برد مدار چاپی یا PCB (مخفف Printed Circuit Board) پایه تقریباً همه دستگاه‌های الکترونیک امروزی است؛ از شارژر موبایل و ماوس گرفته تا ECU خودرو و سرورهای دیتاسنتر. اگر یک دستگاه الکترونیکی خیلی قدیمی را باز کرده باشید، احتمالاً انبوهی از سیم‌های درهم را دیده‌اید که قطعات را به هم وصل می‌کردند. این روش پرخطا بود، تعمیرش سخت بود و تولید انبوه با آن تقریباً ناممکن بود. PCB این مشکل را حل کرد: مسیرهای مسی دقیق و تکرارپذیر روی یک صفحه عایق.
در این راهنما از نگاه یک طراح سخت‌افزار، همه چیز را درباره برد مدار چاپی مرور می‌کنیم: ساختار و لایه‌ها، انواع برد، مراحل طراحی از شماتیک تا فایل گربر، استانداردهای IPC، مراحل ساخت و مونتاژ، انواع پوشش سطح و عواملی که قیمت چاپ و مونتاژ PCB را تعیین می‌کنند.
[su_box title="PCB چیست؟" box_color="#169770" title_color="#ffffff" radius="5"]برد مدار چاپی یا PCB صفحه‌ای عایق (معمولاً از جنس فایبرگلاس FR-4) است که مسیرهای مسی روی آن یا بین لایه‌هایش ایجاد شده‌اند. قطعات الکترونیکی روی برد لحیم می‌شوند و این مسیرها پایه‌های آن‌ها را به هم وصل می‌کنند تا مدار کامل شود. PCB هم اتصال الکتریکی قطعات را برقرار می‌کند و هم آن‌ها را از نظر مکانیکی نگه می‌دارد.[/su_box]برد مدار چاپی صفحه‌ای از جنس عایق (معمولاً فایبرگلاس اپوکسی) است که روی آن یا داخلش، مسیرهای رسانای مسی ایجاد شده است. این مسیرها که به آن‌ها ترک (Track/Trace) می‌گویند، جای سیم‌کشی دستی را می‌گیرند و پایه‌های قطعات الکترونیکی را طبق نقشه مدار به هم وصل می‌کنند.
PCB در یک محصول الکترونیکی چهار وظیفه اصلی دارد:
در مقایسه با سیم‌کشی نقطه‌به‌نقطه قدیمی، استفاده از PCB این مزیت‌ها را هم دارد:
به برد خامی که هنوز قطعه‌ای رویش لحیم نشده PCB یا Bare Board و به بردی که قطعاتش مونتاژ شده PCBA (Printed Circuit Board Assembly) می‌گویند. این تفکیک موقع سفارش ساخت و مونتاژ اهمیت زیادی دارد.
ایده ایجاد مسیرهای رسانا روی یک صفحه عایق به اوایل قرن بیستم برمی‌گردد. در دهه ۱۹۲۰ چارلز دوکاس (Charles Ducas) روشی را ثبت کرد که در آن مسیرهای رسانا با جوهر رسانا و شابلون روی سطح عایق ایجاد می‌شد. اما نقطه عطف واقعی سال ۱۹۳۶ بود؛ پاول آیسلر (Paul Eisler)، مهندس اتریشی ساکن انگلستان، اولین مدار چاپی کاربردی را برای یک رادیو ساخت.
در جنگ جهانی دوم، ارتش آمریکا از مدار چاپی در فیوزهای مجاورتی (Proximity Fuze) استفاده کرد، چون باید در برابر ضربه شدید شلیک مقاوم می‌ماندند. در دهه ۱۹۵۰ فرایند مونتاژ خودکار قطعات روی برد ثبت شد و PCB وارد محصولات تجاری مثل رادیو و تلویزیون شد. بعد از آن به ترتیب بردهای دورو با سوراخ متالیزه، بردهای چندلایه، فناوری نصب سطحی (SMT) و در نهایت بردهای HDI با میکروویا آمدند که امروز در گوشی‌های هوشمند می‌بینیم.
چرا «چاپی»؟ چون الگوی مسیرهای مسی از همان ابتدا با روش‌های چاپ روی برد منتقل می‌شد: اول با چاپ جوهر مقاوم در برابر اسید (Resist) با روش سیلک اسکرین و بعدها با فرایندهای نوری (فتولیتوگرافی). بخش‌هایی از مس که زیر این لایه «چاپ‌شده» محافظت نمی‌شدند، با اسید حل می‌شدند و فقط مسیرهای مدار باقی می‌ماند. امروز بیشتر کارخانه‌ها به جای چاپ، از تصویربرداری مستقیم لیزری (LDI) استفاده می‌کنند، ولی نام «چاپی» باقی مانده است.
