مفاهیم اصلی PCB: تخته های مدار چاپی چیست و چگونه کار می کنند

تصاویری که توسط مشتری به وجود آمده است

صفحه های مدار چاپی (PCB) ستون فقرات هر دستگاه الکترونیکی مدرن هستند، از گوشی های هوشمند در جیب تا رادار در یک ماشین بدون راننده.تخته های لایه دار سیم های کثیف را با ردپای دقیق مس جایگزین می کنندبدون PCB، الکترونیک کوچک و با کارایی بالا امروز غیرممکن است:یک گوشی هوشمند با صدها سیم گشوده را تصور کنید، یا یک مانیتور پزشکی که به دلیل اتصال پیچیده شکست می خورد.

همانطور که صنعت الکترونیک جهانی رشد می کند، تقاضای PCB نیز افزایش می یابد. بازار جهانی PCB پیش بینی می شود از 84.24 میلیارد دلار در سال 2025 به 106.85 میلیارد دلار در سال 2030 افزایش یابد.رانندگی توسط وسایل نقلیه الکتریکی (EVs) که از PCB های 3×5 برابر بیشتر از اتومبیل های سنتی استفاده می کننداین راهنما مفاهیم اصلی PCB را تجزیه می کند: آنها چه هستند، ساختار آنها، اجزای کلیدی، کاربردهای آنها، و چگونگی قدرت دستگاه هایی که ما به آنها اعتماد می کنیم.این که آیا شما یک علاقه مندی هستید که یک پروژه DIY را انجام می دهید یا یک مهندس طراحی تجهیزات صنعتی هستید، درک این اصول اساسی به شما کمک می کند تا با PCB ها به طور موثرتر کار کنید.

نکات کلیدی
1تعریف: PCB یک صفحه لایه دار است که از ردارهای مس رسان برای اتصال اجزای الکترونیکی استفاده می کند، سیم های انبوه را جایگزین می کند و امکان کوچک سازی را فراهم می کند.
2انواع: PCB ها بر اساس پیچیدگی (یک طرفه، دو طرفه، چند لایه) و قابلیت اطمینان (کلاس 1 برای اسباب بازی، کلاس 3 برای دستگاه های پزشکی / هوافضا) طبقه بندی می شوند.
3ساختار: لایه های هسته ای شامل یک بستر (به عنوان مثال FR4) ، ردپای مس ، ماسک جوش (پوشش محافظتی) و صفحه ابریشم (لقب).
4مواد: FR4 بستر استاندارد برای اکثر وسایل الکترونیکی است؛ PCB های انعطاف پذیر از پلی آمید استفاده می کنند، در حالی که طرح های فرکانس بالا به PTFE تکیه می کنند.
5کاربردها: PCB ها دستگاه های مصرفی، وسایل الکتریکی، دستگاه های پزشکی و سیستم های هوافضا را با طرح های تخصصی برای نیازهای هر صنعت تقویت می کنند.
6هزینه و کارایی: PCB های چند لایه هزینه بیشتری دارند اما فضای بیشتری را صرفه جویی می کنند؛ تولید حجم بالا هزینه های واحد را 30-50٪ کاهش می دهد.

PCB چیست؟ تعریف، هدف و طبقه بندی
A Printed Circuit Board (PCB) is a rigid or flexible board that mechanically supports and electrically connects electronic components using conductive pathways (called “traces”) etched into copper layersبر خلاف سیم کشی قدیمی ′′point-to-point′′ (که از سیم های گسسته برای اتصال قطعات استفاده می کرد) ، PCB ها جمع و جور، با دوام و تولید انبوه آسان هستند.

هدف اصلی PCB ها
PCB ها سه مشکل مهم در الکترونیک را حل می کنند:

1مینیاتوریزاسیون: ردیف های مس (تا 0.1 میلی متر) به طراحان اجازه می دهد صدها قطعه را روی یک صفحه کوچکتر از یک کارت اعتباری قرار دهند (به عنوان مثال ، PCB اصلی تلفن هوشمند).
2قابلیت اطمینان: ردیاب های ثابت اتصال های گسسته را از بین می برند و نرخ شکست را در مقایسه با مدار های سیم کشی 70٪ کاهش می دهند.
3قابلیت تولید: مونتاژ خودکار (ماشین های انتخاب و قرار دادن) می تواند 1000+ PCB را در ساعت پر کند و تولید حجم بالا را مقرون به صرفه کند.

