ساختار برد الکترونیکی(PCB)؛ کالبد شکافی دقیق لایهها و اجزای تشکیل دهنده
لینک کپی شد!
hadiroshan
📑دسترسی سریع به مطالب
▼
جلسه سوم | دوره رایگان مسیر صفر تا صد الکترونیک
نویسنده: مهندس هادی روشن پور، با بیش از ۱۰ سال تجربه عملی در طراحی و تعمیر بردهای الکترونیکی صنعتی و مصرفی (از پاورهای سوئیچینگ تا مدارهای پزشکی).
اگر تا به حال یک کنترل تلویزیون شکسته، یک مادربرد کامپیوتر یا حتی یک اسباببازی ساده را باز کرده باشید، با یک صفحه سبز رنگ (یا گاهی آبی و مشکی) که پر از خطوط نقرهای و قطعات ریز است، روبرو شدهاید. این صفحه، قلب تپنده تمام گجتهای دنیای مدرن است. اما واقعاً در دل این شهر مینیاتوری چه میگذرد؟ شناخت ساختار برد الکترونیکی (PCB) برای هر کسی که میخواهد وارد دنیای الکترونیک، تعمیرات موبایل، تعمیرات الکترونیک و یا طراحی مدار شود، یکی از اولین و مهمترین قدم هاست.
در این مقاله از سایت اهمیکا، ما قصد داریم دقیقاً مثل یک جراح، تیغ را برداریم و به کالبدشکافی کامل ساختار برد الکترونیکی بپردازیم. ما لایه به لایه پایین میرویم تا ببینیم زیر این پوسته سبز رنگ چه خبر است. پس با ما همراه باشید.
مقدمه: برد الکترونیکی؛ اسکلتبندی دنیای دیجیتال
برد مدار چاپی یا PCB (مخفف Printed Circuit Board)، بستری فیزیکی است که قطعات الکترونیکی روی آن سوار میشوند و از طریق مسیرهای مسی به هم متصل میگردند. تصور کنید اگر بردها نبودند، برای ساخت یک مدار ساده باید هزاران سیم را به هم گره میزدیم! ساختار برد الکترونیکی به گونهای طراحی شده که علاوه بر نگه داشتن قطعات، سیگنالهای الکتریکی را با دقت نانومتری بین آنها جابهجا کند.
برای یک تعمیرکار یا طراح، درک ساختار برد الکترونیکی مثل درک آناتومی بدن برای یک پزشک است. اگر ندانید “وایا” چیست یا “سولدر ماسک” چه وظیفهای دارد، نمیتوانید عیبیابی کنید یا یک برد حرفهای طراحی نمایید.
نمای نزدیک از ساختار برد الکترونیکی و قطعات نصب شده روی آن
۱. آناتومی کلی: لایه های برد الکترونیکی
اگر بخواهیم ساختار برد الکترونیکی را به سادهترین شکل توضیح دهیم، باید آن را به یک ساندویچ یا لازانیا تشبیه کنیم. این ساختار از چندین لایه مختلف تشکیل شده که تحت دما و فشار زیاد به هم پرس شدهاند. شاید در نگاه اول شما فقط یک لایه ببینید، اما ساختار برد الکترونیکی معمولاً شامل ۴ بخش اصلی است:
لایه بستر (Substrate) یا هسته
لایه مس (Copper)
لایه سولدر ماسک (Solder Mask)
لایه سیلک اسکرین (Silkscreen)
هر کدام از این بخشها در ساختار برد الکترونیکی وظیفه حیاتی و خاصی دارند که در ادامه با جزئیات دقیق بررسی میکنیم.
۲. لایه بستر (Substrate)؛ استخوانبندی برد
اولین و زیرینترین بخش در ساختار برد الکترونیکی، لایه بستر یا سوبسترا است. این لایه همان چیزی است که به برد ضخامت و استحکام میدهد.
متریال و جنس برد (FR4)
معروفترین مادهای که در ساختار برد الکترونیکی به عنوان بستر استفاده میشود، FR4 است. FR4 یک کامپوزیت متشکل از الیاف شیشه (Fiberglass) با رزین اپوکسی است.
چرا FR4؟ چون هم عایق الکتریکی بسیار خوبی است، هم در برابر حرارت مقاوم است و هم استحکام مکانیکی بالایی دارد.