هر طراحی سخت‌افزار معمولاً از این سه مرحله عبور می‌کند: آزمایش ایده روی برد بورد، ساخت نمونه نیمه‌دائمی روی وربورد (یا مستقیماً سفارش PCB نمونه) و در نهایت PCB نهایی برای تولید.
| ویژگی | برد بورد | وربورد / پرف‌بورد | PCB |
|---|---|---|---|
| نیاز به لحیم‌کاری | ندارد | دارد | دارد (دستی یا ماشینی) |
| سرعت ساخت نمونه | چند دقیقه | چند ساعت | چند روز (سفارش ساخت) |
| قابلیت استفاده مجدد | بله | محدود | خیر |
| پشتیبانی از قطعات SMD ریز | خیر | بسیار محدود | کامل |
| مناسب برای فرکانس و جریان بالا | خیر | محدود | بله، با طراحی درست |
| مناسب برای تولید انبوه | خیر | خیر | بله |
یک PCB معمولی از روی هم قرار گرفتن چند لایه با وظایف کاملاً متفاوت ساخته می‌شود. در یک برد دوروی استاندارد، از بالا به پایین این لایه‌ها را داریم: سیلک اسکرین، سولدر ماسک، مس رویی، زیرلایه (هسته)، مس زیرین، سولدر ماسک و گاهی سیلک اسکرین زیرین. وایاهای متالیزه مس رو و زیر برد را به هم وصل می‌کنند.
زیرلایه، بدنه عایق و استخوان‌بندی برد است و ویژگی‌های مکانیکی، حرارتی و الکتریکی آن را تعیین می‌کند. مهم‌ترین پارامترهایی که یک طراح موقع انتخاب زیرلایه بررسی می‌کند:
FR-4: رایج‌ترین زیرلایه دنیا؛ پارچه فایبرگلاس آغشته به رزین اپوکسی که «FR» آن به معنای مقاوم در برابر شعله (Flame Retardant) است. ثابت دی‌الکتریکش حدود ۴٫۲ تا ۴٫۷ است و در گریدهای مختلف با Tg استاندارد (حدود ۱۳۰ تا ۱۴۰ درجه)، متوسط (حدود ۱۵۰) و بالا (۱۷۰ درجه به بالا) عرضه می‌شود. ضخامت استاندارد برد نهایی ۱٫۶ میلی‌متر است، ولی ضخامت‌های ۰٫۸، ۱٫۰، ۱٫۲ و ۲٫۰ میلی‌متر هم رایج‌اند. FR-4 برای بیشتر مدارهای دیجیتال، کنترلی و توان پایین تا حدود چند گیگاهرتز کافی و اقتصادی است.
زیرلایه آلومینیومی (Aluminum / MCPCB): یک صفحه آلومینیوم به‌عنوان پایه، یک لایه دی‌الکتریک نازک با رسانایی حرارتی بالا و یک لایه مس روی آن. رسانایی حرارتی دی‌الکتریک آن معمولاً ۱ تا ۳ وات بر متر-کلوین است، یعنی چند برابر FR-4 (حدود ۰٫۳). انتخاب اول برای LEDهای پرتوان، درایورهای موتور و منابع تغذیه است.
راجرز (Rogers) و مواد فرکانس بالا: «راجرز» نام یک شرکت سازنده است که در عمل به کل خانواده لمینیت‌های فرکانس بالا گفته می‌شود. موادی مثل RO4003C و RO4350B (سرامیک-هیدروکربن) و RT/duroid (بر پایه PTFE) ثابت دی‌الکتریک پایدار در فرکانس و دما و اتلاف بسیار کمتری نسبت به FR-4 دارند. این مواد گران‌تر هستند و فرایند ساختشان هم سخت‌تر است؛ به همین دلیل در بسیاری از طراحی‌ها از ساختار ترکیبی (Hybrid) استفاده می‌شود: لایه‌های RF از راجرز و بقیه لایه‌ها از FR-4.
زیرلایه‌های ارزان (FR-1 و CEM-1): FR-1 که در بازار ایران به «برد استخوانی» معروف است، از کاغذ آغشته به رزین فنولیک ساخته می‌شود. ارزان و راحت برای سوراخ‌کاری است، اما شکننده است، Tg پایینی دارد و فقط برای بردهای یک‌روی ساده مثل اسباب‌بازی و لوازم خانگی ارزان مناسب است. CEM-1 (نیم‌فایبر) لایه مرکزی کاغذی بین دو لایه فایبرگلاس دارد و از نظر قیمت و کیفیت حد وسط FR-1 و FR-4 است. بیشتر در بردهای یک‌رو استفاده می‌شود.
