تکنولوژی‌ها و استاندارد‌های IPC

همانطور که می‌دانید تولید مدارهای چاپی با کیفیت همواره چالشی جهانی برای مهندسین، طراحان و صنعت الکترونیک بوده است که خوشبختانه با پیشرفت تکنولوژی و دانش بشر هر سال شاهد پیشرفت در این حوزه و سایر حوزه‌های تکنولوژی هستیم.

در این مقاله می‌خواهیم به معرفی تکنولوژی مدار‌های چاپی PCB و استاندارد‌های IPC صحبت کنیم. قبل از صحبت در مورد هر چیزی ابتدا بهتر است بدانیم که برد‌های مدار چاپی PCB چیست.

تعریف برد مدار چاپی 

برد مدار چاپی از نظر مکانیکی پشتیبانی می‌شود اما به صورت الکتریکی تمامی اجزای الکترونیکی را بر روی یک بستر غیر رسانا به یکدیگر متصل می‌کند و این کار را به وسیله شیار‌های رسانا، نوار و دیگر موارد ویژگی‌های حک شده از ورق‌های چند لایه مس انجام می‌دهد.

تمامی اجزای رسانا در لایه‌های مختلف از طریق یک سری از سوراخ‌های روکش دار به یکدیگر متصل می‌شوند که به آن VIAS گفته می‌شود. البته در برد مدارهای چاپی پیشرفته شاهد اجزای دیگری مانند مقاومت، خازن و یا دستگاه‌های فعالی هستیم که در لایه‌های مختلف جاسازی می‌شوند. در پاراگراف بعدی به صورت گسترده‌تری درباره بردهای مدار چاپی PCB و استاندارد‌های IPC  صحبت خواهیم کرد.

بردهای الکترونیکی

برد‌های الکترونیکی یا به عبارت دیگر برد‌های مدار چاپی که به انگلیسی به آن Printed Circuit Board گفته می‌شود و مخفف آن عبارت است از PCB؛ از مجموعه مدار‌های الکتریکی تشکیل شده است و می‌تواند به شکل‌ها و به رنگ‌های سبز، نارنجی و آبی مختلف موجود باشد: 

• یک طرفه یا یک رو (یک لایه مس): Single Sided PCB
• دو طرفه یا دو رو (دو لایه مس): Double Sided PCB 
• چند لایه: Multi Layer

انواع برد مدار‌های چاپی

از ساده‌ترین انواع برد مدار‌های چاپی، برد‌های مدار چاپی یک رو هستند که معمولا در آن، قطعات در یک طرف برد نصب می‌گردند و در طرف دیگر آن مسیر‌های بین قطعات چاپ می‌شوند. بدیهی است که در مدارهای چاپی دو طرفه از هر دو طرف برد برای چاپ مسیر و نصب قطعات استفاده می‌شود و همانطور که گفتیم ارتباط میان دو لایه از طریق سوراخ‌هایی به نام وایا امکان‌پذیر می‌گردد.

برد‌های مدار چاپی PCB

قطعات الکترونیکی مانند خازن، آی سی، مقاومت و … بر روی این برد‌ها مونتاژ می‌شوند و برای استفاده درون تجهیزات الکترونیکی آماده می‌گردند. این برد‌ها عموما از ماده خام و متریال‌های مختلفی مانند راجرز، تفلون، فایبر، فلکسی بل و … ساخته می‌شوند و ضخامتی بین 0.2 تا 3.2 میلی‌متر را دارا هستند. جهت طراحی این برد‌های الکترونیکی عموما از چند نرم افزار خاص استفاده می‌شود که عبارتند از: 

1. Protel

2. Altium Designer DXP

3. Eagle

4. Cadence OrCad PCB Designer

5. Diptrack

6. Ads

عموما تابع استاندارد‌های UL و استاندارد‌های IPC هستند که در این مقاله راجع به IPC صحبت خواهیم کرد. حتی در ساده‌ترین محصولات الکترونیکی شاهد استفاده از برد‌های مدار چاپی هستیم و می‌توان گفت این برد‌ها در تمامی محصولات الکترونیکی به کار گرفته می‌شوند.

ساخت و مونتاژ برد‌ها

ساخت و مونتاژ این برد‌ها می‌تواند به صورت خودکار باشد و یک برد به طراحی‌های اضافی برای ترتیب مدار نیاز دارد. ساخت مدار‌هایی با برد مدار چاپی نسبت به دیگر روش‌های سیم‌کشی به عنوان اجزای نصب شده و سیم‌کشی با یک بخش واحد دو مزیت دارد که عبارتند از:

• ارزان‌تر و سریع‌تر می‌باشد.
• تمامی خطاهای سیم‌کشی اپراتور‌ها نیز حذف می‌گردند.