ضخامت: ضخامت استاندارد اکثر بردها ۱.۶ میلیمتر است، اما در ساختار برد الکترونیکی موبایلها یا گجتهای ظریف، این ضخامت میتواند بسیار کمتر باشد.
البته همه بردها از FR4 ساخته نمیشوند. در بردهای ارزانقیمت (مثل کیتهای آموزشی ساده)، ممکن است از جنس فنولیک یا استخوانی (که رنگ قهوه ای/زرد دارد) استفاده شود که کیفیت و دوام FR4 را ندارد. همچنین در ساختار برد الکترونیکی لامپهای LED پرقدرت، از بسترهای آلومینیومی برای دفع بهتر حرارت استفاده میشود.
لایههای تشکیل دهنده ساختار برد الکترونیکی از نمای برش خورده
۳. لایه مس (Copper Layer)؛ سیستم عصبی و رگهای برد
روی لایه بستر، یک لایه بسیار نازک از فویل مس قرار میگیرد. در واقع، تمام جادوی انتقال جریان در ساختار برد الکترونیکی بر عهده این لایه است.
در فرآیند تولید، این لایه مس تمام سطح برد را میپوشاند. سپس با استفاده از مواد شیمیایی (اسیدکاری)، بخشهای اضافی حذف میشوند و فقط مسیرهای مورد نیاز باقی میمانند. این مسیرهای باقیمانده همان “تِرک” (Track) ها هستند که الکتریسیته را هدایت میکنند.
تعداد لایههای مس در ساختار برد الکترونیکی
بردهای یک لایه (Single Layer): مس فقط در یک طرف برد وجود دارد. (ارزان و ساده).
بردهای دو لایه (Double Layer): مس در هر دو طرف برد (رو و پشت) وجود دارد و از طریق سوراخهایی به هم وصل میشوند. این نوع ساختار برد الکترونیکی بسیار رایج است.
بردهای چند لایه (Multi-Layer): در بردهای پیشرفته (مثل مادربرد کامپیوتر)، چندین لایه مس در بین لایههای عایق ساندویچ میشوند. ممکن است ۴، ۶، ۸ یا حتی لایههای بیشتری وجود داشته باشد.
نکته مهم در ساختار برد الکترونیکی، ضخامت مس است که معمولاً با واحد “اونس” (oz) سنجیده میشود. هرچه جریان عبوری بیشتر باشد، به ضخامت مس بیشتری نیاز داریم.
۴. سولدر ماسک یا چاپ سبز (Solder Mask)؛ پوست محافظ
آن رنگ سبزی که شما میبینید، در واقع خودِ برد نیست! بلکه لایهای محافظ به نام سولدر ماسک یا چاپ سبز است که روی مس کشیده میشود. بدون این لایه، ساختار برد الکترونیکی بسیار آسیبپذیر خواهد بود.
وظایف سولدر ماسک در ساختار برد الکترونیکی:
جلوگیری از اتصال کوتاه: مهمترین وظیفه آن این است که روی تِرکهای مسی را بپوشاند تا قلع (لحیم) به اشتباه پایههای نزدیک به هم را اتصال ندهد.
محافظت در برابر اکسیداسیون: مس در مجاورت هوا به سرعت اکسید و سیاه میشود. سولدر ماسک مثل یک لاک محافظ عمل میکند.
زیبایی: اگرچه رنگ سبز استاندارد است، اما در ساختار برد الکترونیکی مدرن از رنگهای آبی، قرمز، مشکی، سفید و بنفش هم استفاده میشود.
نحوه اعمال پوشش محافظ روی ساختار برد الکترونیکی
۵. سیلک اسکرین (Silkscreen)؛ راهنمای نقشهخوانی
آخرین لایه که روی سولدر ماسک چاپ میشود، نوشتهها، اعداد و اشکال سفید رنگی است که به آن سیلک اسکرین میگویند. این لایه هیچ نقش الکتریکی در ساختار برد الکترونیکی ندارد، اما برای انسانها حیاتی است.
اجزای برد مدار چاپی بدون سیلک اسکرین مثل یک شهر بدون تابلوهای راهنما هستند. سیلک اسکرین به ما میگوید:
کدام قطعه کجاست؟ (مثلاً R1 جای مقاومت اول است).
جهت قطعه کدام طرف است؟ (مثلاً قطب مثبت خازن یا پایه ۱ آیسی).
نام شرکت سازنده یا ورژن برد چیست.
