همه چیز در مورد PCB (بُرد مدار چاپی) – قسمت اول

تاریخچه بُرد مدارچاپی

تا پیش از اختراع بُرد مدارچاپی، قطعات الکترونیکی آن زمان بر روی تخته‌هایی سوار و سیم‌بندی می‌شد. این فرد پاول ایسلر (Paul Eisler) است. یهودی اتریشی تبار فارغ‌التحصیل دانشگاه فنی وین، که پس از چند تجربه شغلی ناموفق به کار روزنامه‌نگاری مشغول شد. او متوجه شد که صنعت چاپ صنعتی دقیق است. از این رو تلاش کرد تا بتواند سیم کشی‌های چاپ شده تولید کند. رشد نازی‌ها در آلمان سبب مهاجرت او به انگلیس شد. در انگلیس او با انجام کار‌های متفرقه و حتی فروش طرح‌هایش امرار معاش می‌کرد. تا اینکه ایسلر توانست در سال 1940 اولین رادیوی جهان با مدار چاپی را بسازد و به جهان معرفی کند. و گواهی ثبت اختراع آن را اخذ کند.

اولین رادیوی ساخته شده با بُرد مدارچاپی توسط پاول ایسلر در سال 1940 میلادی

در سال 1948 نیروی هوایی آمریکا اعلام کرد که تمامی آلات دقیق هواپیما‌های خود را با استفاده از فیبر مدار چاپی اجرا خواهد نمود. و از همین تاریخ بود که این اختراع تجاری شد. جالب است بدانید اختراعات دیگری نیز توسط این مخترع انجام شده از جمله گرم کن شیشه خودرو و … ایسلر در سال 1992 در لندن در گذشت.

معرفی فناوری ها، مواد مصرفی و راهکارها

در زمانی که الکترونیک محدود به لامپ های خلاء بود، تولید مدارات کاری زمان‌بر بُرد، چون غالباً تکه‌ایی چوب (عموماً از جنس فیبر) آماده می‌کردند، با دریل سوراخ‌هایی زده می‌شد و تعدادی سوکت لامپ و کانکتور نصب و سیم‌کشی می‌شد… بُردهای مدار چاپی عموماً از یک هسته عایق و ورق‌های نازک رسانا تشکیل می‌شوند. مواد تشکیل دهنده عمده بُردها، پلیمر و رزین است. حال با توجه به مشخصات پلیمرها و رزین‌ها رده‌های مختلفی به دست می‌آید.

توضیحات	جنس مواد		رده مواد
	رزین	پلیمر
قابل شستشو در دمای اتاق – مقاومت پایین در برابر رطوبت	فنولیک	کاغذی	FR-1
مناسب برای بُردهای یک‌رو در لوازم ارزان قیمت مصرفی- مقاومت خوب در برابر رطوبت	فنولیک	کاغذی	FR-2
طراحی شده برای مشخصات الکتریکی و مکانیکی بهتر	اپوکسی	کاغذی	FR-3
مشخصات الکتریکی و مکانیکی عالی دارد	اپوکسی	پارچه شیشه­ای	FR-4
استحکام زیاد در دماهای بالا – درصورت شعله ور شدن خود اطفاء می‌باشد	اپوکسی	پارچه شیشه­ای	FR-5
استحکام بسیار زیاد – کاربرد در مصارف نظامی	پلی استر	پارچه شیشه ای خاص	FR-6
مقاومت عایقی بالا، بالاترین استحکام نوارهای نازک شیشه‌ایی ، مقاومت بالا در برابر رطوبت	اپوکسی	پارچه شیشه­ای	G10
مقاومت خمشی زیاد در دماهای بالا ، مقاومت خیلی زیاد نسبت به حلال‌ها	اپوکسی	پارچه شیشه­ای	G11

مواد ساخته شده با پلیمرهای کاغذی و رزین های فنولیک ارزان هستند اما کارآیی بالایی ندارند. در کاربرد های خاص، موادی از جنس سرامیک و پلیمرهایی با جنس‌هایی دیگر (همچون پلی آمید) نیز کاربرد دارد. در طراحی بُرد همواره چند نکته بایستی رعایت گردد و با توجه به آن متریال مناسب انتخاب گردد. در کاربری‌های نظامی، تکنولوژی‌های مختلفی توسط ارتش آمریکا توسعه داده شد که یکی از آن‌ها استفاده از سرامیک به عنوان هسته‌ی بُرد بود. این تکنولوژی به آن‌ها این امکان را می‌داد که در سیستم‌های موشکی که دمای بسیار بالایی نیز دارند به کار گرفته شوند. در بُردهای نظامی یک امر مهم دیگر این است که بُرد در مجاورت آتش شعله‌ور نشود یا در صورت شعله‌ور شدن سریعاً خاموش شود. در زبان فارسی به این خاصیت خود اطفایی می‌توانیم بگوییم. متریال های FR-1  الی FR-3 به دلیل استفاده از کاغذ فنولیک ایمنی کمتری نسبت به بُردهای فایبر گلاس دارند و نسبت به آتش چندان مصون نیستند. البته دیده شده که در برخی از بُردهای قدیمی‌تر نظامی، پس از عملیات مونتاژ و تست، رزین‌های خاصی روی بُرد پاشیده می‌شود تا مشخصات مکانیکی ، حرارتی و ایمنی بورد بالا رود. در بُردهایی که قطعات بسیار ظریف دارند، (همچون قطعات BGA) لازم است که بُرد استقامت حرارتی خوبی داشته باشد، از این رو متریال FR5 و نمونه‌های قوی‌تر جهت این امر توصیه می‌شوند، زیرا انبساط و انقباض بُرد در اثر حرارت مشکل‌ساز خواهد شد. در برخی از پروژه ها نیاز به ارتباطی منظم و دقیق بین دو بورد یا  دستگاه داریم. در این موارد نیاز به بُردهایی داریم که به راحتی خم شوند، در این بُردها از پلی‌کربنات به عنوان هسته استفاده می‌شود و به بُردهای Rigid-Flex معروف هستند ( در آینده این بُردها و تکنیک‌های طراحی آن‌ها بررسی خواهند شد) نمونه‌های این بُردها را می‌توان در کیلومتر خودروها، نمایشگرها، تجهیزات قابل حمل همچون موبایل و … نیز مشاهده کرد.

مروری کوتاه و تصویری بر…

   

جمع‌بندی

در اکثر پروژه‌های شما متریال FR-4 و FR-3 کفایت می‌کند و نیازی به جستجو برای مواد با کیفیت‌تر ندارید! ولی در پروژه‌های خاص‌تر، همچون مدارات فرکانس بالا، برخی ادوات صنعتی و کاربری‌های نظامی، نیاز شدیدی به مواد خاص و با کیفیت پیدا خواهید کرد. در قسمت‌های بعدی این مقاله استاندارد‌های طراحی PCB، تکنیک‌های کنترل کیفیت بُرد، ترفندها و متدهایی برای طراحی بهتر را بررسی خواهیم کرد.