طبقه بندی PCB: بر اساس قابلیت اطمینان و پیچیدگی
PCB ها بر اساس استفاده مورد نظر (قابل اطمینان) و تعداد لایه ها (پیچیدگی) به دو دسته تقسیم می شوند.
1کلاس های قابلیت اطمینان (استانداردهای IPC)
IPC (انجمن صنایع الکترونیک متصل) سه کلاس را بر اساس میزان حیاتی PCB برای عملکرد دستگاه تعریف می کند:

مثال: یک PCB کلاس 3 در یک تنظیم کننده ضربان قلب باید از آزمایشات سختگیرانه (به عنوان مثال، 1000+ چرخه حرارتی) برای جلوگیری از خرابی، در حالی که یک PCB کلاس 1 در یک اسباب بازی فقط به عملکرد اساسی نیاز دارد.

2کلاس های پیچیدگی (شمار لایه ها)
تعداد لایه ها تعیین می کند که یک PCB می تواند چند مسیر رسانا را پشتیبانی کند. لایه های بیشتر به معنای اجزای بیشتر و سیگنال های سریعتر است:

روند: PCB های چند لایه ای (۶-۱۲ لایه) در حال حاضر در تلفن های هوشمند استاندارد هستند و آیفون ۱۵ اپل از PCB ۸ لایه ای برای قرار دادن پردازنده ۵ نانومتری و مودم ۵G در یک طراحی باریک استفاده می کند.

PCB در مقابل PCBA: تفاوت چیست؟
یک منبع رایج سردرگمی تفاوت بین PCB و PCBA (جمع آوری صفحه مدار چاپی) است:

a.PCB: ′′بورد برهنه′′ تنها ساختار لایه دار (سربست، مس، ماسک جوش) بدون هیچ جزء متصل.
b.PCBA: اجزای محصول نهایی (مقاوم، IC ها، کانکتورها) به PCB جوش داده می شوند و آن را کاربردی می کنند.

مثال: یک تولید کننده ممکن است یک PCB برهنه را به یک علاقه مندی بفروشد، اما یک کارخانه تلفن هوشمند PCBA ها را آماده نصب در دستگاه ها خریداری می کند.

ساختار PCB: لایه ها و مواد
عملکرد PCB به طراحی لایه دار و مواد مورد استفاده برای هر لایه بستگی دارد. حتی تغییرات کوچک (به عنوان مثال، یک بستر ضخیم تر) می تواند بر دوام، سرعت سیگنال و مقاومت گرما تأثیر بگذارد.

چهار لایه اصلی یک PCB استاندارد
اکثر PCB های سفت (به عنوان مثال بر اساس FR4) دارای چهار لایه اصلی هستند، در حالی که طرح های انعطاف پذیر یا چند لایه ای لایه های اضافی را برای نیازهای خاص اضافه می کنند:

لایه های اختیاری برای PCB های پیشرفته:

a.طرح های قدرت/زمین: لایه های مس داخلی (در PCB های چند لایه ای) که قدرت را توزیع می کنند و نویز را کاهش می دهند که برای طرح های با سرعت بالا حیاتی است.
b.Vias حرارتی: سوراخ های پر از مس که گرما را از اجزای داغ (به عنوان مثال IC ها) به لایه های داخلی یا بخاری های حرارتی منتقل می کنند.

مواد اصلی PCB: چگونه مناسب را انتخاب کنیم
انتخاب مواد به مورد استفاده از PCB بستگی دارد. به عنوان مثال، یک باند ساعت هوشمند انعطاف پذیر به یک بستر متفاوت از یک اینورتر EV با حرارت بالا نیاز دارد. در زیر مقایسه رایج ترین مواد:

ملاحظات مهم: برای طرح های فرکانس بالا (به عنوان مثال 5G mmWave) ، از دست دادن دی الکتریک پایین PTFE (Df = 0.0002) کاهش ضخامت سیگنال را به حداقل می رساند. چیزی که FR4 (Df = 0.02) نمی تواند مطابقت داشته باشد.

اجزای ضروری PCB: چه کاری انجام می دهند و چرا اهمیت دارند
PCB تنها زمانی کار می کند که اجزای آن به آن جوش داده شوند. هر جزء نقش خاصی از کنترل جریان تا پردازش داده دارد. در زیر رایج ترین اجزای آن و عملکرد آنها آورده شده است:
اجزای رایج PCB و نقش آنها

مثال: در یک هدفون بی سیم، یک IC سیگنال های صوتی را پردازش می کند، خازن ها برق را از باتری،و مقاومت ها از بلندگو در برابر جریان بیش از حد محافظت می کنند.