در یک ساختار برد الکترونیکی استاندارد، کیفیت چاپ سیلک باید به قدری بالا باشد که نوشتههای ریز هم خوانا باشند.
۶. بررسی دقیق اجزای برد مدار چاپی (PCB) روی سطح؛ تِرک و پد (Track & Pad)
حالا که لایهها را شناختیم، بیایید به جزئیات روی سطح نگاه کنیم. دو اصطلاح بسیار مهم در ساختار برد الکترونیکی وجود دارد که باید مثل نام خودتان بلد باشید: تِرک و پد.
پد (Pad) چیست؟
پدها نقاطی از مس هستند که پوشش سولدر ماسک از روی آنها برداشته شده است. اینها همان نقاطی هستند که پایههای قطعات الکترونیکی روی آنها لحیم میشوند.
پد THD: سوراخدار است و پایه قطعه داخل آن میرود.
پد SMD: روی سطح است و قطعه روی آن مینشیند.
تِرک (Track) چیست؟
ترکها همان سیمکشیهای روی برد هستند. در ساختار برد الکترونیکی، ما سیم آویزان نداریم؛ به جای آن، مس را به شکل نوارهای باریک در میآوریم تا جریان را هدایت کند. پهنای تِرک در طراحی PCB بسیار مهم است؛ اگر تِرک باریک باشد و جریان زیاد عبور کند، تِرک مثل فیوز میسوزد و قطع میشود.
۷. وایا (Via) در برد مدار چاپی؛ آسانسورهای الکترونی
وقتی با یک ساختار برد الکترونیکی دو لایه یا چند لایه سر و کار داریم، چگونه جریان از لایه رو به لایه زیر میرود؟ پاسخ “وایا” (Via) است.
وایاها سوراخهای ریزی هستند که داخل آنها با مس آبکاری شده است. این سوراخها مثل تونل یا آسانسور عمل میکنند و ارتباط الکتریکی را بین طبقات مختلف ساختار برد الکترونیکی برقرار میسازند.
انواع وایا در ساختار برد الکترونیکی:
Through-Hole Via: سوراخی که از تمام لایهها رد میشود (رایجترین نوع).
Blind Via (وایا کور): از لایه بیرونی شروع میشود اما به لایه بیرونی طرف دیگر نمیرسد (فقط تا وسط برد میرود).
Buried Via (وایا مدفون): کاملاً در لایههای داخلی پنهان است و از بیرون دیده نمیشود.
جدول مقایسه انواع متریال در ساختار برد
برای اینکه دید بهتری نسبت به جنس بردهای موجود در بازار داشته باشید، جدول زیر را مطالعه کنید. شناخت متریال، بخشی از شناخت ساختار برد الکترونیکی است.
نوع متریال
نام تجاری
ویژگیهای ساختاری
کاربرد اصلی
فایبرگلاس
FR4
رایجترین در ساختار برد الکترونیکی، مقاوم، عایق عالی
مادربرد، موبایل، لوازم خانگی
کامپوزیت اپوکسی
CEM-1 / CEM-3
ارزانتر از FR4، رنگ سفید/شیری
بردهای پاور، لوازم صوتی ارزان
فنولیک (کاغذی)
FR1 / FR2
رنگ زرد/قهوهای، شکننده، ارزان
کیتهای ساده، رادیوهای قدیمی
آلومینیومی
Metal Core
انتقال حرارت بسیار بالا
لامپهای LED، درایورهای موتور
فلکسیبل (انعطافپذیر)
Polyimide
قابلیت خم شدن در ساختار برد الکترونیکی
فلتهای گوشی، دوربینها
۸. چرا رنگ بردها متفاوت است؟ (روانشناسی رنگ در PCB)
شاید برایتان سوال باشد که آیا رنگ برد در ساختار برد الکترونیکی تاثیری دارد؟
سبز: استانداردترین رنگ. خستگی چشم را برای تعمیرکار کم میکند و بازرسی چشمی آن راحت است.
قرمز: معمولاً نشانه نمونه اولیه (Prototype) است، اما برخی شرکتها (مثل MSI) از آن استفاده تجاری میکنند. کنتراست خوبی دارد.
آبی: کنتراست کمتری با مس دارد و تِرکها سختتر دیده میشوند. بیشتر جنبه زیبایی دارد.
مشکی: بسیار شیک و حرفهای (مثل محصولات اپل)، اما کابوس تعمیرکاران! چون تِرکهای مسی در پسزمینه مشکی به سختی دیده میشوند و عیبیابی این نوع ساختار برد الکترونیکی دشوار است.
