معرفی تکنولوژی­های مدارات چاپی PCB

بردهای مدار چاپی  PCB

بردهای مدار چاپی اصطلاحا به سطح مکانیکال نگه دارنده قطعات گفته می­شود که جای قرار­گیری قطعات و مسیرهای ارتباطی بین آن­ها به وسیله پوشش رسانا (معمولا مس) روی صفحه نارسانا (معمولا فیبر) کشیده شده است. داشتن یک بستر برای نصب قطعات مانند آنچه در یک تابلو برق برای قطعات حجیم الکتریکی استفاده می­شود، انگیزه تولید و توسعه مدارات چاپی  PCB بوده است. اولین مدارات چاپی در ابتدای قرن بیستم ساخته شد، با پیشرفت تکنولوژی و ظهور تراشه ­ها و قطعات مختلف در بسته­ بندی­های متنوع، تکنولوژی ساخت مدارات چاپی نیز متناسب با آن متحول گشته است.

تولید مدارات چاپی با کیفیت و با قابلیت­های بالا همواره چالشی پیش­روی مهندسان و طراحان ایرانی بوده است. شرکت ایسیس با سابقه طولانی در زمینه طراحی و تولید محصولات الکترونیکی به ویژه در حوزه امبدد سیستم، اقدام به راه ­اندازی بخش تولید مدارات چاپی پیشرفته نموده است تا از این طریق ضمن کیفیت بخشیدن به محصولات شرکت­های ایرانی، با کاهش هزینه ­ها امکان رقابتی کردن محصولات با استانداردهای جهانی را ایجاد نماید.

با گسترده شدن صنعت چاپ و مونتاژ بردهای مدار چاپی، استانداردهای ویژه ­ای برای این حوزه شکل گرفته است. استاندارد IPC که توسط تولیدکنندگان تجهیزات الکترونیکی به کار گرفته می­شود در سال 1957 ایجاد گردیده است. این استاندارد برای محصولات الکترونیک از لحظه طراحی تا تولید محصول نهایی، سیاست­های مشخصی را ارائه می­دهد. به عنوان مثال استاندارد PCB به صورت پیشفرض IPC-A-600 Class II و استاندارد پیشفرض اسمبلی مدار چاپی PCBA ، استاندارد IPC-A-610 می­باشد. در شکل زیر دیاگرام شروع تا اتمام را به همراه استانداردهای مرتبط برای هر مرحله نشان می­دهد.

  طراحی مدارات چاپی امروزه علاوه بر داشتن دانش فنی نیازمند هنر و خلاقیت مهندسی می­باشد. نرم­ افزارهای مختلفی نیز برای سرعت بخشیدن به فرایند طراحی با امکانات حرفه ­ای توسعه یافته است. برخی از مشهورترین نرم­افزارها عبارتند از:

• Altium Designer DXP
• Eagle
• Cadence OrCad PCB Designer
• Diptrack
• Ads

انواع بردهای مدار چاپی

انواع PCBها بر حسب تعداد لایه ­ها:

1.  یکرو یا تک لایه (Single Sided PCB)
2.  دو رو یا دولایه  (Doubled Sided PCB)
3.  چند لایه (Multi Layer) 

ساده ترین نوع مدارات چاپی، PCBهای یکرو هستند که در آن معمولا قطعات در یک طرف برد نصب می­شوند و مسیرهای بین قطعات در طرف دیگر برد چاپ می­شوند. در مدارات چاپی دوطرفه از هر دو طرف برد جهت مسیرکشی و نصب قطعات استفاده می­شود، ارتباط بین دو لایه از طریق سوراخ­هایی موسوم به وایا امکان­پذیر می­باشد. هر یک از این انواع مدارات چاپی با تکنیک­های ویژه­ای ساخته می­شوند به عنوان مثال پی­سی­بی ­های چند لایه معمولا روند زیر را در فرایند ساخت طی می­کنند.

انواع PCB از لحاظ تکنولوژی:
با توجه به محدودیت­ها و نیازمندی­های صنعت الکترونیک و تجهیزات مرتبط، انواع مختلفی از تکنولوژی­های تولید مدارات چاپی معرفی شده است. برخی از انواع مختلف مدارات چاپی به صورت زیر هستند: 

•  معمولی سخت (Rigid) با ماده FR4
• انعطاف پذیر (Flexi) و منعطف- سخت (Flexi-Rigid)
• وایای مدفون و کور (Buried & Blind Via)
• امپدانس کنترل (Controlled Impedance )
• ساخت ترتیبی (Sequential builds)
• مس-اینوار- مس (Copper / Invar / Copper )
• رادیویی(Microwave / RF)
• هیت سینک دار (Heat sink Bonding )
• میکرووایا(Micro Via )
• آلومینیومی (Aluminum )

 ایسیس با همکاری شرکت­های معتبر بین­المللی توانایی تولید انواع مدارات چاپی را دارا می­باشد. انواع PCBهایی که توان تولید آن در ایسیس ( esys.ir) وجود دارد عبارتند از:

•  معمولی سخت (Rigid) با ماده FR4
• انعطاف پذیر (Flexi) و منعطف- سخت (flexi-Rigid)
• وایای مدفون و کور (Buried & Blind Via)
• امپدانس کنترل (Controlled Impedance )
• راجرز (Rogers PCB)
• آلومینیومی (Aluminum )
• چگال (HDI)

در ادامه برخی از نمونه کارهای چاپ شده را مشاهده می­فرمایید.