چگونگی همکاری اجزای بدن
قطعات در مدارها (سری، موازی یا مخلوط) برای انجام وظایف خاص مرتب می شوند. به عنوان مثال:

یک مدار برق: یک باتری ولتاژ را تامین می کند → یک دیود مانع از جریان معکوس می شود → یک خازن صدا را فیلتر می کند → یک مقاومت جریان را به یک LED محدود می کند.
ب. مدار سیگنال: یک سنسور نور را تشخیص می دهد → یک ترانزیستور سیگنال را تقویت می کند → یک IC داده ها را پردازش می کند → یک کانکتور نتایج را به یک صفحه نمایش ارسال می کند.

این همکاری تضمین می کند که PCB به عنوان یک سیستم یکپارچه و منسجم عمل کند.

کاربردهای PCB: کجا استفاده می شوند (و چرا)
PCB ها در همه جا هستند، اما طراحی آنها به طور چشمگیری با صنعت متفاوت است. PCB برای یک اسباب بازی نیازی به هیچ یک از دوام مورد استفاده در یک ماهواره ندارد،و یک PCB انعطاف پذیر برای یک ساعت هوشمند نمی تواند گرمای یک اینورتر EV را تحمل کند.
1الکترونیک مصرفی: بزرگترین بازار
دستگاه های مصرفی به PCB های کوچک و ارزان قیمت که عملکرد و مقرون به صرفه را متعادل می کنند متکی هستند. کاربردهای اصلی عبارتند از:

a.اسمارتفون ها: PCB های 6 ′′12 لایه با ردپای کوچک (0.1 میلی متر) برای متناسب شدن با مودم های 5G، پردازنده ها و دوربین ها.
ب.برق پوشیدنی: پی سی بی های پلی آمید انعطاف پذیر که با ساعت های هوشمند یا باند های تناسب اندام خم می شوند Apple Watch از یک PCB انعطاف پذیر 4 لایه در کمربند خود استفاده می کند.
ج. لوازم خانگی: PCB های FR4 تک یا دو طرفه در یخچال ها (کنترول دمای) و مایکروویو (مدیریت قدرت).

داده های بازار: الکترونیک مصرفی 40٪ از تقاضای جهانی PCB را تشکیل می دهد که توسط فروش سالانه گوشی های هوشمند 1.3 میلیارد واحد هدایت می شود.

2خودرو: خودروهای برقی و ADAS رشد را پیش می برند
خودروها از PCB های بیشتری نسبت به گذشته استفاده می کنند. ماشین های ICE سنتی 50-100 PCB دارند، در حالی که EV ها 300-500 PCB دارند.

a.ADAS (سیستم های پیشرفته کمک به راننده): PCB های چند لایه ای در رادار (77GHz) و سیستم های LiDAR
c.EV Battery Management Systems (BMS): PCB های مس ضخیم (2 اونس+) که 400V DC را اداره می کنند و گرما را از سلول های باتری از بین می برند.
اطلاعات سرگرمی: PCB های دو طرفه برای صفحه لمسی و اتصال بلوتوث.

الزامات کلیدی: PCB های خودرو باید در برابر دمای -40 °C تا 125 °C و ارتعاش (20G+) مقاومت کنند، بنابراین از FR4 Tg بالا (Tg ≥170 °C) و محافظت اضافی از ماسک جوش استفاده می کنند.

3دستگاه های پزشکی: ایمنی و دقت
PCB های پزشکی کلاس 3 (امنیت حیاتی) هستند و نیاز به سازگاری زیستی، ناباروری و قابلیت اطمینان دارند. کاربردهای رایج:

a.Implantables: PCB های انعطاف پذیر polyyimide در سازنده های قلبی و محرک های عصبی ‬ آنها ‬ سازگار با زیست شناسی هستند و به مایعات بدن مقاومت می کنند.
ب. تشخیص: PCB های چند لایه ای در دستگاه های سونوگرافیک و تحلیلگرهای خون
c. قابل پوشیدن: PCB های انعطاف پذیر در مانیتورهای ضربان قلب

انطباق: PCB های پزشکی با استانداردهای ISO 13485 مطابقت دارند و تحت آزمایش دقیق قرار می گیرند (به عنوان مثال، 1000+ چرخه اتوکلاو برای استریل شدن).