| زیرلایه | ثابت دی‌الکتریک (تقریبی) | رفتار حرارتی | هزینه | کاربرد معمول |
|---|---|---|---|---|
| FR-1 / CEM-1 | حدود ۴٫۵ تا ۵ | ضعیف، Tg پایین | خیلی کم | بردهای یک‌روی ساده و ارزان |
| FR-4 | ۴٫۲ تا ۴٫۷ | متوسط، با گریدهای High-Tg | کم | بیشتر محصولات الکترونیکی |
| آلومینیوم (MCPCB) | بسته به دی‌الکتریک | عالی برای دفع گرما | متوسط | LED پرتوان، منبع تغذیه، درایور موتور |
| راجرز (RO4000) | حدود ۳٫۴ تا ۳٫۷ و پایدار | خوب | بالا | RF، رادار، آنتن، ارتباطات |
| PTFE (مثل RT/duroid) | حدود ۲٫۲ تا ۳ | خوب | خیلی بالا | مایکروویو و موج میلی‌متری |
لایه مسی همان جایی است که مسیرها، پدها، صفحه‌های زمین و تغذیه ساخته می‌شوند. ضخامت مس در صنعت PCB به‌طور سنتی با واحد اونس بر فوت مربع (oz) بیان می‌شود؛ یعنی وزن مسی که روی یک فوت مربع پخش شده است:
ضخامت مس، عرض مسیر و افزایش دمای مجاز با هم تعیین می‌کنند یک مسیر چقدر جریان را تحمل می‌کند. استاندارد مرجع برای این محاسبه IPC-2152 است. به‌عنوان یک تخمین سرانگشتی، روی لایه بیرونی با مس ۱ اونس، مسیری با عرض حدود ۰٫۳ میلی‌متر می‌تواند حدود ۱ آمپر را با افزایش دمای حدود ۱۰ درجه حمل کند، اما برای طراحی واقعی حتماً از ماشین‌حساب عرض مسیر (Trace Width Calculator) مبتنی بر IPC-2152 استفاده کنید. لایه‌های داخلی چون گرما را سخت‌تر دفع می‌کنند، برای همان جریان مسیر پهن‌تری لازم دارند.
یک نکته کاربردی: مس لایه‌های بیرونی در فرایند آبکاری ضخیم‌تر می‌شود. پس وقتی «مس ۱ اونس» سفارش می‌دهید، معمولاً منظور ضخامت نهایی بعد از آبکاری است؛ این را با سازنده هماهنگ کنید، به‌ویژه در طراحی‌هایی که امپدانس کنترل‌شده دارند.
سولدر ماسک لایه نازکی از پلیمر (معمولاً جوهر اپوکسی حساس به نور یا LPI) است که روی مس کشیده می‌شود و رنگ سبز آشنای بردها از همین لایه است. به همین دلیل در بازار به آن «چاپ سبز» یا «ماسک» هم می‌گویند. سولدر ماسک سه وظیفه اصلی دارد:
در فایل طراحی، لایه سولدر ماسک به‌صورت «منفی» تعریف می‌شود؛ یعنی هر جایی که روی این لایه شکل بکشید، ماسک برداشته می‌شود و مس باز می‌ماند. معمولاً دهانه ماسک کمی بزرگ‌تر از پد است (Solder Mask Expansion، حدود ۰٫۰۵ میلی‌متر). نوار باریک ماسکی که بین دو پد نزدیک باقی می‌ماند Solder Mask Dam نام دارد. در آی‌سی‌های با فاصله پایه کم، باید مطمئن شوید عرض این نوار از حداقل توان سازنده (معمولاً حدود ۰٫۱ میلی‌متر) کمتر نشود. گزینه دیگر، پوشاندن وایاها با ماسک (Tenting) است تا قلع داخلشان نرود.
رنگ سبز فقط یک رسم است و ماسک در رنگ‌های مشکی، آبی، قرمز، سفید، زرد و بنفش هم تولید می‌شود. سبز همچنان محبوب‌ترین رنگ است، چون کنتراست خوبی برای بازرسی چشمی و دستگاه‌های AOI دارد، فرایندش بیشتر از همه جاافتاده است و معمولاً ارزان‌ترین و سریع‌ترین گزینه است. ماسک سفید برای بردهای LED (به‌خاطر بازتاب نور) و مشکی برای محصولاتی که ظاهر برایشان مهم است، رایج‌اند.
سیلک اسکرین آخرین لایه‌ای است که روی برد چاپ می‌شود: نوشته‌ها و علامت‌هایی معمولاً سفیدرنگ که کار مونتاژ، تست و تعمیر را راحت می‌کنند. اطلاعاتی که روی سیلک قرار می‌گیرد:
نکات طراحی سیلک: حداقل ضخامت خط معمولاً ۰٫۱۵ میلی‌متر و ارتفاع متن حداقل ۰٫۸ تا ۱ میلی‌متر باشد تا خوانا چاپ شود. هیچ‌وقت سیلک را روی پدها نگذارید (بیشتر سازنده‌ها آن را خودکار حذف می‌کنند، ولی نوشته ناقص می‌شود). علامت پایه ۱ را طوری بگذارید که بعد از نصب قطعه هم دیده شود. روش چاپ سیلک هم از سیلک اسکرین سنتی به‌سمت چاپ مستقیم جوهرافشان (Inkjet) رفته که دقت و وضوح بیشتری دارد.
