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.

برد مدار چاپی - PCB

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.

منابع پیشنهادی برای اطلاعات بیشتر

قبل از مطالعه ادامه مطلب بهتر است بعضی از مفاهیم که از آن‌ها در این آموزش استفاده می‌کنیم را بررسی کنید:

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.

برد مدار چاپی یا PCB

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.

برد مدار چاپی یا PCB

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.

برد مدار چاپی یا PCB

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.

لایه های PCB

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.

مطلب پیشنهادی:  آموزش Altium Designer جلسه دهم : لایه های برد مدار چاپی(1)

لایه مس برد مدار چاپی

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 PCB

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.

سیلک اسکرین برد مدار چاپی

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.

برد مدار چاپی برد مدار چاپی

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.

دریل‌کاری برد مدار چاپی

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. 

سوراخ برد مدار چاپی

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.

پد PCB

پدهای  PTH plated through-hole

پد PCB

 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.
مطلب پیشنهادی:  با PCB چیا میشه ساخت !

پلیگان برد مدار چاپی

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.

Plated through hole PCB

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.

Pogo pin مدار چاپی

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 برد مدار چاپی

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.

شکاف اسلات pcb

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.

برد مدار چاپی - PCB

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.

سولدر ماسک

  • 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.

برد مدار چاپی

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

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.
مطلب پیشنهادی:  طراحی PCB در محیط ARES

برد مدار چاپی via برد مدار چاپی via

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.

طراحی برد مدار چاپی

نظرتان در مورد طراحی PCB خودتان چیست؟ زیر و بم طراحی PCB بسیار عمیق‌تر از این است که در این آموزش بگنجد، اما اگر واقعا می‌خواهید شروع کنید، چند نکته زیر را مطالعه کنید:

  1. یک نرم افزار طراحی PCB یا برنامه CAD پیدا کنید: تعداد زیادی گزینه‌های کم یا بی هزینه برای طراحی PCB در بازار وجود دارد. مواردی که باید هنگام انتخاب یک برنامه مدنظر داشته باشید:
    • انجمن پشتیبانی: آیا تعداد زیادی از این برنامه استفاده می‌کنند؟ هر چه افراد مصرف‌کننده آن بیشتر باشند، احتمال اینکه کتابخانه‌ی آماده‌ی قطعاتی که استفاده می‌کنید را پیدا کنید بیشتر است.
    • راحتی استفاده: اگر استفاده از آن سخت باشد، از آن استفاده نخواهید کرد.
    • توانایی: بعضی از برنامه‌ها روی طرح محدودیت اعمال می‌کنند- تعداد لایه‌ها، تعداد قطعات، اندازه برد، وغیره. بیشتر آن‌ها به شما این امکان را می‌دهند تا با خرید یک مجوز این قابلیت‌ها را افزایش دهید.
    • قابل جابجایی بودن: بعضی از برنامه‌ها به شما اجازه صادر یا تبدیل کردن طراحی‌هایتان را نمی‌دهند و شما را فقط به یک تامین‌کننده محدود می‌کنند. شاید این بها برای راحتی و قیمت آن عادلانه باشد، شاید هم نه.
  2. به طراحی‌های دیگر افراد نگاه کنید تا ببینید که آن‌ها چه کرده‌اند. سخت افزار متن باز این کار را از هر زمان دیگری آسان‌تر می‌کند.
  3. تمرین، تمرین، تمرین.
  4. انتظارات خود را پایین بیاورید. اولین طراحی برد شما اشکالات زیادی خواهد داشت. 20امین طراحی‌تان اشکالات کمتری خواهد داشت، اما همچنان خواهد داشت. هیچ وقت از آن‌ها خلاص نمی‌شوید.
  5. شماتیک‌ها مهم هستند. تلاش برای طراحی یک برد بدون یک شماتیک خوب در وهله اول، کاری بیهوده است.

برای انتخاب نرم افزار و یادگیری آنها از لینک های زیر کمک بگیرید:

در انتها، چندین نکته در مورد فواید طراحی برد خودتان. اگر قصد دارید بیش از یک یا دو نمونه از پروژه‌تان بسازید، طراحی یک برد واقعا ارزشمند است- بستن مدار به صورت نقطه به نقطه روی بردبرد کاری وقت‌گیر است، و معمولا این مدارات از مدارات با بردهای اختصاصی بازدهی کمتری دارند.. همچنین طراحی برد به شما این امکان را می‌دهد تا در صورت محبوبیت طراحی‌تان، آن را بفروشید. در آینده سعی میکنیم نحوه سفارش برد مدار چاپی از شرکت هایی مانند کوثر مدار ، آلفا مدار ، کارا الکترونیک ، شمس الکترونیک ، مهران مدار ، تهران مدار و… میپردازم.

منابع و مطالعه بیشتر

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

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.

درباره ی جهاندیده

کاربر عزیز از اینکه مطالب سایت ما را مطالعه میکنید بینهایت سپاسگذارم.با نظرات سازنده خود به ما انگیزه بیشتری دهید تا مطالب آموزشی بیشتری را تولید و منتشر کنیم. استیوجابز میگه "شغل شما بخش عمده ای از زندگیتان را تشکیل خواهد داد، پس تنها راهی که از این بخش احساس رضایت خواهید کرد این است که باور داشته باشید در حال انجام کار بزرگی هستید. بهترین راه برای انجام یک کار بزرگ نیز لذت بردن از آن کار است. اگر نمی دانید چه باید انجام دهید عجله نکنید و سعی نمایید اول راه خود را بیابید. با پیدا کردن راه درست مانند یک رابطه ی خوب با گذشت سال ها هر روز همه چیز بهتر و بهتر می شود و همواره رو به جلو پیش خواهید رفت. بنابراین به دنبال آن چیزی بگردید که قلباً شما را راضی می کند. عجله نکنید." امیدوارم همیشه موفق باشید.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *