مرتب‌سازی:
جدیدترین پربازدیدترین محبوب‌ترین

    آموزش پی بی سی pbc آموزش آنلاین پی بی سی دیزاین

    آنچه در این مطلب می خوانید:

    طراحی برد مدار چاپی (PCB) به یک حوزه تخصصی در صنعت الکترونیک تبدیل شده است. بردهای مدار چاپی نقش بسیار مهمی ایفا می کنند؛ آن ها اتصالات الکتریکی بین اجزای الکترونیکی را فراهم می کنند، پشتیبانی فیزیکی محکمی برای نگه داشتن قطعات ارائه می دهند و یک بسته بندی فشرده ایجاد می کنند که می تواند در یک محصول نهایی یکپارچه شود. PCBها جزء اصلی یک دستگاه الکترونیکی هستند که مسئول شکل و عملکرد آن می باشند و به نیمه رساناهای پیشرفته اجازه می دهند تا با یکدیگر در نرخ های داده بسیار بالا ارتباط برقرار کنند.

    برد مدار چاپی (PCB) چیست؟

    برد مدار چاپی (Printed Circuit Board - PCB) یک مجموعه الکترونیکی است که از هادی های مسی برای ایجاد اتصالات الکتریکی بین اجزا استفاده می کند. علاوه بر این، PCBها حمایت مکانیکی از اجزای الکترونیکی را نیز فراهم می کنند تا امکان نصب یک دستگاه در یک محفظه وجود داشته باشد.

    تمامی PCBها از لایه های متناوبی از مس رسانا و مواد عایق الکتریکی ساخته شده اند. ویژگی های رسانای روی PCB شامل مسیرهای مسی، پدها و صفحات رسانا است. ساختار مکانیکی برد از مواد عایق تشکیل شده که بین لایه های رسانا لمینیت شده اند.

    در مراحل نهایی ساخت، کل ساختار آبکاری شده و با یک پوشش غیر رسانا به نام "ماسک لحیم کاری" (Solder Mask) پوشانده می شود. سپس، یک چاپ سیلک اسکرین روی ماسک لحیم کاری اعمال می شود تا راهنمایی برای قرارگیری قطعات الکترونیکی ارائه دهد.

    پس از تکمیل این مراحل ساخت، برد خام به مرحله "مونتاژ برد مدار چاپی" (Printed Circuit Board Assembly - PCBA) ارسال می شود، جایی که قطعات الکترونیکی روی برد لحیم می شوند و سپس عملکرد برد مونتاژ شده مورد آزمایش قرار می گیرد.

    PCB design در گذشته و حال

    قبل از اینکه بتوانیم طراحی PCB را توضیح دهیم، بهتر است بدانیم که PCBها از کجا آمده اند. در گذشته، الکترونیک ها از مدارهای مجتمع کوچک (ICs) و اجزای مجزا طراحی و مونتاژ می شدند که با استفاده از سیم ها به یکدیگر متصل می شدند و قطعات روی یک زیرلایه سخت نصب می شدند. این زیرلایه اولیه معمولاً باکلیت بود که برای جایگزینی لایه بالایی یک ورق تخته سه لا استفاده می شد. تعداد سیم ها آن قدر زیاد بود که ممکن بود به هم گره بخورند یا فضای زیادی را در طراحی اشغال کنند. اشکال زدایی سخت بود و قابلیت اطمینان کاهش می یافت. تولید نیز کند بود، زیرا چندین قطعه و اتصالات سیمی آن ها به صورت دستی لحیم کاری می شدند.

    بردهای مدار چاپی قدیمی معمولاً مانند سیستم نشان داده شده در تصویر زیر بودند، جایی که مسیرهای مسی نمایان هستند و از حفره های عبوری زیادی برای نگه داشتن قطعات حجیم استفاده می شد.

    امروزه، طراحی های استاندارد می توانند دارای قطعات کوچک زیادی باشند، مانند ICهای ریز، قطعات منفعل بسیار کوچک و تراشه های پیشرفته با تعداد پین بسیار بالا. اتصال تمامی این قطعات با استفاده از سیم های لحیم کاری دستی غیرممکن است، بنابراین اتصالات مسی به طور مستقیم روی زیرلایه های عایق طبق فرایند ساخت توضیح داده شده در بالا، قرار می گیرند. بسیاری از دستگاه های امروزی طراحی های پیشرفته با اتصالات با چگالی بالا (HDI) دارند که شامل هزاران اتصال و چندین رابط الکتریکی است و برای تأمین انرژی از گوشی های هوشمند تا دستگاه های نظارت بر ضربان قلب و موشک ها کاربرد دارند.

    انواع بردهای مدار چاپی (PCB)

    در بخش قبلی، بر روی PCBهای استاندارد که روی زیرلایه های سخت مونتاژ می شوند تمرکز کردیم، زیرا این نوع بیشترین کاربرد را دارند. اما انواع دیگری از بردهای مدار چاپی وجود دارند که بر اساس مواد مختلف ساخته می شوند. انواع رایج این بردها عبارتند از:

    • برد یک لایه یا یک رو: این برد فقط قطعات را در یک سطح نصب می کند. سطح پشت معمولاً به طور کامل مسی (زمین) است و با ماسک لحیم کاری پوشانده می شود.
    • برد دو لایه یا دورو: این نوع برد مدار چاپی دارای قطعاتی است که روی هر دو سطح نصب می شود. هر سطح به عنوان لایه سیگنال در ساختار PCB تعریف می شود، بنابراین سطوح دارای مسیرهایی هستند که سیگنال ها را بین قطعات منتقل می کنند.
    • PCBهای چندلایه: این بردها دارای هادی هایی در لایه های داخلی هستند که سیگنال های الکتریکی را بین قطعات منتقل می کنند، یا لایه های داخلی می توانند لایه های صفحه رسانا باشند. این نوع بردها می توانند یک رو یا دو رو باشند.
    • PCBهای سخت-انعطاف پذیر (Rigid-flex): این بردها از ریبون پلی امید انعطاف پذیر استفاده می کنند که دو یا چند بخش سخت را در یک مجموعه PCB به هم وصل می کند. برد سخت-انعطاف پذیر ممکن است زمانی استفاده شود که طراحی به عنصری متحرک نیاز داشته باشد، مانند یک محفظه که قابلیت تا شدن یا خم شدن داشته باشد.
    • PCBهای انعطاف پذیر (Flex): PCBهای کاملاً انعطاف پذیر هیچ ماده سختی ندارند و کاملاً از ریبون های پلی امید انعطاف پذیر ساخته می شوند. این بردها می توانند مانند PCBهای سخت و سخت-انعطاف پذیر قطعات را نصب و لحیم کاری کنند.
    • PCBهای چاپی انعطاف پذیر (Printed flex): این بردها از مواد انعطاف پذیر به عنوان پایه استفاده می کنند و هادی های مسی روی ماده انعطاف پذیر با استفاده از فرایند چاپ جوهر افشان یا فرایند مشابه اضافه می شوند. این بردها شبیه به PCBهای انعطاف پذیر هستند.
    • PCBهای هسته فلزی (Metal-core) یا PCBهای با زیرلایه عایق فلزی (IMS): این بردها از یک تخته فلزی در لایه مرکزی (معمولاً آلومینیوم) استفاده می کنند تا استحکام بیشتری و انتقال حرارت بالاتری نسبت به PCBهای سخت معمولی داشته باشند. فرایند ساخت این نوع PCBها کاملاً متفاوت از فرایند ساخت استاندارد PCBهای سخت است و نکات طراحی خاصی باید در نظر گرفته شود تا مشکلات حل شوند. این بردها در نورپردازی های با توان بالا و برخی از کاربردهای صنعتی رایج هستند.
    • PCBهای سرامیکی: این بردها کمتر رایج هستند و در کاربردهایی که نیاز به هدایت حرارتی بسیار بالا دارند استفاده می شوند، به طوری که برد می تواند حرارت زیادی را از قطعات دور کند.
    • PCBهای HDI: این بردها از قطعات با تعداد پین بسیار بالا استفاده می کنند که نیاز به فرایند ساخت ویژه و مواد تخصصی دارند تا چگالی بسیار بالای اتصالات مسی را پشتیبانی کنند.
    • PCBهای UHDI و شبیه به زیرلایه (Substrate-like PCBs): این بردها آن قدر کوچک و فشرده هستند که از قابلیت های اچینگ کاهشی (Subtractive Etching) عبور کرده اند و به جای آن نیاز به فرایند ساخت اضافه ای دارند که برای ساخت بسته های IC استفاده می شود.

    فرایندهای ساخت و مونتاژ این نوع PCBها متفاوت است، اما نرم افزارهای ECAD امروزی می توانند به طراحان کمک کنند تا هر یک از این بردها را ایجاد کنند، به شرطی که قوانین طراحی صحیح PCB در نرم افزار اعمال شده باشد.

    ساختار و کاربردهای PCBها

    بسیاری از ویژگی های عملکردی مهم یک PCB در ساختار لایه ها (stack-up) یا چیدمان لایه ها در PCB تعریف می شود. ساختار لایه ها با لایه های متناوب از مواد رسانا و عایق ساخته می شود و شامل لایه های متناوب از هسته و پری پریگ (دو نوع دی الکتریک که در ساختار لایه ها استفاده می شوند) است. ویژگی های دی الکتریک و مکانیکی هسته و پری پریگ تأثیر زیادی بر قابلیت اطمینان و یکپارچگی سیگنال/توان در طراحی دارند و باید به دقت هنگام طراحی برای کاربردهای با قابلیت اطمینان بالا انتخاب شوند. به عنوان مثال، کاربردهای نظامی و پزشکی نیاز به طراحی هایی با قابلیت اطمینان بالا دارند که ممکن است در محیط های سخت به کار گرفته شوند، و PCB برای یک سیستم مخابراتی ممکن است نیاز به لمینت PTFE کم تلفات در یک بسته بندی کوچک داشته باشد.

    یک مثال از ساختار لایه یک PCB در زیر نشان داده شده است. در این مثال، ساختار لایه ها یک ساختار 4 لایه را پیاده سازی می کند که دو لایه داخلی صفحه (L02_GND برای زمین و L03_PWR برای قدرت) دارد. این نوع ساختار لایه برای دستگاه های IoT، سیستم های جاسازی شده سبک و بسیاری از طراحی های دیگر که از پروتکل های پرسرعت استفاده می کنند مناسب است. آرایش لایه های داخلی به حفظ یکپارچگی توان کمک می کند و همچنین مقداری حفاظ در برابر تداخل الکترومغناطیسی خارجی (EMI) فراهم می آورد. لایه های داخلی همچنین مرجع ثابتی برای سیگنال های با امپدانس کنترل شده فراهم می کنند. این نوع ساختار لایه برای بسیاری از طراحی ها رایج است و معمولاً نقطه شروعی برای بسیاری از بردهای مدار چاپی مدرن است.

    طراحی های PCB با اتصالات با چگالی بالا (HDI)

    دستگاه های پیشرفته امروزی در طراحی PCB از شیوه های طراحی با اتصالات با چگالی بالا (HDI) استفاده می کنند، جایی که اندازه ویژگی ها در یک PCB می تواند بسیار کوچک باشد. این بردهای مدار چاپی عمدتاً از همان فرایند مهندسی مشابه سایر بردهای مدار چاپی پیروی می کنند، اما در سیستم های پیشرفته تری که نیاز به تعداد زیادی قطعه و اتصال دارند به کار می روند. برخی از محصولات شناخته شده ای که در آن ها از این نوع بردها استفاده می شود عبارتند از:

    • گوشی های هوشمند و دستگاه های همراه دیگر
    • معماری مرکز داده ها، مانند مادربوردهای سرور
    • کارت های افزونه برای سرورها و کامپیوترهای جاسازی شده
    • دستگاه های پزشکی پوشیدنی بسیار کوچک یا ایمپلنت ها

    نوع بسته بندی اصلی که می تواند باعث استفاده از طراحی و تولید HDI در ساخت PCB شود، بسته بندی BGA (Ball Grid Array) است، همچنین بسته بندی های مشابه مانند LGA (Land Grid Array). بسیاری از میکروکنترلرها، MPUها و FPGAها در بسته بندی BGA ارائه می شوند، زیرا این روش ساده ترین راه برای فشرده سازی تعداد زیادی پین ورودی/خروجی در یک بسته قطعه کوچک است. بسته بندی های BGA بزرگ ترین عامل در فشرده سازی دستگاه ها هستند و بسیاری از محصولات مصرفی از پردازنده های سفارشی در بسته بندی BGA استفاده می کنند. برای مثال، تصویر زیر، بخش پایین یک CPU قدیمی را نشان می دهد، اما قطعات پشتیبانی کننده روی زیرلایه IC از بخش پایین قابل مشاهده هستند.

    بردهای مدار چاپی با اتصالات با چگالی فوق العاده بالا (UHDI)

    نسل بعدی طراحی و تولید PCBها همزمان با بسته بندی قطعاتی است که برای نگهداری تراشه های نیمه هادی در ICها استفاده می شود. تراشه ها در پردازنده های پیشرفته و ماژول های دیجیتال/RF روی یک زیرلایه IC قرار می گیرند که اتصالات بین تماس های الکتریکی در دی الکتریک نیمه هادی و PCB را فراهم می آورد. پیشرفته ترین ICها ویژگی هایی مشابه ویژگی های موجود در زیرلایه های IC دارند و فرایندهای ساخت مشابهی برای تولید هر دو زیرلایه IC و PCBهای UHDI استفاده می شود.

    ویژگی های کوچک به کار رفته در PCBهای UHDI در حال به چالش کشیدن مرزهای بسیاری از تولیدکنندگان هستند و در حال حاضر این قابلیت ها تنها در مقیاس بزرگ در تایوان قابل دسترسی است. با این حال، ظرفیت جهانی UHDI در حال افزایش است، زیرا کشورهای غربی به این حوزه سرمایه گذاری زیادی کرده اند. قابلیت های تولید مورد نیاز برای ساخت این بردها به صورت اضافی است، به این معنی که مسیرها و حفره ها از طریق فرایندهای رسوب فلزی ایجاد می شوند، نه با روش های اچینگ کاهشی که در PCBهای معمولی استفاده می شود. این PCBها همچنین اصلی ترین محرک سیستم های پیشرفته ای هستند که با بالاترین نرخ های داده کار می کنند. اگرچه فرایندهای تولید آن ها بسیار متفاوت است، اما فرایند طراحی PCBهای UHDI بسیار شبیه به طراحی PCBهای معمولی است.

    شروع طراحی جدید PCB

    زمانی که زمان شروع یک طراحی جدید فرا می رسد، بردهای مدار چاپی از چندین مرحله عبور می کنند. بردهای مدار چاپی در سطح تولید با استفاده از نرم افزار ECAD طراحی می شوند، که یک نرم افزار CAD است که شامل ابزارهای زیادی است که برای طراحی و چیدمان برد مدار چاپی تخصصی هستند. نرم افزار ECAD به طراحان کمک می کند تا از یک فرایند خاص برای طراحی برد مدار چاپی پیروی کنند، از طراحی های ابتدایی الکتریکی شروع کرده و تا آماده سازی فایل های تولید پیش روند. طراحی برد مدار چاپی یک فرایند پایه دارد:

    • مهندسی مقدماتی - در این مرحله، قطعات اصلی انتخاب می شوند و معمولاً مدارهای ابتدایی ایجاد می شوند تا عملکرد در برد طراحی شود.
    • برداشتن نمودارهای شماتیک (Schematic Capture) - در این مرحله، نرم افزار ECAD برای تبدیل مدارهای ساده به نقشه های الکترونیکی استفاده می شود که اتصالات الکتریکی بین قطعات را تعریف می کند. نمادهای شماتیک برای نشان دادن قطعات در طراحی استفاده می شوند.
    • انتخاب مواد و طراحی ساختار لایه PCB - در این مرحله، مواد لمینیت انتخاب می شوند و ساختار لایه ها برای جای دادن لایه های زمین، سیگنال، کانال های خاص مسیر دهی و ویژگی های مواد خاص طراحی می شود.
    • قرار دادن قطعات - پس از تعیین شکل برد و وارد کردن قطعات به چیدمان جدید PCB، قطعات در چیدمان قرار می گیرند تا با نیازهای مکانیکی طراحی سازگار شوند.
    • مسیر دهی (Routing) - پس از تأیید چیدمان قطعات، وقت آن است که مسیرها بین قطعات را وصل کنید. ابزارهای مسیر دهی در نرم افزار ECAD برای تعیین هندسه مسیرها استفاده می شوند که هدف آن ها تضمین کنترل امپدانس (برای سیگنال های پرسرعت) است.
    • بررسی و تأیید طراحی - پس از تکمیل مسیر دهی، همیشه یک ایده خوب است که طراحی را بررسی و ارزیابی کنید تا از عدم وجود اشتباهات یا مشکلات حل نشده اطمینان حاصل شود. این کار می تواند با بررسی دستی یا با استفاده از ابزارهای شبیه سازی پس از چیدمان انجام شود.
    • آماده سازی برای تولید - پس از اتمام طراحی، وقت آن است که برای تولید آماده شوید و فایل های استاندارد تولید را ایجاد کنید. این فایل ها در تجهیزات اتوماتیک تولید و مونتاژ استفاده می شوند.

    اگر می خواهید این مراحل را به راحتی در فرایند طراحی برد مدار چاپی الکترونیکی خود پشت سر بگذارید، باید از بهترین نرم افزار طراحی با رابط کاربری شهودی و مجموعه کامل ویژگی های طراحی PCB استفاده کنید.

    10 نرم افزار برتر طراحی PCB 

    Autodesk Eagle یک نرم افزار طراحی PCB است که توسط شرکت آلمانی CadSoft Computer GmbH ایجاد شده است که توسط رودولف هوفر و کلاوس-پیتر اشمیدیگر در سال 1988 ایجاد شده است. این شرکت توسط Farnell در سال 2009 و توسط Autodesk در سال 2016 خریداری شد، نرم افزاری در کلاس جهانی با حجم بالای 2 میلیارد یورو. EAGLE مخفف Easily Applicable Graphical Layout Editor می باشد. یک ابزار طراحی PCB که به خصوص برای پروژه های کوچک و متوسط مناسب است.

    این شرکت که در سال 1985 با نام Protel Systems در استرالیا تأسیس شد، در سال 2001 نام خود را به Altiumتغییر داد. در حال حاضر آمریکایی، یک رهبر نرم افزار ایجاد مدل سازی PCB است. این شرکت هر سال 6000 کاربر جدید دارد و در نظر دارد در سال 2020 گردش مالی 200 میلیون دلاری داشته باشد. Altium Designer یک راه حل کامل برای پروژه های PCB، از مدارهای پایه تا سیستم های اویونیک کامل است. 

    KiCadنرم افزار متن باز و رایگان که برای طراحی مدار چاپی با قابلیت های قدرتمند مورد استفاده قرار می گیرد.

    OrCADیکی از نرم افزارهای معروف برای طراحی مدار چاپی با قابلیت های پیشرفته در شبیه سازی و تحلیل می باشد.

    EasyEDA یک پلتفرم آنلاین برای طراحی و شبیه سازی مدار چاپی که کاربری ساده و سریع دارد.

    DipTrace نرم افزاری که برای طراحی مدارهای پیچیده با یک رابط کاربری بصری و قابلیت های ویرایش پیشرفته استفاده می شود.

    PADSنرم افزاری برای طراحی بردهای مدار چاپی که قابلیت های پیشرفته ای برای مدیریت پیچیدگی ها ارائه می دهد.

    CircuitMakerیک ابزار رایگان برای طراحی PCB که امکانات حرفه ای به ویژه برای پروژه های مشترک دارد.

    Fritzingنرم افزار ساده و کاربرپسند برای طراحی PCB به ویژه برای پروژه های الکترونیکی مبتدی می باشد.

    Proteusیک نرم افزار شبیه سازی و طراحی PCB که به ویژه برای کاربردهای آموزشی و توسعه سیستم های الکترونیکی استفاده می شود.

    نظرتون درباره این نوشته چیه؟ عالیه بد نیست خوب نبود