بردها را معمولاً از دو جهت دسته‌بندی می‌کنند: تعداد لایه‌های مسی (یک‌رو، دورو، چندلایه) و رفتار مکانیکی (صلب، منعطف، صلب-منعطف). دسته سوم هم بر اساس جنس زیرلایه و کاربرد خاص تعریف می‌شود، مثل بردهای فرکانس بالا و متال کور.
فقط یک طرف زیرلایه مس دارد. در طراحی‌های THT قدیمی، قطعات معمولاً در طرف بدون مس قرار می‌گیرند و پایه‌هایشان از سوراخ‌ها عبور می‌کند و در طرف مسی لحیم می‌شود. سوراخ‌ها متالیزه نیستند و هر جا مسیرها مجبور به عبور از روی هم شوند، از سیم جامپر استفاده می‌شود.
مزایا: ارزان‌ترین نوع برد، ساخت ساده و امکان ساخت دستی در خانه یا آزمایشگاه. محدودیت‌ها: تراکم پایین، مسیریابی سخت در مدارهای پیچیده و نبود صفحه زمین مناسب. کاربرد: منابع تغذیه ساده، شارژرهای ارزان، لوازم خانگی، اسباب‌بازی‌ها و ماژول‌های LED.
هر دو طرف زیرلایه مس دارد و دو لایه با سوراخ‌های متالیزه (PTH) و وایا به هم وصل می‌شوند. این متداول‌ترین نوع برد برای پروژه‌های آموزشی، نمونه‌سازی و بسیاری از محصولات تجاری است. در یک طراحی دوروی خوب، معمولاً بیشتر سطح لایه زیرین به صفحه زمین اختصاص داده می‌شود تا مسیر برگشت جریان کوتاه بماند و نویز کم شود.
بردهای دورو برای مدارهای میکروکنترلری معمولی، ماژول‌های سنسور، بردهای توسعه و درایورها کافی هستند. اما وقتی تعداد پایه‌های آی‌سی‌ها زیاد می‌شود (مثلاً BGA) یا سیگنال‌های پرسرعت در کارند، به برد چندلایه نیاز پیدا می‌کنید.
بردهای چندلایه از سه یا چند لایه مسی ساخته می‌شوند که با لایه‌های عایق (Core و Prepreg) از هم جدا شده‌اند و زیر پرس و حرارت به یک برد یکپارچه تبدیل می‌شوند. تعداد لایه‌ها تقریباً همیشه زوج است (۴، ۶، ۸ و بیشتر)، چون ساختار متقارن جلوی تاب برداشتن برد را می‌گیرد و با فرایند ساخت هم سازگارتر است.
یک چیدمان (Stack-up) رایج چهارلایه به این شکل است:
مزایای برد چندلایه:
در بردهای پیشرفته‌تر از وایای کور (Blind Via) که فقط از لایه بیرونی به لایه‌های داخلی می‌رود، وایای مدفون (Buried Via) که فقط بین لایه‌های داخلی است و میکروویا که با لیزر سوراخ می‌شود، استفاده می‌کنند. به این بردها HDI (High Density Interconnect) می‌گویند و در گوشی‌های هوشمند، لپ‌تاپ‌ها و ماژول‌های فشرده دیده می‌شوند. کاربردهای رایج برد چندلایه: بردهای مبتنی بر پردازنده و FPGA، مادربرد، تجهیزات شبکه، الکترونیک خودرو و تجهیزات پزشکی.
برد منعطف (Flex): به‌جای FR-4، روی فیلم نازک پلی‌ایمید (مثل Kapton) ساخته می‌شود و می‌تواند خم شود، تا شود یا حتی در حین کار به‌طور مداوم حرکت کند. به‌جای سولدر ماسک معمولی از لایه پوششی به نام Coverlay استفاده می‌شود و در ناحیه کانکتور یا زیر قطعات، با استیفنر (Stiffener) از جنس FR-4، پلی‌ایمید یا فولاد آن را سفت می‌کنند. نمونه‌های آشنا: کابل‌های فلت داخل لپ‌تاپ، اتصال صفحه‌نمایش گوشی، دوربین‌ها و هد پرینترها.
برد صلب-منعطف (Rigid-Flex): ترکیبی از بخش‌های صلب و منعطف در یک برد یکپارچه است. بخش‌های صلب قطعات را نگه می‌دارند و بخش منعطف جای کابل و کانکتور را می‌گیرد. حذف کانکتورها یعنی وزن کمتر، قابلیت اطمینان بیشتر در برابر لرزش و طراحی سه‌بعدی فشرده‌تر. به همین دلیل در صنایع هوافضا، تجهیزات نظامی، پزشکی (مثل سمعک و ایمپلنت) و گجت‌های پوشیدنی پرکاربرد است. ساخت این بردها گران‌تر است و قوانین طراحی خاص خودش را دارد: شعاع خم حداقل (طبق IPC-2223)، دور نگه داشتن وایا و پد از ناحیه خم، مسیرکشی عمود بر خط خم و استفاده از مس Rolled-Annealed برای خم‌های دینامیک.
