انواع بردهای الکترونیکی و مدار چاپی (PCB)

بردهای مدارچاپی (PCB) بر اساس فرایند تولید، مشخصات طراحی و نیازمندی‌های کاربردی مانند پزشکی، خودرو، دفاعی و فضایی به انواع مختلفی طبقه‌بندی می‌شوند. طراحی‌های پیچیده‌تر بر اساس نیازها و الزامات مصرف‌کنندگان، راه را برای تولید انواع مختلفی از بردهای مدارچاپی هموار می‌کند. قبل از انتخاب PCB، باید به چند نکته توجه کنید، مانند فضای موردنیاز، تحمل تنش و پایداری مکانیکی و الکتریکی.

1. مدارچاپی تک‌لایه

مدارچاپی تک‌لایه رایج‌ترین نوع مدارچاپی است. این نوع از PCB دارای یک‌لایه رسانای مسی بر روی زیره می‌باشد. قطعات الکترونیکی بر روی یک طرف برد لحیم قرار داده شده و کل مسیرهای چاپ شده در طرف دیگر قابل‌مشاهده هستند. ازآنجایی‌که این بردها تنها یک‌لایه رسانا دارند، مسیرهای رسانا نمی‌توانند تقاطع یا روی‌هم قرارگیری داشته باشند و به همین دلیل فضای بیشتری را اشغال می‌کنند.

در نتیجه، این نوع از مدارهای چاپی برای طراحی‌هایی با تراکم پایین مناسب هستند. از مدار چاپی‌های تک‌لایه در تجهیزات الکتریکی/الکترونیکی ساده و کم‌هزینه مانند ماشین‌حساب، منابع تغذیه، بردهای روشنایی LED، رادیوهای FM، مدارهای زمان‌بندی و غیره استفاده می‌شود.

مزایای بردهای مدارچاپی یک‌طرفه

• مقرون‌به‌صرفه: به دلیل سادگی ساخت و تولید، بردهای مدارچاپی یک‌طرفه از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه‌ترین نوع بردها هستند. این نوع بردها به‌خصوص در تولید انبوه، قیمت بسیار پایینی دارند.
• ساخت آسان: ساخت بردهای مدارچاپی یک‌طرفه به دلیل سادگی طراحی و عدم نیاز به لایه‌های متعدد، فرایندی ساده و آسان است. این موضوع باعث می‌شود تا تولید این نوع بردها در مقایسه با بردهای چندلایه، سریع‌تر و با خطای کمتری انجام شود.
• مناسب برای طرح‌های کم‌تراکم: بردهای مدارچاپی یک‌طرفه به دلیل محدودیت فضای موجود برای مسیریابی بین اجزا، برای طرح‌های ساده و کم‌تراکم ایده‌آل هستند. این نوع بردها برای کاربردهایی مانند مدارهای ساده، لوازم الکترونیکی اولیه و دستگاه‌های با تعداد کم اجزا مناسب هستند.
• سهولت در تعمیر: در صورت بروز مشکل در عملکرد بردهای مدارچاپی یک‌طرفه، به دلیل سادگی طراحی و عدم وجود لایه‌های متعدد، تعمیر و عیب‌یابی آنها آسان‌تر است. دسترسی به اجزا و مسیریابی روی برد به‌وضوح قابل‌مشاهده است و فرایند تعمیر را ساده‌تر می‌کند.
• طراحی آسان: طراحی بردهای مدارچاپی یک‌طرفه به دلیل سادگی و عدم وجود لایه‌های متعدد، فرایندی آسان و قابل‌فهم است. این موضوع باعث می‌شود تا افراد مبتدی نیز بتوانند به‌راحتی طراحی این نوع بردها را انجام دهند.

نکته: درحالی‌که بردهای مدارچاپی یک‌طرفه مزایای متعددی دارند، برای طرح‌های پیچیده و پر تراکم مناسب نیستند. در این موارد، استفاده از بردهای مدارچاپی دوطرفه یا چندلایه ضروری است.

2. مدارچاپی دوطرفه

در مدارهای چاپی دوطرفه، لایه‌نازکی از یک رسانا، مانند مس، به هر دو طرف بالای صفحه اضافه می‌شود. سوراخ‌هایی روی صفحه مدار وجود دارد که قطعات فلزی را ازیک‌طرف به‌طرف دیگر متصل می‌کند. این مدارهای چاپی با استفاده از یکی از دو روش نصب، یعنی فناوری نصب از طریق سوراخ یا فناوری نصب سطحی، مدارهای هر دو طرف را به هم متصل می‌کنند.

فناوری نصب از طریق سوراخ شامل نصب قطعات با پایه‌های خروجی در سوراخ‌های از پیش تعیین شده روی برد مدار است که سپس به پدهای طرف مقابل لحیم می‌شوند.  فناوری نصب سطحی شامل قرارگیری دقیق قطعات الکترونیکی روی سطح بردهای مدار است.

مدارهای چاپی دوطرفه در طیف وسیعی از کاربردها مانند سیستم‌های تلفن همراه، کنترل برق، تجهیزات تست، تقویت‌کننده‌ها، کاربردهای HVAC، سیستم‌های UPS و موارد بسیاری دیگر مورداستفاده قرار می‌گیرند.

مزایای بردهای الکترونیکی دوطرفه

• کاهش اندازه: این باعث می‌شود مدارچاپی جمع‌وجور شود.
• هزینه نسبتاً پایین‌تر: در مقایسه با PCBهای پیچیده‌تر، هزینه کمتری دارند.
• انعطاف‌پذیری بیشتر: به طراحان آزادی عمل بیشتری برای چیدمان مدار می‌دهد.
• افزایش تراکم مدار: با داشتن دولایه رسانا، فضای بیشتری برای قراردادن اجزا در اختیار طراح قرار می‌گیرد.
• مناسب برای سیستم‌های الکترونیکی پیشرفته: می‌توانند مدارهای با پیچیدگی متوسط را مدیریت کنند.

3. مدارچاپی چندلایه

بردهای الکترونیکی چندلایه، بیشتر از دولایه مسی دارند. به‌طورکلی، هر بردی که حداقل سه‌لایه رسانا داشته باشد، در این دسته قرار می‌گیرد. مدارهای چاپی چندلایه به‌صورت “ساندویچی” طراحی شده‌اند، به‌این‌ترتیب که چندین لایه رسانای دوطرفه توسط تعداد مساوی از لایه‌های عایق از هم جدا می‌شوند. همه این لایه‌ها باید با فشار و حرارت بالا به هم چسبانده و لمینت شوند تا اطمینان حاصل شود که هیچ شکاف هوایی وجود ندارد و مونتاژ نهایی مدارچاپی به‌درستی پایدار است.

بردهای الکترونیکی چندلایه در رایانه‌ها، لپ‌تاپ‌ها، تلفن‌های همراه، تبلت‌ها، تجهیزات پزشکی، ردیاب‌های GPS و بسیاری دیگر از مدارها و دستگاه‌های پیچیده‌تر کاربرد دارند.

مزایای بردهای الکترونیکی چندلایه

• فشردگی: بردهای چندلایه PCB به دلیل ساختار لایه‌ای خود، در مقایسه با بردهای تک‌لایه، فضای کمتری اشغال می‌کنند. این ویژگی آنها را برای استفاده در دستگاه‌های الکترونیکی کوچک مانند تلفن‌های هوشمند و رایانه‌ها ایده‌آل می‌کند.
• مقاومت: بردهای چندلایه مدارچاپی به دلیل ساختار لایه‌ای خود، از استحکام و مقاومت بیشتری نسبت به بردهای تک‌لایه برخوردار هستند. این ویژگی آنها را برای استفاده در محیط‌های خشن و پر چالش مناسب می‌کند.
• انعطاف‌پذیری در طراحی: ساختار لایه‌ای بردهای چندلایه مدارچاپی، طراحان را قادر می‌سازد تا طرح‌های پیچیده‌تر و با کارایی بیشتر را پیاده‌سازی کنند.
• مناسب برای مدارهای پرسرعت: بردهای چندلایه PCB به دلیل ساختار لایه‌ای خود، قادر به انتقال سیگنال‌های الکتریکی با سرعت بالا هستند. این ویژگی آنها را برای استفاده در مدارهای با فرکانس بالا مانند مدارهای مخابراتی و کامپیوتری مناسب می‌کند.

4. مدارچاپی سفت‌وسخت

همان‌طور که از اسمشان پیداست، مدارهای چاپی سفت‌وسخت مدارهای چاپی‌ای هستند که نمی‌توان آن‌ها را پیچاند یا خم کرد. جنس پایه این برد، یک مادة سخت و محکم است که به آن استحکام و مقاومت می‌دهد. این بردها از لایه‌های مختلفی تشکیل شده‌اند که شامل یک‌لایة زیرین، یک‌لایة مسی، یک‌لایة محافظ لحیم و یک‌لایة چاپ سیلک اسکرین می‌شود. این لایه‌ها با استفاده از چسب و حرارت به هم متصل می‌گردند. اگرچه برخی از بردهای مدارچاپی یک‌طرفه، دوطرفه یا چندلایه هستند، PCBهای سفت‌وسخت می‌توانند بسته به نیاز، هر کدام از این انواع باشند. بااین‌حال، بعد از ساخته‌شدن، امکان تغییر یا اصلاح آن‌ها وجود ندارد.

مدارهای چاپی سفت‌وسخت در تجهيزات GPS، کامپیوتر، لپ‌تاپ، تبلت، تلفن همراه، دستگاه‌های اشعه ایکس، ضربان‌ساز قلب، اسکنرهای CAT، سیستم‌های MRI، حسگرهای دما، ابزارآلات برج مراقبت و غیره مورداستفاده قرار می‌گیرند.

مزایای مدارچاپی سخت

• مقرون‌به‌صرفه: ساخت بردهای مدارچاپی سخت به دلیل فرایند تولید ساده و مواد ارزان‌تر، در مقایسه با سایر انواع بردها، مقرون‌به‌صرفه‌تر است.
• سهولت در تشخیص و تعمیر: اجزای بردهای مدارچاپی سخت به طور واضح علامت‌گذاری شده‌اند و مسیرهای سیگنال به‌خوبی قابل‌مشاهده هستند. این امر، فرایند مونتاژ، جداسازی و عیب‌یابی را برای تعمیرکاران آسان‌تر می‌کند.
• نویز الکترونیکی کم: طراحی بردهای مدارچاپی سخت به‌گونه‌ای است که جریان‌های الکتریکی بین اجزا به حداقل می‌رسد و در نتیجه، انتشار امواج رادیویی و تداخل الکترومغناطیسی (EMI) را کاهش می‌دهد.
• قابلیت جذب لرزش: بردهای مدارچاپی سخت به دلیل ساختار محکم خود، می‌توانند لرزش‌ها را تا حدی جذب کنند و از آسیب‌دیدن اجزا در محیط‌های خشن محافظت کنند.
• فشرده: بردهای مدارچاپی سخت به دلیل ساختار تخت خود، فضای کمی را اشغال می‌کنند و برای استفاده در دستگاه‌های کوچک و مینیاتوری ایده‌آل هستند.
• سبک‌وزن: مواد مورداستفاده در ساخت بردهای مدارچاپی سخت، مانند فایبرگلاس و اپوکسی، سبک هستند و به کاهش وزن کلی دستگاه کمک می‌کنند.

5. مدارچاپی انعطاف‌پذیر

مدارچاپی انعطاف‌پذیر، برد مدارچاپی است که از مدارهای چاپی و قطعات الکترونیکی زیادی تشکیل شده است که روی یک زیره انعطاف‌پذیر قرار گرفته‌اند.  این زیره معمولاً از پلی‌آمید، پلی اتر اترکتون یا یک فیلم پلی‌استر رسانای شفاف ساخته می‌شود.

به مدارچاپی انعطاف‌پذیر، مدارچاپی خم شونده، فلکس PCB و یا مدارچاپی چندکاره نیز گفته می‌شود. اجزای تشکیل‌دهنده این نوع مدارهای چاپی مشابه مدارهای چاپی سخت است. تفاوت اصلی این است که این بردها برای خم‌شدن به شکل دلخواه در کاربرد موردنظر طراحی شده‌اند.  این مدارهای چاپی در انواع تک‌لایه، دولایه و چندلایه موجود هستند. استفاده از آنها باعث کاهش پیچیدگی مونتاژ نهایی دستگاه می‌شود.

از مدارهای چاپی انعطاف‌پذیر در ساخت نمایشگرهای OLED و LCD، سلول‌های خورشیدی انعطاف‌پذیر، صنایع خودروسازی، تلفن‌های همراه، دوربین‌ها و محصولات الکترونیکی پیچیده؛ مانند لپ‌تاپ‌ها استفاده می‌شود.