4هوافضا و دفاع: دوام فوق العاده
PCB های هوافضا در محیط های خشن (انشعاع، خلاء، دمای شدید) کار می کنند و باید ایمن باشند. کاربردهای شامل:

الف.هواپیمای: PTFE و PCB های سرامیکی که در برابر تشعشعات (100kRad) مقاومت می کنند و در -55°C تا 125°C کار می کنند.
ب.هواپیمای نظامی: PCB های چند لایه ای در سیستم های رادار و ناوبری مقاومت در برابر لرزش گلوله (100G) و قرار گرفتن در معرض سوخت.
c. موشک ها: PCB های فرکانس بالا که سیستم های هدف گذاری را هدایت می کنند. بستر PTFE از دست دادن سیگنال را در 100GHz به حداقل می رساند.

آزمایش: PCB های هوافضا از MIL-STD-883H (استانداردهای نظامی) برای چرخه حرارتی، لرزش و تشعشع عبور می کنند.

چگونه PCB ها کار می کنند: اتصالات الکتریکی و جریان سیگنال
وظیفه PCB حرکت سیگنال های الکتریکی و قدرت بین اجزای بدون تداخل یا از دست دادن است. این بر سه اصل اصلی طراحی تکیه دارد:
1. مسیرگیری: جاده های سیگنال ها
رد های مس جاده هایی هستند که سیگنال ها و قدرت را حمل می کنند. طراحان مسیر را بهینه می کنند تا:

a.کمترین طول: ردپای کوتاه تر تاخیر سیگنال را کاهش می دهد که برای طراحی های با سرعت بالا حیاتی است (به عنوان مثال، 5G از ردپای <5 سانتی متر برای جلوگیری از تاخیر استفاده می کند).
ب.از عبور اجتناب کنید: در PCB های تک طرفه، ردپای ها نمی توانند عبور کنند (این ها کوتاه هستند) ، بنابراین PCB های دو طرفه / چند لایه ای از ویاس ها (چاله ها) برای "پرش" بین لایه ها استفاده می کنند.
c. عرض کنترل: ردیاب های گسترده تر جریان بیشتری را حمل می کنند. 1 میلی متر پهناور ، دستگیره های ردیاب مس 1 اونس ~ 10A ، در حالی که دستگیره های ردیاب 0.2 میلی متر ~ 2A (استاندارد IPC-2221).

مثال: یک PCB تلفن هوشمند 5G از ردپای 0.15 میلی متر برای مسیرهای سیگنال و ردپای 1 میلی متر برای قدرت (باتری به IC) استفاده می کند.

2. تطبیق مقاومت: نگه داشتن سیگنال های روشن
مقاومت (مقاومت نسبت به سیگنال های AC) باید در تمام مسیرها ثابت باشد تا از بازتاب سیگنال جلوگیری شود. اکثر PCB ها از مقاومت 50Ω برای سیگنال های تک پایانی (به عنوان مثال USB) و 100Ω برای جفت های دیفرانسیل (به عنوان مثال.g، Ethernet) ، عدم تطابق معاوضات باعث می شود:

a.از دست دادن سیگنال: یک عدم تطابق مقاومت 10٪ (55Ω به جای 50Ω) 10٪ از سیگنال را منعکس می کند و محدوده را کاهش می دهد.
ب. سر و صدا: سیگنال های منعکس شده با سایر ردیف ها تداخل می کنند و باعث اختلال در صدا یا داده می شوند.

نحوه دستیابی به تطبیق: عرض ردیف و ضخامت بستر را تنظیم کنید، به عنوان مثال، ردیف 0.15 میلی متر در مقاومت 0.1 میلی متر FR4 = 50Ω.

3زمینگیری و کاهش سر و صدا
زمین گیری برای کاهش تداخل الکترومغناطیسی (EMI) ، که می تواند سیگنال ها را مختل کند، حیاتی است. PCB ها از:

a. سطح زمین: یک لایه مس جامد (در PCB های چند لایه ای) که به عنوان یک “شیلد” برای جذب سر و صدا عمل می کند.
ب. زمین گیری تک نقطه ای: تمام اتصالات زمین در یک نقطه ملاقات می کنند تا از حلقه های زمین گیری جلوگیری شود (که ایجاد سر و صدا می کنند).
c.کدپسیتورهای جدا کننده: قرار داده شده در نزدیکی IC ها برای فیلتر کردن سر و صدای قدرت ۰٫۱μF، کدپسیتورهای استاندارد برای اکثر طرح ها هستند.

