لیام الکترونیک
لیام الکترونیک
برد الکترونیکی قطعه‌ای است که به‌عنوان پایه و نگهدارنده در اغلب وسایل الکترونیکی، هم به‌عنوان یک پشتیبان فیزیکی و هم به‌عنوان بستر سیم‌کشی و اتصال قطعات روی سطح و سوکت، استفاده میشود. در آموزش «انواع برد الکترونیکی و کاربرد های آن ها — به زبان ساده» با نوع‌های مختلف برد الکترونیکی از قیل برد بورد آشنا شدیم. در اینجا، برد الکترونیکی را با تأکید بر «برد مدار چاپی» (Printed Circuit Board) یا PCB معرفی می‌کنیم، زیرا رایج‌ترین برد مورد استفاده در صنعت الکترونیک است. PCBها معمولاً از فایبرگلاس، اپوکسی کامپوزیت یا مواد کامپوزیتی دیگر ساخته می‌شوند.
اغلب PCBهایی که در کاربردهای ساده به‌کار می‌روند، ساختمان ساده‌ای دارند و تنها از یک لایه تشکیل شده‌اند. سخت‌افزارهای پیچیده‌تر مانند کارت گرافیک کامپیوتر یا مادربردها می‌توانند چندین لایه (گاهی اوقات تا دوازده لایه) داشته باشند.
اگرچه در نگاه اول بردهای مدار چاپی اغلب با رایانه‌ها مرتبط هستند، اما می‌توان آن‌ها را در بسیاری از دستگاه‌های الکترونیکی دیگر مانند تلویزیون، رادیو، دوربین‌های دیجیتال و تلفن‌های همراه یافت. انواع مختلف برد الکترونیکی علاوه بر کاربرد در لوازم الکترونیکی مصرفی و رایانه‌ها، در زمینه‌های مختلف دیگری نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند، از جمله:
تجهیزات پزشکی: امروزه محصولات الکترونیکی متراکم‌تر از گذشته‌اند و انرژی کمتری نسبت به نسل‌های قبلی مصرف می‌کنند که این امر آزمایش فناوری‌های جدید و هیجان‌انگیز پزشکی را ممکن می‌سازد. اکثر دستگاه‌های پزشکی از PCB با چگالی بالا استفاده می‌کنند که برای ایجاد کوچک‌ترین و متراکم‌ترین طراحی ممکن استفاده میشود. این امر به کاهش برخی از محدودیت‌های منحصربه‌فرد مربوط به توسعه دستگاه‌های حوزه پزشکی کمک می‌کند، زیرا در این تجهیزات اندازه کوچک و سبکی مهم است. PCBها راه خود را به همه‌چیز، از دستگاه‌های کوچک مانند پیس‌میکر گرفته تا دستگاه‌های بسیار بزرگ‌تر مانند تجهیزات اشعه ایکس یا دستگاه‌های اسکن CAT، باز کرده‌اند.
ماشین‌آلات صنعتی: بردهای الکترونیکی در ماشین‌آلات صنعتی پرقدرت نیز استفاده می‌شوند. در جاهایی که PCBهای با اتصال مس فعلی با الزامات مطابقت ندارند، می‌توان به‌جای آن از PCB مس ضخیم استفاده کرد. نمونه‌هایی از مواردی که PCBهای مسی ضخیم‌تر مفید هستند، عبارتند از کنترلکنندههای موتور، شارژرهای باتری با جریان بالا و آزمایش‌کننده‌های بار صنعتی.
نورپردازی: همان‌طور که تجهیزات روشنایی مبتنی بر LED به‌دلیل مصرف انرژی کم و سطح کارایی بالا محبوبیت بیشتری پیدا کرده‌اند، PCB آلومینیومی نیز که برای ساخت آن‌ها استفاده میشود، محبوبیت شده است. این PCBها به‌عنوان سینک حرارتی عمل می‌کنند و سطوح بالاتری از انتقال حرارت را نسبت به PCB استاندارد امکان‌پذیر می‌کنند. همین PCBهای آلومینیومی، پایه و اساس کاربردهای LED با لومن بالا و تجهیزات روشنایی اولیه را تشکیل می‌دهند.