مزایای مدارهای چاپی انعطاف‌پذیر

• کاهش فضای اشغال شده: مدارهای چاپی انعطاف‌پذیر به دلیل قابلیت خم‌شدن، فضای کمتری نسبت به PCBهای سخت اشغال می‌کنند.
• حذف کانکتورها: انعطاف‌پذیری این نوع مدارهای چاپی باعث می‌شود تا در بسیاری از موارد نیازی به کانکتور و کابل‌های رابط نباشد که این امر موجب کاهش هزینه، افزایش اطمینان اتصال و همچنین ساده‌سازی فرایند مونتاژ می‌گردد.
• مدیریت حرارتی بهتر: به دلیل سهولت در طراحی و چینش اجزا بر روی بردهای الکترونیکی انعطاف‌پذیر، مدیریت حرارت در این نوع مدارهای چاپی بهینه‌تر صورت می‌گیرد.
• افزایش قابلیت اطمینان و تکرارپذیری: با حذف کانکتورها، تعداد نقاط احتمالی خرابی نیز کاهش می‌یابد و در نتیجه، مدارچاپی انعطاف‌پذیر از نظر عملکردی قابل‌اعتمادتر و تکرارپذیرتر می‌شود.
• ارائه مشخصات الکتریکی یکنواخت برای مدارهای پرسرعت: مدارهای چاپی انعطاف‌پذیر می‌توانند سیگنال‌های الکتریکی را باکیفیت بالا و یکنواخت حتی در مدارهای پرسرعت منتقل کنند.
• مناسب برای کاربردهایی که نیازمند تراکم بالای مسیرهای سیگنال است: به دلیل ماهیت انعطاف پذیر این نوع PCB ها، امکان قرارگیری تعداد بیشتری از مسیرهای سیگنال در فضای کمتر وجود دارد.

6. مدارچاپی انعطاف‌پذیر سخت

مدارچاپی انعطاف‌پذیر سخت، نوعی برد مدارچاپی ترکیبی است که از ویژگی‌های بردهای مدارچاپی انعطاف‌پذیر و سخت استفاده می‌کند. نتیجه این ترکیب، بردی است که قابلیت خم‌شدن یا انعطاف‌پذیری مداوم دارد و معمولاً در طی فرایند ساخت به شکل خمیده یا منحنی درمی‌آید. قسمت انعطاف‌پذیر برد معمولاً برای برقراری ارتباط بین بخش‌های سخت استفاده می‌شود. این قابلیت امکان استفاده از سیم‌‌های نازک‌تر را فراهم می‌سازد که فضای کمتری اشغال کرده و در نتیجه منجر به بردهای کوچک‌تر می‌شود. استفاده از بخش‌های منعطف برای برقراری ارتباط، اغلب نیاز به کانکتورهایی را که حجیم و دست‌وپاگیر هستند، برطرف می‌کند و باعث می‌شود تا بردهای مدارچاپی انعطاف‌پذیر سخت بسیار سبک‌تر شوند.

طراحی بردهای مدارچاپی انعطاف‌پذیر سخت کمی پیچیده‌تر است، زیرا این بردها به‌صورت سه‌بعدی ساخته می‌شوند و امکان خم‌شدن یا چرخیدن برای دستیابی به شکل نهایی محصول را دارند. طراحی سه‌بعدی برد، عملکرد بهتری از نظر اشغال فضا ارائه می‌دهد که می‌تواند در موارد خاصی که نیاز به کاهش فضا و وزن است، مانند تجهیزات پزشکی، مورداستفاده قرار گیرد.

بردهای انعطاف‌پذیر سخت را می‌توان به‌صورت فشرده طراحی کرد و ماهیت سبک‌وزن آن‌ها باعث می‌شود تا انتخابی عالی برای طیف وسیعی از کاربردها در صنایع هوافضا، پزشکی و لوازم الکترونیکی مصرفی باشند.

مزایای بردهای مدارچاپی انعطاف‌پذیر سخت

• قابلیت خم‌شدن ۳۶۰ درجه
• کاهش نیاز به فضا با توانایی طراحی سه‌بعدی
• مقاومت در برابر ضربه
• افزایش قابلیت اطمینان
• وزن سبک
• اتصالات لحیم کاری کمتر که باعث اطمینان بالاتر اتصال می‌شود
• ساده‌سازی فرایند مونتاژ برد مدارچاپی

جمع‌بندی

بردهای الکترونیکی (electronic board) از قطعات بسیار مهم در صنعت الکترونیک هستند. این قطعات سخت‌افزاری، وظیفه نگهداری قطعات ریزی؛ چون خازن، مقاومت، دیود و آی سی را بر عهده دارند. بردها در حقیقت یک‌لایه به اشکال مختلف هستند که قطعات مدار بر اساس چیدمان خاصی بر روی آنها سوار می‌شوند. مونتاژشدن قطعات بر روی این بردها، توسط عمل لحیم کاری صورت می‌گیرد. بردهای الکترونیکی انواع زیادی دارند و در بیشتر لازمه‌های خانگی به کار برده می‌شوند.