نتیجه: یک PCB به خوبی زمین زده 50٪ EMI کمتری دارد، که آن را برای دستگاه های حساس مانند مانیتورهای پزشکی مناسب می کند.

پرسش های متداول درباره PCB: پاسخ به سوالات رایج
سوال1: تفاوت بین PCB های سفت و انعطاف پذیر چیست؟
A: PCB های سفت (بر اساس FR4) سفت هستند و در دستگاه هایی مانند لپ تاپ استفاده می شوند. PCB های انعطاف پذیر (بر اساس پلی آمید) خم و جمع می شوند. ایده آل برای پوشیدنی ها یا تلفن های تاشو. PCB های سفت و انعطاف پذیر هر دو را ترکیب می کنند (به عنوان مثال،یک PCB ساعت هوشمند با هسته سفت و کمربند انعطاف پذیر).

س2: چگونه مواد مناسب PCB را انتخاب کنم؟
پاسخ: از اين ليست پيگيري کنيد:

1کاربرد: انعطاف پذیر؟ از پلی آمید استفاده کنید. فرکانس بالا؟ از PTFE استفاده کنید.
2محیط زیست: گرم (EVs) ؟ از FR4 Tg بالا استفاده کنید. استریل (طبی) ؟ از پلی آمید سازگار با زیست استفاده کنید.
3هزینه: بودجه؟ FR4 استفاده کنید. پریمیوم؟ PTFE یا سرامیک استفاده کنید.

سوال 3: چرا PCB های چند لایه برای دستگاه های پیچیده بهتر هستند؟
ج: PCB های چند لایه ای:

a. صرفه جویی در فضا (PCB 6 لایه = 1/3 اندازه یک PCB یک طرفه با همان اجزای).
ب.کم کردن سر و صدا (طرح های قدرت و زمین جداگانه).
c. پشتیبانی از سیگنال های سریعتر (جایگاه های کوتاه تر، مقاومت کنترل شده).

سوال 4: آیا PCB ها می توانند بازیافت شوند؟
A: بله ٬ تاسیسات تخصصی از مس (۴۰٪/۶۰٪ از وزن PCB) و فلزات گرانبها (طلای، نقره) با استفاده از فرآیندهای شیمیایی یا مکانیکی استفاده می کنند.بازیافت باعث کاهش زباله های الکترونیکی و کاهش هزینه مواد اولیه می شود.

س5: برای طراحی PCB به چه ابزاری نیاز دارم؟
A: برای مبتدیان: ابزار رایگان مانند KiCad یا EasyEDA (برای پروژه های ساده عالی است). برای حرفه ای ها: Altium Designer یا Cadence Allegro (برنامه های چند لایه و فرکانس بالا را مدیریت می کند).اکثر ابزارها شامل ضبط طرحی (طراحی مدار) و طرح بندی (مجموعه های مکان / رد).

نتیجه گیری
PCB ها پایه ی الکترونیک مدرن هستند، که امکان کوچک سازی، قابلیت اطمینان و کارایی را که ما برای خود تضمین کرده ایم فراهم می کنند. از یک اسباب بازی کودک تا یک مریخ نورد، طراحی آنها، لایه ها، مواد،اجزای مختلف برای پاسخگویی به نیازهای منحصر به فرد هر برنامهدرک مفاهیم اصلی PCB - چگونگی ساختار آنها، مواد مورد استفاده و نحوه همکاری اجزای آنها - شما را قادر می سازد تا دستگاه های الکترونیکی را به طور موثر تر طراحی، ساخت یا تعمیر کنید.

با پیشرفت تکنولوژی (۶G، هوش مصنوعی، محاسبات کوانتومی) ، PCB ها نیز تکامل می یابند: ردپای نازک تر، لایه های بیشتر و مواد جدید (به عنوان مثال، گرافین برای سیگنال های سریعتر) محدودیت های آنچه ممکن است را افزایش می دهد.چه شما یک هواپیمایی باشید و چه یک مهندس، آشنایی با این اصول اساسی به شما کمک می کند تا با دنیای سریع الکترونیک همراه باشید.

برای تولید کنندگان و طراحان، همکاری با تامین کنندگان PCB با تجربه (مانند LT CIRCUIT) تضمین می کند که تخته های شما با استانداردهای صنعت و الزامات عملکرد مطابقت داشته باشند.شما می توانید حتی پیچیده ترین ایده های الکترونیک را به ایده های کاربردی تبدیل کنید.، محصولات قابل اعتماد.