صنایع خودروسازی و هوافضا: هر دو صنعت خودرو و هوافضا از PCB انعطاف‌پذیر استفاده می‌کنند که برای مقاومت در برابر محیط‌های با لرزش بالا که در هر دو صنعت رایج است، طراحی شده است. بسته به مشخصات و طراحی، برد الکترونیکی می‌تواند بسیار سبک نیز باشند که در ساخت قطعات برای صنایع حمل‌و‌نقل ضروری است. بردها همچنین با فضاهای تنگی که ممکن است در این صنایع وجود داشته باشد، مانند داخل جعبه‌ابزار یا پشت ابزار روی داشبورد، مطابقت دارند.
برای آشنایی بیشتر با موضوعات مرتبط با برد الکترونیکی و سایر مباحث مربوط به مدارهای الکترونیکی، پیشنهاد می‌کنیم به مجموعه آموزش‌های مهندسی الکترونیک مراجعه کنید که توسط فرادرس تهیه و لینک آن‌ها در ادامه آورده شده است.
انواع مختلفی از بردهای مدار وجود دارد که هرکدام مشخصات ساخت، انواع مواد و کاربردهای خاص خود را دارند. در ادامه این انواع را مختصراً معرفی می‌کنیم.
برد تک‌لایه یا یک‌طرفه، یک برد مدار چاپی است که از یک لایه مواد پایه یا بستر ساخته شده است. یک طرف مواد پایه با یک لایه نازک فلز پوشیده شده است. مس به‌دلیل عملکرد خوبی که به‌عنوان رسانای الکتریکی دارد، رایج‌ترین پوشش است. هنگامی که روکش پایه مسی اعمال میشود، معمولاً یک ماسک یا محافظ قلع قرار داده میشود و به‌دنبال آن یک چاپ سیلک برای مشخص کردن تمام قطعات الکترونیکی روی برد اعمال میشود.
از آنجا که در PCBهای تک لایه/یک‌طرفه مدارها و قطعات مختلف فقط به یک طرف لحیم می‌شوند، طراحی و ساخت آن‌ها آسان است. این محبوبیت به این معنی است که می‌توان آن‌ها را با هزینه کم خریداری کرد، مخصوصاً برای سفارشات با حجم بالا. مدل کم‌هزینه و با حجم بالا بدین معنی است که معمولاً برای کاربردهای مختلفی از جمله ماشین‌حساب، دوربین‌ها، رادیو، تجهیزات استریو، درایوهای حالت جامد، چاپگرها و منابع تغذیه استفاده می‌شوند.
بردهای الکترونیکی دولایه یا دوطرفه دارای یک ماده پایه یا سابستریت با یک لایه نازک از فلز رسانا مانند مس هستند که روی هر دو طرف برد تعبیه شده است. سوراخ‌های حفرشده از طریق برد به مدارهای یک طرف برد این قابلیت را به قطعات می‌دهد تا به مدارهای طرف دیگر متصل شوند.
مدارها و قطعات یک برد PCB دولایه معمولاً به یکی از این دو روش متصل می‌شوند: با استفاده از یک سوراخ کامل یا با استفاده از یک پایه نصب سطحی. اتصال از طریق سوراخ به این معنی است که سیم‌ها یا پایه‌های کوچک، از طریق سوراخ‌ها تعبیه می‌شوند.
در PCBهای نصب سطحی از سیم به‌عنوان اتصال‌دهنده استفاده نمی‌شود. در عوض، بسیاری از پایه‌های کوچک مستقیماً به برد لحیم می‌شوند، به این معنی که خود برد به‌عنوان سطح سیم‌کشی برای اجزای مختلف استفاده میشود. این امر اجازه می‌دهد تا مدارها فضای کمتری را اشغال کنند. بدین ترتیب، فضایی آزاد میشود و برد می‌تواند عملکردهای بیشتری را معمولاً در سرعت‌های بالاتر و وزن سبک‌تر از برد سوراخ کامل انجام دهد.