لازم به ذکر است ایسیس خدمات مدارات چاپی دارای محدودیت و نیازمندی خاص را تحت عنوان سرویس HDI ارائه می­کند.

مدارات چاپی معمولی سخت( Rigid)

این نوع از PCBها که به صورت یکرو، دورو و یا چند لایه تولید می­گردند، به گونه­ای طراحی شده­اند که فاقد هر گونه پیچیدگی خاص تولیدی هستند. به عنوان مثال فاصله دو مسیر بیشتر از کمترین حد توانایی یک تولید کننده معمولی PCB (0.2 میلیمتر ) است.

ماده پایه استاندارد بکاررفته در PCBهای یکرو یا دوروی معمولی، FR4 است که کامپوزیتی متشکل از پشم شیشه و رزین اپوکسی است. خواص دمایی، الکتریکی و مکانیکی مناسب FR4 باعث شده این ماده به عنوان گزینه خوبی برای بسیاری از کاربردها استفاده گردد.

 معمولا علاوه بر نوع ماده یک PCB، پارامتر دیگری تحت عنوان Tg مطرح می­گردد، Tg یا دمای انتقال شیشه (glass transition temperature) یکی از پارامترهای ماده پایه در بردهای مدار چاپی است و به دمایی اشاره می کند که رزین از حالت شکنندگی شیشه­ای به حالت کسشان تبدیل می­شود. ایسیس قادر است در سه رنج دمایی بردهای مدار چاپی را تولید نماید.

• Tg 130-140
• Tg 150-160
• Tg 170-180

هر ماده­ای دارای یک مقدار Tg ویژه خود می­باشد. بسته به میزان کیفیت مورد انتظار از یک مدار چاپی، باید از مواد مناسب با آن استفاده نمود. جدول زیر مواد مختلف را برای کاربردهای مختلف، پیشنهاد می­دهد:

بردهای راجرزRogers PCB

بسته به نیاز و محدودیت­های پیش­روی یک طراحی ممکن است نیاز باشد تا از مواد دیگری غیر از FR4 در تولید برد مدار چاپی استفاده شود. به عنوان مثال بردهای RF که فرکانس کاری بالایی دارند، نیازمند استفاده از موادی با ثابت دی­الکتریک پایدار برای نمونه­های مشابه از یک برد هستند. انتخاب ماده برد به پارامترهایی نظیر هزینه نهایی محصول، طراحی محصول، دما و فرکانس کاری و غیره بستگی دارد. شرکت راجرز مواد مختلفی با ویژگی­های متنوع برای استانداردهای مختلف ارائه نموده است. ممکن است در یک برد چند لایه، از مواد مختلفی در لایه ­ها استفاده گردد. ایسیس متناسب با نیاز و سفارش مشتری می­تواند از هر یک از این مواد در ساخت بردها استفاده نماید. 

مدارات چاپی انعطاف­پذیر Flexible PCB

 PCBهای انعطاف پذیر(Flexible PCB) در کاربردهای زیادی، جای PCBهای معمولی را گرفته است. این تکنولوژی مزیت­هایی نظیر رفع مشکل اتصالات داخلی بردها، کاهش وزن، کاهش فضا و هزینه مونتاژ را دارد. این دسته از PCBها خود به دو دسته انعطاف پذیر پویا (انعطاف­پذیری یا تحمل فشار در بازه از زمان و در حین کار) و انعطاف­پذیر ثابت (منعطف طراحی شده است و در همان حالت می ماند.) تقسیم می­شوند. این PCBها می­توانند یکرو، دورو و یا چند لایه باشند.

Rigid-Flex PCB نوعی از مدارات چاپی هستند که دارای یک قسمت انعطاف­پذیر و یک قسمت سخت هستند.

وایای مدفون و کور(buried & blind via)

معمولا وایاها یا میکرو وایا سوراخ­هایی هستند که از کل برد و تمام لایه­ها عبور می­کنند. در PCBهای چند لایه گاهی نیاز است که فقط برخی از لایه­ها به هم متصل گردند، در این مواقع از وایای کور و مدفون استفاده می­شود. buried via یا وایای مدفون لایه­های داخلی را به هم متصل می­کند و به سطح برد متصل نمی­گردد. blind via یا وایای کور، سوراخهایی هستند از یک سطح بورد شروع می شوند و به لایه خاصی ختم می­گردند.

میکرو وایا که در بردهای HDI بکار گرفته می­شود مطابق استاندارد IPC به وایاهای کور و مدفونی اطلاق می­گردد که قطری کمتر از 10 میکرومتر دارند.

