برد مدار چاپی

بررسی اجمالی

یکی از مفاهیم کلیدی در الکترونیک، برد مدار چاپی یا PCB است.  این آموزش به تشكیل یك PCB می پردازد.

در ادامه، به طور خلاصه در مورد فرآیند طراحی یک PCB جدید بحث خواهیم کرد.

PCB چیست؟

برد مدار چاپی رایج ترین نام است، اما ممکن است “تخته سیم کشی چاپی” یا “کارت سیم کشی چاپی” نیز نامیده شود. قبل از ظهور مدارهای PCB از طریق یک فرآیند پر زحمت سیم کشی نقطه به نقطه ساخته می شدند. این منجر به خرابی های مکرر در اتصالات سیم ها و اتصال کوتاه شد که عایق سیم شروع به قدیمی شدن و ترک خوردگی کرد.

یک پیشرفت قابل توجه توسعه سیم پیچی بود، که در آن یک سیم گیج کوچک در هر نقطه اتصال به معنای واقعی کلمه به دور یک ستون پیچیده می شود، و یک اتصال گاز محکم ایجاد می کند که بسیار بادوام است و به راحتی قابل تغییر است.

با انتقال الکترونیک از لوله ها و رله های خلاء به سیلیکون و مدارهای مجتمع، اندازه و هزینه قطعات الکترونیکی شروع به کاهش کرد. الکترونیک در کالاهای مصرفی رایج تر شد و فشار برای کاهش اندازه و هزینه های تولید محصولات الکترونیکی، تولیدکنندگان را به دنبال راه حل های بهتر سوق داد. بنابراین PCB متولد شد.

PCB مخفف (printed circuit board)( برد مدار چاپی) است . تخته ای است که دارای خطوط و پدهایی است که نقاط مختلف را به هم متصل می کند. در تصویر بالا ردپایی وجود دارد که اتصالات و قطعات مختلف را به صورت الکتریکی به یکدیگر متصل می کند. PCB اجازه می دهد تا سیگنال ها و قدرت بین دستگاه های فیزیکی هدایت شود. لحیم کاری فلزی است که اتصالات الکتریکی بین سطح PCB و قطعات الکترونیکی را ایجاد می کند. به عنوان فلز، لحیم کاری به عنوان یک چسب مکانیکی قوی نیز عمل می کند.

ترکیب بندی

PCB به نوعی شبیه یک کیک لایه ای یا لازانیا است – لایه های متناوبی از مواد مختلف وجود دارد که با گرما و چسب به هم چسبانده می شوند به طوری که نتیجه یک جسم واحد است.

بیایید از وسط شروع کنیم و به بیرون راه خود را ادامه دهیم.

FR4

مواد پایه یا بستر معمولاً فایبرگلاس است. از نظر تاریخی، رایج ترین علامت برای این فایبرگلاس “FR4” است. این هسته جامد به PCB استحکام و ضخامت آن را می دهد. همچنین PCB های انعطاف پذیری وجود دارند که بر روی پلاستیک انعطاف پذیر با دمای بالا (کاپتون یا معادل آن) ساخته شده اند.

شما تعداد زیادی PCB با ضخامت های مختلف پیدا خواهید کرد. متداول ترین ضخامت برای محصولات SparkFun 1.6 میلی متر (0.063 اینچ) است. برخی از محصولات ما – بردهای LilyPad و Arudino Pro Micro – از تخته 0.8 میلی متر ضخامت استفاده می کنند.

PCBها و تخته‌های پرف ارزان‌تر (نشان داده شده در بالا) با مواد دیگری مانند اپوکسی‌ها یا فنولیک‌ها ساخته می‌شوند که دوام FR4 را ندارند اما بسیار ارزان‌تر هستند. وقتی به این نوع PCB لحیم می‌کنید، متوجه خواهید شد که با این نوع PCB کار می‌کنید – بوی بد بسیار مشخصی دارند. این نوع بسترها معمولاً در لوازم الکترونیکی مصرفی پایین نیز یافت می شوند. فنولیک ها دمای تجزیه حرارتی پایینی دارند که باعث می شود وقتی آهن لحیم کاری برای مدت طولانی روی تخته نگه داشته شود، لایه لایه شده، دود و زغال شوند.

فلز مس (copper)

لایه بعدی یک فویل مسی نازک است که با حرارت و چسب روی تخته لمینت می شود. در PCBهای معمولی دو طرفه، مس روی هر دو طرف بستر اعمال می شود. در ابزارهای الکترونیکی ارزان‌تر، PCB ممکن است فقط در یک طرف مس داشته باشد. وقتی به یک تخته دو طرفه یا دو لایه اشاره می کنیم به تعداد لایه های مسی (2) لازانیا اشاره می کنیم. این می تواند به تعداد 1 لایه یا 16 لایه یا بیشتر باشد.