بردهای فرکانس بالا: وقتی فرکانس سیگنال به محدوده گیگاهرتز می‌رسد، اتلاف و ناپایداری ثابت دی‌الکتریک FR-4 دردسرساز می‌شود. در طراحی‌های RF، رادار، ارتباطات ماهواره‌ای، 5G و آنتن‌های روی برد، از مواد کم‌اتلاف مثل راجرز، PTFE یا لمینیت‌های ویژه استفاده می‌شود. علاوه بر جنس زیرلایه، کنترل دقیق ضخامت دی‌الکتریک، زبری سطح مس، تلرانس اچ و نوع پوشش نهایی هم روی عملکرد اثر دارند. برای همین در این بردها طراح باید از همان ابتدا با سازنده درباره Stack-up و تلرانس‌ها هماهنگ باشد.
بردهای متال کور (MCPCB): هسته فلزی (معمولاً آلومینیوم، گاهی مس) دارند و برای دفع سریع گرما طراحی شده‌اند. بیشترشان یک‌رو هستند: مس، دی‌الکتریک رسانای حرارت و پایه فلزی. لامپ‌ها و پنل‌های LED، چراغ‌های خودرو، ماژول‌های توان و منابع تغذیه سوئیچینگ پرتوان کاربردهای اصلی آن‌ها هستند. اگر روی برد FR-4 مجبور به استفاده از هیت‌سینک بزرگ شده‌اید، احتمالاً MCPCB راه‌حل بهتری است.
طراحی PCB فقط «کشیدن خط بین قطعات» نیست. یک طراحی حرفه‌ای مسیر مشخصی دارد و هر مرحله‌ای که سرسری رد شود، بعداً با هزینه بیشتر برمی‌گردد:
فایل گربر (Gerber) چیست؟ گربر فرمت استاندارد و متنی است که هر لایه برد را به‌صورت یک تصویر برداری توصیف می‌کند. نسخه رایج آن RS-274X است و نسخه جدیدتر Gerber X2 اطلاعاتی مثل نقش هر لایه و ویژگی پدها را هم در خود دارد. یک بسته کامل ساخت معمولاً شامل این فایل‌هاست:
به‌جای مجموعه فایل‌های گربر، فرمت‌های یکپارچه‌ای مثل ODB++ و IPC-2581 هم وجود دارند که همه اطلاعات ساخت و مونتاژ را در یک فایل جمع می‌کنند. بسیاری از کارخانه‌های بزرگ آن‌ها را ترجیح می‌دهند.
برای شروع در KiCad: از منوی File گزینه New Project را بزنید و در Schematic Editor قطعات را با کلید A اضافه کنید. با M قطعه را جابه‌جا کنید، با R بچرخانید، با W سیم بکشید و با V مقدارش را تغییر دهید. بعد از منوی Tools گزینه Annotate Schematic را بزنید تا قطعات نام‌گذاری شوند (R1، R2 و...)، بعد ERC را اجرا کنید و با کلید F8 (Update PCB from Schematic) طرح را به ویرایشگر برد منتقل کنید. اگر مبتدی هستید، اولین بردتان را با قطعات پایه‌دار (THT) طراحی کنید تا لحیم‌کاری راحت‌تر باشد.
یک توصیه تجربی: قبل از ارسال سفارش، حتماً فایل‌های خروجی را در یک نمایشگر گربر (Gerber Viewer) مستقل باز کنید و لایه‌به‌لایه بررسی کنید. چیزی که سازنده دریافت می‌کند همین فایل‌هاست، نه پروژه داخل نرم‌افزار شما.
نرم‌افزار درست به نوع پروژه، بودجه، تیم و مسیر شغلی شما بستگی دارد. این‌ها نرم‌افزارهای اصلی بازار هستند:
آلتیوم دیزاینر (Altium Designer): استاندارد عملی در بسیاری از شرکت‌های طراحی سخت‌افزار در ایران و دنیا. ابزارهای قدرتمندی برای مسیریابی پرسرعت، طول‌یابی (Length Tuning)، مدیریت Stack-up، نمای سه‌بعدی دقیق، کتابخانه‌های یکپارچه و کار تیمی دارد. نرم‌افزاری تجاری و گران است، اما اگر قصد دارید به‌صورت حرفه‌ای در شرکت‌ها کار کنید، یادگیری آن ارزشمند است.
⚡ شاید برای شما مفید باشد: آموزش آلتیوم دیزاینر از 0 تا 100 کاملا رایگان
کی‌کد (KiCad): نرم‌افزاری کاملاً رایگان و متن‌باز که در چند سال اخیر جهش بزرگی داشته و برای بسیاری از پروژه‌های حرفه‌ای هم کافی است. نسخه ۱۰ آن در مارس ۲۰۲۶ (اواخر اسفند ۱۴۰۴) منتشر شد و امکاناتی مثل حالت تاریک در ویندوز، ویرایشگر گرافیکی قوانین DRC، پشتیبانی از واریانت‌های طراحی (یک پروژه با چند BOM مختلف) و بازطراحی کامل ابزار تنظیم طول مسیرها را اضافه کرد. بدون محدودیت لایه و ابعاد کار می‌کند، روی ویندوز، لینوکس و مک اجرا می‌شود و جامعه کاربری بزرگی دارد.