امپدانس کنترل Controlled Impedance

در بردهای فرکانس بالا نیاز است تا طراح از امپدانس مسیرها آگاه باشد و یا آن­ها را کنترل نماید. شیوه استاندارد به این صورت است که هنگام طراحی تمام موارد مورد نیاز محاسبه گردد. در این مرحله سعی طراح باید بر این باشد تا جای ممکن مدار چاپی پیچیدگی­های تولیدی نداشته باشد. برای طراحی یک برد با امپدانس­های مشخص ابزارهای متفاوتی وجود دارد، یکی از نرم­افزارهای رایگان برای محاسبات مدارات چاپی، تولکیت Saturn است که از این لینک قابل دسترسی است. تصویر زیر نمایی از این نرم­افزار را نشان می­دهد. این نرم­افزار دارای منوهای متعددی است و پارامترهای متفاوتی از یک PCB را محاسبه می­کند. به عنوان مثال برای محاسبه طول یک مسیر برای حصول به امپدانس مطلوب، با استفاده از تب conductor impedance با وارد کردن مشخصات مسیر و نوع مواد بین دولایه، امپدانس مسیر مشخص می­گردد حال با کم و زیاد کردن طول مسیر می­توان به امپدانس مورد نظر رسید و در طرح PCB مسیر مورد نظر را با طول محاسبه شده ترسیم نمود.

ابزار غیر رایگان دیگری که برای طراحی­های خیلی حرفه­ای بکار می­رود و بیشتر توسط شرکت­های حوزه تکنولوژی پیشرفته به کار گرفته می­شود Si8000m نام دارد شکل زیر نمایی از این نرم­افزار را نشان می­دهد.

 علاوه بر این ابزارهای آنلاینی هم وجود دارند که به طور مختصر اطلاعاتی را برای امپدانس­ها در اختیار طراحان قرار می­دهند. همچنین در صورتیکه طراح به هر دلیلی نتواند این اطلاعات را به شکل استاندارد در اختیار تولیدکنندگان قرار دهد می­تواند موارد مورد نیاز خود جهت کنترل امپدانس را به صورت تصویری ارائه کند. به این صورت که از قسمت­های مختلف فایل PCB یا گربر خود تصویری گرفته و با مشخص کردن مسیر مورد نظر امپدانس مورد نیاز را مشخص نماید. همچنین بهتر است تا مشخصات امپدانسی برد در گوشه ای از برد آورده شود.

نکاتی که باید هنگام سفارش یک برد با امپدانس کنترل رعایت شوند عبارتند از: 

میزان امپدانس مورد نیاز به عنوان مثال 50 اهم را قبل از استعلام قیمت مشخص نمایید. مدار چاپی زیر این مورد را نشان می­دهد که در گوشه­ای از برد میزان امپدانس­های لایه­های مختلف ذکر گردیده است.

هنگام سفارش، فایلی به همراه فایل PCB، لایه و مسیرهای مورد نظر امپدانس کنترل را مشخص نمایید. جدول زیر یک نمونه برای این منظور آماده کرده است. در این جدول موارد مورد نیاز جهت کنترل امپدانس مشخص شده است.

باید به این نکته توجه نمود که معمولا امپدانس کنترل با مقداری خطا (10 درصد) انجام می­شود

مدارات چاپی با انتقال حرارتی بالا

 در دماهای بالا گاهی اوقات از بردهای مس-آهن و نیکل- مس (Copper Invar Copper)  به منظور تقویت مدارچاپی استفاده می­گردد که در حقیقت لایه­ای از نیکل و آهن بین دو لایه از مس قرار می­گیرد و به عنوان یک راه حل برای مدیریت حرارتی بردها مطرح می­گردد.

هنگام طراحی و تولید یک برد با لایه فلزی برای انتقال حرارتی، ویژگی­هایی نظیر ثابت انتقال حرارت ، وزن، سختی و غیره را باید در نظر گرفت در جدول زیر ویژگی­های حرارتی مواد فلزی آورده شده است.

مدارات چاپی آلومینیومی Aluminum PCB

برای انتقال حرارتی بهتر در بردهایی که حرارت بالایی تولید می­کنند از مدارات چاپی آلومینیومی استفاده می­شود. ایسیس، هم اکنون توانایی تولید مدارات چاپی آلومینیومی تکرو را دارد.

مدارات چاپی تراکم بالا (HDI PCB)

مدارات چاپی که ویژگی و محدودیت خاصی داشته باشند جزو دسته PCBهای با تراکم بالای اتصالات (High Density Interconnect) قرار می­گیرند. PCBهای دارای میکرو وایا، وایای کور و مدفون، فاصله مسیرها(ترک) خیلی نزدیک،  مسیرهای خیلی نازک و غیره در رده PCBهای HDI قرار می­گیرند از جمله می­توان به مدارات چاپی چند لایه گوشی­های تلفن هوشمند و تبلت­ها اشاره نمود. برای سفارش چاپ بردهای HDI نیاز است تا ابتدا توسط شرکت سازنده به طور ویژه مورد بررسی قرار گیرد و بسته به تکنولوژی ساخت قیمت­گذاری گردد.