PCBهای دوطرفه معمولاً در مواردی به‌کار می‌روند که به سطح متوسطی از پیچیدگی مدار نیاز است، مانند کنترلکنندههای صنعتی، منابع تغذیه، ابزار دقیق، سیستم‌های HVAC، روشنایی LED، داشبورد خودرو، تقویت‌کننده‌ها و ماشین‌های فروش.
PCBهای چندلایه از مجموعه‌ای از سه یا چند PCB دولایه تشکیل شده‌اند. این بردها با یک چسب مخصوص به هم محکم می‌شوند و بین قطعات عایق قرار می‌گیرند تا اطمینان حاصل شود که حرارت اضافه هیچ یک از قطعات را ذوب نمی‌کند. PCBهای چندلایه در اندازه‌های مختلفی تولید می‌شوند، برای مثال می‌توانند چهارلایه، ده‌لایه، دوازده‌لایه و… باشند. بزرگ‌ترین PCB چندلایه‌ای که تاکنون ساخته شده است 50 لایه ضخامت دارد.
طراحان می‌توانند با لایه‌های فراوان بردهای مدار چاپی، طرح‌های بسیار ضخیم و پیچیده‌ای بسازند که برای طیف وسیعی از کارهای پیچیده الکتریکی مناسب هستند. کاربردهایی که PCBهای چندلایه در آن‌ها به‌کار می‌روند، عبارتند از سرورهای فایل، ذخیره‌سازی داده‌ها، فناوری GPS، سیستم‌های ماهواره‌ای، تجزیه‌و‌تحلیل آب‌و‌هوا و تجهیزات پزشکی.
PCBهای «صلب یا سخت یا غیرمنعطف» (Rigid) از یک ماده بستر جامد (سابستریت جامد) ساخته شده‌اند که از خم شدن برد جلوگیری می‌کند. احتمالاً رایج‌ترین نمونه PCB سخت که دیده‌اید، مادربرد رایانه است. مادربرد یک PCB چندلایه است که برای تغذیه کامپیوتر طراحی شده است و به‌طور همزمان امکان برقراری ارتباط بین تمام بخش‌های مختلف رایانه مانند CPU ،GPU و RAM را فراهم می‌کند.
شاید بتوان گفت که PCBهای صلب بیشترین تعداد PCBهای تولیدشده را تشکیل می‌دهند. این PCBها در هر جایی که نیاز است خود PCB به یک شکل تنظیم شود و تا پایان عمر دستگاه به همین شکل باقی بماند به‌کار می‌روند. PCBهای سخت می‌توانند هر تعداد لایه داشته باشند، از یک PCB تک‌لایه ساده تا یک PCB چندلایه مانند هشت‌لایه یا ده‌لایه. همه PCBهای سخت ساختارهای تک‌لایه، دولایه یا چندلایه دارند، بنابراین کاربرد همه آن‌ها یکسان است.
برخلاف PCBهای صلب که در آن‌ها از مواد غیرمتحرک مانند فایبرگلاس استفاده میشود، بردهای مدار چاپی انعطاف‌پذیر از موادی مانند پلاستیک ساخته شده‌اند که می‌توانند خم شوند و حرکت کنند. مانند PCBهای صلب، PCBهای انعطاف‌پذیر در طرح‌هایی با تک، دو یا چند لایه عرضه می‌شوند. از آنجا که این نوع برد الکترونیکی باید روی مواد انعطاف‌پذیر چاپ شود، PCB انعطاف‌پذیر هزینه ساخت بیشتری دارد.
PCBهای انعطاف‌پذیر مزایای زیادی نسبت به PCBهای صلب دارند. برجسته‌ترین این مزیت‌ها انعطاف‌پذیری آن‌هاست. این بدان معنی است که می‌توان آن‌ها را روی لبه‌ها تا کرد و در گوشه‌ها خم کرد. انعطاف‌پذیری آن‌ها می‌تواند منجر به صرفه‌جویی در هزینه و وزن شود، زیرا می‌توان از یک PCB منعطف برای پوشش نواحی‌ای استفاده کرد که می‌تواند منجر به هزینه برای چندین PCB سخت شود.