⚡ شاید برای شما مفید باشد: آموزش Kicad بصورت تخصصی
ایگل (EAGLE): سال‌ها محبوب‌ترین نرم‌افزار برای علاقه‌مندان و پروژه‌های متن‌باز بود و طرح‌های مرجع زیادی، از جمله بسیاری از بردهای آردوینو و اسپارک‌فان، با آن طراحی شده‌اند. اما Autodesk، مالک ایگل، فروش و پشتیبانی آن را از ۷ ژوئن ۲۰۲۶ (۱۷ خرداد ۱۴۰۵) متوقف کرده است. مسیر جایگزینی که خود Autodesk پیشنهاد می‌کند، محیط Electronics در نرم‌افزار Autodesk Fusion است که فایل‌های sch و brd ایگل را مستقیم باز می‌کند. اگر هنوز پروژه‌های قدیمی ایگل دارید، آن‌ها را به Fusion یا KiCad (که ایمپورتر ایگل دارد) منتقل کنید. آموزش ایگل هنوز برای کار با پروژه‌های قدیمی و یادگیری مفاهیم پایه مفید است و مفاهیمش در Fusion Electronics هم به کار می‌آید.
⚡ شاید برای شما مفید باشد: آموزش Eagle بصورت ویدیویی و آفلاین
ایزی‌ای‌دی‌ای (EasyEDA): نرم‌افزاری رایگان که در مرورگر و به‌صورت نسخه دسکتاپ اجرا می‌شود و به کتابخانه قطعات LCSC و سرویس ساخت و مونتاژ JLCPCB متصل است. برای شروع سریع، پروژه‌های کوچک و سفارش مستقیم ساخت و مونتاژ از چین بسیار راحت است. در دو نسخه Standard و Pro عرضه می‌شود که نسخه Pro برای پروژه‌های جدی‌تر مناسب‌تر است.
گزینه‌های سازمانی: در صنایع بزرگ‌تر، نرم‌افزارهای OrCAD و Allegro از Cadence و PADS و Xpedition از Siemens هم رایج‌اند. این‌ها معمولاً در طراحی‌های بسیار پیچیده و پرسرعت مثل سرور و مخابرات به کار می‌روند.
| نرم‌افزار | هزینه | سطح | نقطه قوت |
|---|---|---|---|
| Altium Designer | تجاری (گران) | حرفه‌ای | ابزارهای پرسرعت، کار تیمی، بازار کار |
| KiCad | رایگان و متن‌باز | مبتدی تا حرفه‌ای | بدون محدودیت، چندسکویی، رشد سریع |
| EAGLE / Fusion Electronics | ایگل متوقف شده؛ Fusion با اشتراک | مبتدی تا متوسط | یکپارچگی با طراحی مکانیک در Fusion |
| EasyEDA | رایگان | مبتدی تا متوسط | تحت وب، اتصال مستقیم به ساخت و مونتاژ |
IPC (امروزه با نام Association Connecting Electronics Industries) مرجع اصلی استانداردهای طراحی، ساخت و مونتاژ PCB در دنیاست. مهم‌ترین استانداردهایی که هر طراح باید بشناسد:
| استاندارد | موضوع |
|---|---|
| IPC-2221 | استاندارد عمومی طراحی PCB (فاصله‌های عایقی، سوراخ‌ها، مواد) |
| IPC-2222 / IPC-2223 | الزامات تکمیلی بردهای صلب / بردهای منعطف و صلب-منعطف |
| IPC-2152 | محاسبه ظرفیت جریان مسیرها |
| IPC-7351 | طراحی فوت‌پرینت و پد قطعات SMD |
| IPC-4761 | روش‌های محافظت از وایا (تنت، پر کردن و پوشاندن) |
| IPC-6012 | الزامات کیفی و عملکردی ساخت بردهای صلب |
| IPC-A-600 | معیارهای پذیرش ظاهری برد خام |
| IPC-A-610 و J-STD-001 | معیارهای پذیرش مونتاژ و الزامات لحیم‌کاری |
استانداردهای IPC محصولات را در سه کلاس دسته‌بندی می‌کنند: کلاس ۱ برای محصولات عمومی مصرفی، کلاس ۲ برای محصولات خدماتی و صنعتی که عمر طولانی‌تر می‌خواهند (پیش‌فرض بیشتر سازنده‌ها) و کلاس ۳ برای تجهیزات با قابلیت اطمینان بالا مثل پزشکی، هوافضا و نظامی که خرابی در آن‌ها قابل قبول نیست. کلاس بالاتر یعنی کنترل کیفیت سخت‌گیرانه‌تر و هزینه بیشتر.
