نیز باشند. شکاف‌ها به قیمت برد اضافه می‌کنند زیرا نیاز به وقت بیشتری برای بریده شدن دارند.

شکاف‌های پیچیده در برد در این عکس تعداد زیادی mouse bites نیز دیده می‌شود. توجه کنید که گوشه‌های شکاف‌ها نمی‌توانند کاملا مربع بریده شوند زیرا برای برش آن‌ها از یک مته گرد استفاده می‌شود.

• خمیر قلع – گلوله‌های ریز قلع که در یک ماده حامل ژله‌ای نگه داشته شده‌اند، و به کمک استنسیل خمیر، قبل از جایگذاری قطعات به پدهای نصب سطحی PCB اعمال می‌شوند. در طی فرایند reflow، لحیم درون خمیر آب شده و بین پدها و قطعات الکترونیکی ارتباط الکتریکی و مکانیکی ایجاد می‌کند.

خمیر قلع روی یک PCB قبل از جایگذاری قطعات.

• حمام قلع – وسیله‌ای برای لحیم‌کاری سریع بردهای دارای قطعات THC به صورت دستی. معمولا شامل مقداری لحیم ذوب شده است که برد خیلی سریع در آن فرو برده می‌شود و باعث ایجاد اتصال با لحیم در تمامی پدها می‌شود.
• سولدر ماسک – یک لایه ماده محافظ که روی فلز قرار می‌گیرد تا از اتصال‌کوتاه، خوردگی، و دیگر مشکلات محافظت کند. معمولا به رنگ سبز است، البته در رنگ‌های دیگر نیز وجود دارد( Arduino آبی، Apple مشکی). به آن لایه “resist” نیز می‌گویند.

• جامپر لحیمی – یک کره کوچک از قلع که دو پایه مجاور یک قطعه یا برد را به هم وصل می‌کند. بسته به طراحی، یک جامپر لحیمی می‌تواند برای اتصال دو پد یا پایه به کار رود. همچنین می‌تواند باعث اتصال کوتاه‌های ناخواسته شود.
• نصب سطحی – شیوه ساختی که اجازه می‌دهد قطعات روی برد قرار بگیرند و نیازی به عبور پایه‌های آن‌ها از سوراخ‌های برد نباشد. این شیوه رایج ساخت امروزه است، و امکان چینش سریع و راحت قطعات را فراهم می‌کند.
• Thermal – ترکی کوچک که برای اتصال یک پد به یک پلیگان استفاده می‌شود. اگر پد از نظر گرمایی از صفحه پلیگان جدا نباشد، رساندن دمای آن به یک مقدار مناسب برای ایجاد یک اتصال لحیم خوب سخت می‌شود. در این حالت هنگام لحیم کاری پد حالت “چسبناک” پیدا می‌کند، و زمان بیش از حد زیادی برای آب شدن لحیم می‌گیرد.

در سمت چپ: یک پد با دو ترک کوچک(ترمال) که پین را به صفحه‌ی زمین متصل می‌کنند. در سمت راست: یک وایا بدون ترمال که به طور کامل به صفحه‌ی زمین متصل شده است.

• Thieving – سطوح هاشور، خطوط شبکه‌ای، یا نقطه‌های مسی باقی مانده در قسمت‌هایی از برد که هیچ ترک یا پلیگانی وجود ندارد. این مورد کار اسیدکاری را آسان‌تر می‌کند زیرا زمان کمتری برای حل کردن مس‌های اضافی گرفته می‌شود.
• Trace – یک مسیر پیوسته مسی روی برد مدار چاپی

یک ترک کوچک که پد Reset را به جایی دیگر از برد متصل کرده است. یک ترک ضخیم‌تر که به پین تغذیه 5ولت متصل شده است.

• V-score – یک برش سطحی در برد که اجازه می‌دهد در امتداد یک خط به راحتی بشکند و جدا شود.
• Via – یک سوراخ در برد که برای عبور سیگنال از یک لایه به لایه دیگر استفاده می‌شود. وایا‌های پوشش دار توسط یک لایه سولدرماسک پوشیده شده‌اند تا از لحیم کردن چیزی به آن‌ها جلوگیری شود. وایاهایی که قرار است قطعات یا کانکتورها به آن‌ها متصل شوند اغلب بدون پوشش هستند تا به راحتی قابل لحیم کردن باشند.

نمایش یک وایای پوشش دار در جلو و پشت همان PCB. این وایا سیگنال را از جلوی PCB، از میان برد، به قسمت پشتی می‌برد.

• Wave solder – یک روش لحیم کاری برای بردهای دارای قطعات THD که در آن برد از روی یک موج ایستای لحیم ذوب شده عبور داده می‌شود، که به پدهای بدون پوشش و پایه‌های قطعات می‌چسبد.

منابع و مطالعه بیشتر

PCBها تازه بخش ابتدایی کار هستند! اکنون به شما پیشنهاد می‌کنیم مطالب زیر را نیز مطالعه کنید:

• لحیم کاری
• آموزش Altium Designer
• چگونگی خواندن شماتیک
• نحوه نصب و راه‌اندازی برنامه PCB Eagle
• آموزش طراحی بردهای فرکانس بالا + دانلود کتاب

Source: SparkFun

اگر مایل بودید تا PCBهای ساخت خودتان را با دنیا به اشتراک بگذارید،  آموزش استفاده از GitHub را نیز بررسی کنید. در مورد نحوه چاپ PCB در خانه هم مطالب ارزشمندی روی وبسایت موجود است که مطالعه آن میتواند دید خوبی را به شما بده و خودتان در خونه برد چاپ کنید.

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.