سفید: فقط برای بردهای LED استفاده میشود تا بازتاب نور را زیاد کند.
۹. اهمیت لایه محافظ سطح (Surface Finish)
روی پدها (نقاط مسی لخت)، اگر بدون محافظ بمانند، اکسید میشوند و دیگر لحیم نمیگیرند. بنابراین در مرحله آخر تولید ساختار برد الکترونیکی، یک لایه نهایی روی پدها میآید. رایجترین آنها عبارتند از:
HASL (قلع و سرب): ارزان و رایج. پدها نقرهای رنگ هستند.
ENIG (طلا): پوشش نازک طلا. بسیار مسطح و عالی برای قطعات حساس. رنگ طلایی دارد.
OSP: یک لایه آلی نازک و شفاف.
۱۰. تکنولوژیهای مونتاژ روی ساختار برد الکترونیکی
شناخت نحوه اتصال قطعات به ساختار برد الکترونیکی نیز بخشی از کالبدشکافی است.
THT (Through-Hole Technology): تکنولوژی قدیمی که پایهها از سوراخ رد میشوند و پشت برد لحیم میشوند. استحکام مکانیکی بالایی دارد (مثل خازنهای بزرگ).
SMT (Surface Mount Technology): تکنولوژی نصب سطحی. قطعات روی سطح برد قرار میگیرند. این تکنولوژی اجازه داد ساختار برد الکترونیکی کوچکتر و متراکمتر شود (مثل قطعات ریز موبایل).
سوالات متداول درباره ساختار برد الکترونیکی
در این بخش به برخی از پرتکرارترین سوالات شما در مورد ساختار برد الکترونیکی پاسخ میدهیم.
۱. آیا میتوانیم خودمان برد مدار چاپی بسازیم؟
بله، برای مدارهای ساده میتوانید با روشهای خانگی (مثل روش اتو یا لامینت) یک ساختار برد الکترونیکی ساده بسازید. اما برای بردهای چند لایه و دقیق، حتماً نیاز به تجهیزات صنعتی کارخانهای است.
۲. چرا ضخامت مس در بردهای قدرت مهم است؟
در ساختار برد الکترونیکی، ضخامت و پهنای مس تعیین میکند که چه مقدار جریان میتواند عبور کند. اگر مس نازک باشد و جریان زیاد عبور کند، مسیر داغ شده و برد میسوزد.
۳. تفاوت برد یک لایه و دو لایه در چیست؟
در برد یک لایه، مس فقط در یک سمت است و مسیرها نباید همدیگر را قطع کنند (چون فضا کم است). اما در ساختار برد الکترونیکی دو لایه، میتوان از هر دو طرف برای مسیریابی استفاده کرد و با وایا آنها را به هم وصل کرد که اجازه طراحی مدارهای پیچیدهتری را میدهد.
۴. فایل طراحی برد الکترونیکی چه فرمتی دارد؟
فایلهای استاندارد برای تولید ساختار برد الکترونیکی، فایلهای “Gerber” هستند. نرمافزارهایی مثل Altium Designer، Eagle و Proteus این فایلها را خروجی میدهند.
جمعبندی؛ سفر به عمق تکنولوژی
ما در این مقاله از سایت اهمیکا، سفری عمیق به درون ساختار برد الکترونیکی داشتیم. دیدیم که این قطعه سبز رنگ ساده، در واقع مهندسی پیچیدهای از لایههای FR4، مس، سولدر ماسک و سیلک اسکرین است.
شناخت دقیق اجزای برد مدار چاپی (PCB)، تفاوت بین تِرک و پد، و نقش حیاتی وایاها، نه تنها دانش شما را بالا میبرد، بلکه اگر تعمیرکار یا طراح باشید، کیفیت کار شما را دگرگون میکند.
دنیای الکترونیک دنیای شگفتانگیزی است و درک ساختار برد الکترونیکی دروازه ورود به این دنیاست. اگر دوست دارید بیشتر یاد بگیرید و به یک متخصص تمام عیار تبدیل شوید، پیشنهاد میکنیم مقالات دیگر بخش “آموزش الکترونیک” سایت اهمیکا را از دست ندهید.
لینکهای مفید پیشنهادی برای مطالعه بیشتر (External Links):
اولین نفری باشید که امتیاز میدهید!