نکات DFM (طراحی برای ساخت‌پذیری) که از تجربه به دست آمده‌اند:
بعد از ارسال فایل‌ها، دو فرایند جداگانه انجام می‌شود: ساخت برد خام (Fabrication) در کارخانه PCB و مونتاژ قطعات (Assembly) در خط SMT. گاهی هر دو را یک شرکت انجام می‌دهد (سرویس Turnkey)، گاهی جدا.
این فرایند برای یک برد چندلایه به روش رایج (Subtractive) توضیح داده شده است. در بردهای دورو، مراحل مربوط به لایه‌های داخلی و لمینیت حذف می‌شوند.
نکته: ساخت دستی برد در خانه یا آزمایشگاه (با روش اتو و کاغذ گلاسه، فیلم حساس به نور و اسید پرکلرید آهن) نسخه ساده‌شده‌ای از مراحل ۲ و ۳ است. برای نمونه‌های یک‌رو و دوروی ساده هنوز کاربرد دارد، اما با وجود سرویس‌های نمونه‌سازی ارزان، برای بیشتر پروژه‌ها سفارش ساخت صنعتی منطقی‌تر است.
THT (Through-Hole Technology) یا قطعات پایه‌دار، روش قدیمی‌تر است: پایه قطعه از سوراخ متالیزه عبور می‌کند و در طرف دیگر برد لحیم می‌شود. لحیم‌کاری به‌صورت دستی، با لحیم موجی (Wave Soldering) یا لحیم انتخابی (Selective Soldering) انجام می‌شود. اتصال مکانیکی قوی آن را برای کانکتورها، ترانسفورماتورها، خازن‌های بزرگ، رله‌ها و قطعاتی که زیر تنش مکانیکی یا حرارتی هستند، ایده‌آل می‌کند.
SMD/SMT (Surface Mount) یا قطعات نصب سطحی، مستقیماً روی پدهای سطح برد قرار می‌گیرند. فرایند مونتاژ SMT در خط تولید به این ترتیب است:
| معیار | SMD | THT |
|---|---|---|
| اندازه قطعات و تراکم برد | بسیار کوچک، تراکم بالا | بزرگ، تراکم پایین |
| استفاده از هر دو طرف برد | بله | محدود |
| سرعت و هزینه مونتاژ انبوه | سریع و ارزان (کاملاً خودکار) | کندتر و گران‌تر |
| استحکام مکانیکی اتصال | متوسط | بالا |
| عملکرد در فرکانس بالا | بهتر (اندوکتانس پایه کمتر) | ضعیف‌تر |
| لحیم‌کاری دستی و نمونه‌سازی | سخت‌تر برای پکیج‌های ریز | آسان |
بیشتر محصولات امروزی ترکیبی (Mixed Technology) هستند: تقریباً همه قطعات SMD و فقط کانکتورها و قطعات قدرت به‌صورت THT. هر قطعه THT یک مرحله اضافه به مونتاژ اضافه می‌کند. پس اگر نسخه SMD یک قطعه وجود دارد و از نظر مکانیکی مشکلی ندارد، معمولاً انتخاب اقتصادی‌تری است.
مس خالی در هوا خیلی سریع اکسید می‌شود و دیگر به‌خوبی لحیم نمی‌شود. پوشش نهایی سطح (Surface Finish) از پدها محافظت می‌کند و لحیم‌پذیری را تا زمان مونتاژ حفظ می‌کند. انتخاب آن روی کیفیت لحیم، مونتاژ قطعات ریز، عمر انبارداری و قیمت اثر دارد.
HASL (Hot Air Solder Leveling): برد در قلع مذاب فرو برده می‌شود و قلع اضافی با هوای داغ گرفته می‌شود. در دو نوع سرب‌دار و بدون سرب (Lead-Free HASL برای سازگاری با RoHS) عرضه می‌شود. ارزان است، لحیم‌پذیری عالی دارد و عمر انبارداری‌اش طولانی است. اما سطح کاملاً صافی ایجاد نمی‌کند و برای قطعات با فاصله پایه کم (Fine Pitch)، BGA و QFN گزینه مناسبی نیست.
ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold): لایه‌ای از نیکل (حدود ۳ تا ۶ میکرون) و روی آن لایه بسیار نازک طلا (حدود ۰٫۰۵ تا ۰٫۱ میکرون). در بازار ایران به آن «آبکاری طلا» یا «طلایی» می‌گویند. سطحی کاملاً صاف و یکنواخت دارد، برای BGA و قطعات ریز عالی است، عمر انبارداری بالایی دارد و برای پدهای تماسی و کلیدهای لمسی هم مناسب است. گران‌تر از HASL است و اگر فرایند کارخانه کنترل‌شده نباشد، احتمال عیبی به نام Black Pad وجود دارد.