PCBهای منعطف را می‌توان در جاهایی که ممکن است در معرض خطرات زیست‌محیطی باشد نیز استفاده کرد. در این موارد، این بردها، به‌سادگی، با موادی ساخته می‌شوند که می‌تواند ضدآب، ضدضربه، مقاوم در برابر خوردگی یا مقاوم در برابر روغن‌های با دمای بالا باشد؛ گزینه‌ای که PCBهای سخت سنتی ممکن است نداشته باشند.
بردهای انعطاف‌پذیر سخت بهترین‌ها هستند و از ترکیب هر دو نوع مهم بردهای PCB ساخته شده‌اند که در بخش‌های قبل آن‌ها را معرفی کردیم. بردهای انعطاف‌پذیر از چند لایه PCB منعطف تشکیل شده‌اند که به تعدادی از لایه‌های PCB سخت متصل شده‌اند.
در کاربردهای خاص، استفاده از PCBهای سخت انعطاف‌پذیر نسبت به استفاده از PCBهای صلب یا PCBهای انعطاف‌پذیر مزایای زیادی دارد. برای نمونه، بردهای انعطاف‌پذیر سخت، تعداد قطعات کمتری نسبت به بردهای سخت یا بردهای انعطاف‌پذیر سنتی دارند، زیرا سیم‌کشی برای هر دو را می‌توان در یک برد واحد ترکیب کرد. ترکیب بردهای سخت و منعطف در یک برد منعطف سخت، همچنین امکان طراحی ساده‌تر را فراهم می‌کند و اندازه کلی برد و وزن تجهیز را کاهش می‌دهد.
PCBهای انعطاف‌پذیر سخت اغلب در کاربردهایی یافت می‌شوند که فضا یا وزن مهمترین دغدغه‌ها هستند، از جمله تلفن‌های همراه، دوربین‌های دیجیتال، ضربان‌سازها و خودروها.
منظور از PCB فرکانس‌بالا یک طراحی از PCB است، نه یک نوع ساخت PCB مانند مدل‌های قبلی. PCB فرکانس‌بالا برای انتقال سیگنال با فرکانس بیش از یک گیگاهرتز طراحی شده است. مواد PCB با فرکانس‌بالا اغلب شامل لمینت اپوکسی تقویت‌شده با شیشه FR4، رزین پلی فنیلن اکسید (PPO) و تفلون هستند. تفلون یکی از گران‌ترین گزینه‌های موجود است، زیرا ثابت دی‌الکتریک کم و پایداری دارد و جذب آب آن کم است. هنگام انتخاب برد PCB فرکانس‌بالا و نوع اتصال PCB مربوط به آن، باید مواردی مانند ثابت دی‌الکتریک (DK)، تلفات و ضخامت دی‌الکتریک و… را در نظر گرفت.
مهمترین عامل ثابت دی‌الکتریک ماده مورد بحث است. موارد دیگری که باید هنگام انتخاب بردها و انواع کانکتورها برای استفاده در طراحی PCB فرکانس‌بالا در نظر بگیرید عبارتند از:
تلفات دی‌الکتریک: این عامل بر کیفیت انتقال سیگنال تأثیر می‌گذارد. مقدار کمتری از تلفات دی‌الکتریک می‌تواند باعث هدر رفتن سیگنال شود.
انبساط حرارتی: اگر نرخ انبساط حرارتی مواد مورد استفاده برای ساخت PCB، مانند فویل مس، یکسان نباشد، آنگاه مواد می‌توانند در اثر تغییرات دما از یکدیگر جدا شوند.
جذب آب: مقادیر زیاد آب مصرفی بر ثابت دی‌الکتریک و تلفات دی‌الکتریک PCB تأثیر می‌گذارد، به‌ویژه اگر در محیط‌های مرطوب استفاده شود.
سایر مقاومت‌ها: مواد مورد استفاده در ساخت PCB با فرکانس‌بالا باید در صورت لزوم از نظر مقاومت در برابر حرارت، مقاومت در برابر ضربه و مقاومت در برابر مواد شیمیایی خطرناک کارامد باشند.
بردهای آلومینیومی تقریباً به همان روشی طراحی شده‌اند که بردهای مشابه آن‌ها با ورقه مسی. با این حال، به جای فایبرگلاس معمولی که در اغلب انواع بردهای PCB استفاده میشود، برد مدار آلومینیومی از برد زیرلایه آلومینیومی یا مسی بهره می‌برد.