ضخامت مس می تواند متفاوت باشد و بر حسب وزن، بر حسب اونس در فوت مربع مشخص می شود. اکثریت قریب به اتفاق PCB ها دارای 1 اونس مس در هر فوت مربع هستند، اما برخی از PCB ها که توان بسیار بالایی دارند ممکن است از 2 یا 3 اونس مس استفاده کنند. هر اونس در هر مربع حدود 35 میکرومتر یا 1.4 هزارم اینچ ضخامت مس است.

ماسک جوشکاری (soldermask)

لایه روی فویل مسی لایه ماسک لحیم نامیده می شود. این لایه به PCB رنگ سبز (یا در SparkFun قرمز) می دهد. روی لایه مسی پوشانده می شود تا آثار مس را از تماس تصادفی با سایر فلزات، لحیم کاری یا قطعات رسانا عایق کند. این لایه به کاربر کمک می کند تا به مکان های صحیح لحیم کاری کند و از پرش های لحیم جلوگیری کند.

در مثال زیر، ماسک لحیم کاری سبز روی اکثر PCB اعمال می شود و ردپای کوچک را می پوشاند اما حلقه های نقره ای و پدهای SMD را در معرض دید قرار می دهد تا بتوان آنها را به آنها لحیم کرد.

ماسک لحیم معمولاً سبز رنگ است اما تقریباً هر رنگی امکان پذیر است. ما تقریباً برای همه بردهای SparkFun از رنگ قرمز، برای برد IOIO از رنگ سفید و برای بردهای LilyPad از بنفش استفاده می کنیم.

ابریشم(silkscreen)

لایه ابریشم سفید در بالای لایه ماسک لحیم اعمال می شود. صفحه ابریشمی حروف، اعداد و نمادهایی را به PCB اضافه می کند که امکان مونتاژ آسان تر و نشانگرهایی را برای انسان برای درک بهتر برد فراهم می کند. ما اغلب از برچسب های صفحه ابریشمی برای نشان دادن عملکرد هر پین یا LED استفاده می کنیم.

صفحه ابریشم معمولاً سفید است اما می توان از هر رنگ جوهی استفاده کرد. رنگ های سیاه، خاکستری، قرمز و حتی زرد صفحه ابریشم به طور گسترده ای در دسترس هستند. با این حال، دیدن بیش از یک رنگ در یک تخته غیر معمول است.

طراحی خودتان!

چگونه می خواهید PCB خود را طراحی کنید؟ نکات و نکات طراحی PCB بسیار عمیق تر از آن است که بتوان به اینجا وارد شد، اما اگر واقعاً می خواهید شروع کنید، در اینجا چند نکته وجود دارد:

1. یک بسته CAD پیدا کنید: گزینه های کم هزینه یا رایگان زیادی برای طراحی PCB در بازار وجود دارد. نکاتی که در انتخاب پکیج باید در نظر گرفته شود:
   • پشتیبانی جامعه: آیا افراد زیادی از بسته استفاده می کنند؟ هرچه افراد بیشتری از آن استفاده کنند، احتمال بیشتری وجود دارد که کتابخانه های آماده با قطعات مورد نیاز خود را پیدا کنید.
   • سهولت استفاده: اگر استفاده از آن دردناک است، این کار را نخواهید کرد.
   • قابلیت: برخی از برنامه‌ها محدودیت‌هایی را برای طراحی شما قائل می‌شوند- تعداد لایه‌ها، تعداد اجزا، اندازه برد و غیره. بیشتر آنها به شما اجازه می‌دهند برای ارتقای قابلیت‌هایشان هزینه مجوز بپردازید.
   • قابلیت حمل: برخی از برنامه‌های رایگان به شما اجازه نمی‌دهند طرح‌های خود را صادر یا تبدیل کنید، و شما را فقط به یک تامین‌کننده قفل می‌کنند. شاید این قیمت منصفانه ای برای راحتی و قیمت باشد، شاید هم نه.
2. به چیدمان افراد دیگر نگاه کنید تا ببینید چه کاری انجام داده اند. سخت افزار منبع باز این کار را آسان تر از همیشه می کند.
3. تمرین، تمرین، تمرین.
4. توقعات پایین را حفظ کنید. اولین طراحی تخته شما مشکلات زیادی خواهد داشت. طرح بیستمین تخته شما مشکلات کمتری خواهد داشت، اما همچنان مقداری خواهد داشت. شما هرگز از شر همه آنها خلاص نخواهید شد.
5. شماتیک ها مهم هستند. تلاش برای طراحی تابلویی بدون شماتیک خوب در ابتدا تمرینی بیهوده است.

در نهایت، چند کلمه در مورد سودمندی طراحی بردهای مدار خود. اگر قصد دارید بیش از یک یا دو پروژه معین بسازید، بازپرداخت طراحی یک برد بسیار خوب است – مدارهای سیم‌کشی نقطه‌به‌نقطه روی پروتوبرد دردسرساز هستند و نسبت به طراحی‌شده‌ی هدف، استحکام کمتری دارند. تخته ها همچنین به شما این امکان را می دهد که در صورت محبوبیت طرح خود، آن را بفروشید.