دقت کنید که ENIG با طلای سخت (Hard Gold) فرق دارد. طلای سخت با آبکاری الکتریکی و ضخامت خیلی بیشتر روی لبه کانکتورهای کارتی (Gold Fingers) مثل کارت گرافیک و ماژول‌های رم اعمال می‌شود تا در برابر وصل و جدا شدن‌های مکرر مقاوم باشد.
OSP (Organic Solderability Preservative): یک پوشش آلی بسیار نازک و شفاف که فقط مس را تا زمان لحیم‌کاری از اکسید شدن حفظ می‌کند. ارزان، صاف و دوستدار محیط زیست است و در تولید انبوه محصولات مصرفی زیاد استفاده می‌شود. اما عمر انبارداری کوتاهی دارد (معمولاً حدود ۶ ماه)، به جابه‌جایی و رطوبت حساس است و تعداد سیکل‌های ریفلو محدودی را تحمل می‌کند.
پوشش‌های دیگری مثل نقره غوطه‌وری (Immersion Silver)، قلع غوطه‌وری (Immersion Tin) و ENEPIG (مناسب سیم‌کشی طلا یا Wire Bonding) هم در کاربردهای خاص استفاده می‌شوند.
| پوشش | صاف بودن سطح | مناسب BGA و Fine Pitch | عمر انبارداری | هزینه |
|---|---|---|---|---|
| HASL (سرب‌دار / بدون سرب) | ضعیف | خیر | طولانی | کم |
| ENIG | عالی | بله | طولانی (حدود ۱۲ ماه) | متوسط تا بالا |
| OSP | عالی | بله | کوتاه (حدود ۶ ماه) | کم |
| Immersion Silver / Tin | خوب | بله | متوسط | متوسط |
| Hard Gold (لبه کانکتور) | عالی | کاربرد اصلی‌اش نیست | طولانی | بالا |
توصیه عملی: برای نمونه‌سازی و پروژه‌های معمولی با قطعات بزرگ‌تر، HASL بدون سرب کافی و اقتصادی است. اگر BGA، QFN با پد مرکزی یا قطعات با فاصله پایه ۰٫۵ میلی‌متر و کمتر دارید، ENIG انتخاب مطمئن‌تری است.
قیمت نهایی یک برد مونتاژشده از دو بخش تشکیل می‌شود: هزینه ساخت برد خام و هزینه مونتاژ (به‌علاوه خرید قطعات). شناختن عوامل مؤثر کمک می‌کند در همان مرحله طراحی تصمیم‌های اقتصادی‌تری بگیرید.
عوامل مؤثر بر قیمت ساخت برد خام:
عوامل مؤثر بر قیمت مونتاژ:
چند راه برای کاهش هزینه بدون افت کیفیت: از قوانین استاندارد سازنده فاصله نگیرید، تا جای ممکن برد را دورو یا چهارلایه نگه دارید، تعداد قطعات متفاوت را با یکسان‌سازی مقادیر (مثلاً همه مقاومت‌های pull-up با یک مقدار) کم کنید، قطعات را فقط روی یک طرف برد بچینید، بردهای کوچک را پنل کنید و قبل از نهایی کردن BOM، موجود بودن قطعات را بررسی کنید.
PCB برد خام و بدون قطعه است و PCBA بردی است که قطعات روی آن مونتاژ و لحیم شده‌اند و آماده کار است.
رنگ سبز مربوط به لایه سولدر ماسک است. این رنگ کنتراست خوبی برای بازرسی چشمی و ماشینی دارد، فرایندش از همه جاافتاده‌تر است و معمولاً ارزان‌ترین گزینه است. از نظر عملکرد الکتریکی، رنگ ماسک تفاوت چندانی ایجاد نمی‌کند.
ضخامت استاندارد برد نهایی ۱٫۶ میلی‌متر و ضخامت استاندارد مس ۱ اونس (حدود ۳۵ میکرون) است. ضخامت‌های دیگر هم قابل سفارش هستند.
اگر به دنبال ابزار رایگان و کامل هستید، KiCad انتخاب بسیار خوبی است. اگر هدفتان کار در شرکت‌های طراحی است، یادگیری Altium Designer مزیت بزرگی در بازار کار است. مفاهیم پایه در همه نرم‌افزارها مشترک است و جابه‌جایی بین آن‌ها سخت نیست.
برد مدار چاپی فقط یک تکه فایبر با مسیرهای مسی نیست؛ بخشی از خود مدار است. جنس زیرلایه، ضخامت مس، چیدمان لایه‌ها، پوشش سطح و حتی جای یک خازن دکوپلینگ مستقیماً روی عملکرد، قابلیت اطمینان و قیمت محصول اثر می‌گذارند. اگر تازه شروع کرده‌اید، با یک برد دوروی ساده در KiCad یا آلتیوم شروع کنید، قوانین سازنده را از همان ابتدا رعایت کنید و قبل از هر سفارش، فایل‌های گربر را با دقت بررسی کنید. با هر برد، چیز تازه‌ای یاد می‌گیرید که در هیچ کتابی پیدا نمی‌شود.