لایه آلومینیومی با مواد عایق حرارتی پوشانده شده و به‌گونه‌ای طراحی شده است که حرارت کمتری از مواد عایق به لایه پشتی منتقل میشود. پس از اعمال عایق، یک لایه مداری از مس، با ضخامت‌های یک تا ده اونس، قرار داده میشود.
PCBهای آلومینیومی مزایای زیادی نسبت به PCBهای دارای پوشش فایبرگلاس دارند، از جمله موارد زیر:
کم‌هزینه بودن: آلومینیوم یکی از فراوان‌ترین فلزات روی زمین است که 8٫23 درصد وزن سیاره زمین را تشکیل می‌دهد. استخراج آلومینیوم آسان و ارزان است و به کاهش هزینه‌ها در فرایند تولید کمک می‌کند. بنابراین، ساخت محصولات با آلومینیوم هزینه کمتری دارد.
سازگاری با محیط زیست: آلومینیوم غیرسمی است و به‌راحتی قابل بازیافت است. به‌دلیل سهولت در مونتاژ، ساخت بردهای مدار چاپی از آلومینیوم نیز راه خوبی برای صرفه‌جویی در انرژی است.
خنک کردن مدار: آلومینیوم یکی از بهترین مواد موجود برای دفع گرما از قطعات مهم برد مدار است. با وجود آلومینیوم، گرما به‌جای اینکه در سایر قسمت‌های برد پخش شود، به هوای آزاد منتقل میشود. PCB آلومینیومی سریع‌تر از PCB مسیِ هم‌اندازه‌اش خنک میشود.
دوام مواد: آلومینیوم بسیار بادوام‌تر از موادی مانند فایبرگلاس یا سرامیک است، به‌ویژه برای آزمایش‌های «افت» (Drop). استفاده از مواد پایه مستحکم‌تر به کاهش آسیب در هنگام ساخت، حمل‌و‌نقل و نصب کمک می‌کند.
همه این مزایا باعث میشود که PCB آلومینیومی انتخابی عالی برای کاربردهایی باشد که نیاز به خروجی‌های توان بالا در تحمل‌های بسیار کم دارند، از جمله چراغ‌های راهنمایی، روشنایی خودرو، منابع تغذیه، کنترلکنندههای موتور و مدارهای با جریان بالا.
علاوه بر آن حوزه‌های اصلی استفاده، PCBهای آلومینیومی را می‌توان در کاربردهایی که به درجه بالایی از پایداری مکانیکی نیاز دارند یا جایی که PCB ممکن است در معرض سطوح بالایی از استرس مکانیکی باشد، به‌کار برد. آن‌ها نسبت به بردهای فایبرگلاس کمتر در معرض انبساط حرارتی هستند، به این معنی که سایر مواد روی برد، مانند فویل مسی و عایق، کمتر ممکن است پوسته‌پوسته شوند و طول عمر محصول را بیشتر کند.
در طول سا‌ل‌ها، بردها از PCBهای تک‌لایه ساده مورد استفاده در الکترونیک مانند ماشین‌حساب‌ها به سیستم‌های پیچیده‌تر مانند طراحی تفلون با فرکانس بالا تبدیل شده‌اند. PCBها تقریباً در هر صنعت روی کره زمین راه خود را پیدا کرده‌اند، از الکترونیک ساده مانند تجهیزات روشنایی گرفته تا صنایع پیچیده‌تر مانند فناوری پزشکی یا هوافضا.
تکامل بردها همچنین باعث پیشرفت در مواد PCB شده است. دیگر PCBها صرفاً از فویل مسی با فایبرگلاس ساخته نمی‌شوند. مواد جدید شامل آلومینیوم، تفلون و حتی پلاستیک‌های منعطف نیز در ساخت آن‌ها به‌کار می‌رود. پلاستیک‌های منعطف و آلومینیوم، منجر ساخت محصولاتی مانند PCBهای انعطاف‌پذیر سخت و با پشتی آلومینیومی برای رفع مشکلات رایج مرتبط با بسیاری از صنایع شده است.