برد چاپ سیم کشی PWB

اگر برد تنها دارای اتصالات مسی بوده و هیچ اجزای دیگری وجود نداشته باشد که در آن تعبیه شده باشد، به آن برد چاپ سیم کشی PWB گفته می‌شود. نام دیگر آن برد، برد سیم‌کشی حک شده است و البته این نام کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. 

برد مدار چاپی همراه با قطعات الکترونیکی است که به آن مونتاژ مدار چاپی PCA و یا مونتاژ مدار چاپی PCBA گفته می‌شود. در استاندارد‌های IPC برای برد‌های مونتاژ شده؛ واژه مونتاژ کارت مدار CCA استفاده می‌شود. به طور کلی برد مدار چاپی عبارتی است که به صورت غیر رسمی هم برای برد خالی و هم برای برد مونتاژ شده استفاده می‌گردد.

انواع برد‌های مدار چاپی از نظر تکنولوژی ساخت

همانطور که می‌دانید با توجه به محدودیت‌های ایجاد شده در صنعت الکترونیک و تجهیزات مرتبط با آن و نیازمندی‌هایی که وجود دارد، ساخت و تولید برد‌های مدار چاپی با تکنولوژی‌‌ها و استاندارد‌های متفاوتی از جمله استاندارد‌های IPC انجام می‌شود که در ابتدا عناوین آن‌ها را در قسمت زیر برایتان گردآوری کرده‌ایم و سپس به توضیح مختصر هر کدام از آن‌‌ها خواهیم پرداخت:

1. مدارهای چاپی معمولی سخت( Rigid)
2. بردهای راجرز Rogers PCB
3. مدارهای چاپی انعطاف‌پذیر Flexible PCB
4. مدارهای چاپی با انتقال حرارتی بالا
5. مدارهای چاپی آلومینیومی Aluminum PCB
6. مدارهای چاپی تراکم بالا (HDI PCB)

مدارهای چاپی معمولی سخت( Rigid)

در طراحی و تولید این نوع از مدار‌های چاپی اصولی رعایت شده است. هیچ گونه پیچیدگی خاصی در روند تولید آن‌ها وجود ندارد و به شکل‌های یک لایه، دو لایه و چند لایه تولید می‌گردند. اگر بخواهیم مثالی از نبود پیچیدگی در روند تولید این مدار‌ها برایتان بازگو کنیم می‌توانیم بگوییم؛ فاصله دو مسیر، بیشتر از کم‌ترین حد توانایی یک تولید کننده معمولی PCB 0.2 میلی‌متر است.

برای ساخت بردهای مدار چاپی تک لایه و دو لایه معمولی از کامپوزیتی که از پشم شیشه و رزین اپوکسی تشکیل شده است استفاده می‌کنند که به آن به اختصار FR4 گفته می‌شود.

مدل بردهای راجرز Rogers PCB

بسته به شرایط و محدودیت‌هایی که برای طراح به وجود می‌آید ممکن است نیاز باشد تا در تولید بردهای مدار چاپی از مواد اولیه دیگری در کنار FR4 استفاده نمود. انتخاب ماده‌ای که برای تولید برد مورد نیاز است به پارامتر‌های متفاوتی بستگی دارد که برخی از آن‌ها عبارتند از: 

• طراحی محصول
• فرکانس کاری
• هزینه نهایی محصول
• دما و …

شرکت راجرز مواد متفاوتی را برای استانداردهای متنوع از جمله استاندارد‌های IPC تولید و ارائه می‌دهد که می‌توان به وسیله آن‌ها بر این محدودیت‌ها هنگام طراحی و تولید غلبه کرد. حتی ممکن است در یک برد چند لایه از مواد متفاوتی در هر لایه استفاده شود که متناسب با آن پارامتر‌هایی که در بالاتر به آن‌ها اشاره کردیم؛ توسط طراح و تولیدکننده مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مدارهای چاپی انعطاف‌پذیر Flexible PCB

با توسعه تکنولوژی مدارهای چاپی انعطاف‌پذیر در بسیاری از کاربردهای متنوع جای مدارهای چاپی معمولی را گرفته است. این دسته از بردهای مدارهای چاپی خودشان نیز به دو دسته کاملا مجزا تقسیم بندی می‌شوند که عبارتند از: 

1. انعطاف پذیر پویا (انعطاف‌پذیری یا فشار در بازه‌ای از زمان و در حین کار)
2. انعطاف پذیر ثابت (که این مدل منعطف طراحی می‌شود و در همان حالت باقی می‌ماند)

این بردها نیز می‌توانند به صورت یک لایه، دو لایه و چند لایه تولید شوند و دارای مزایایی می‌باشند که به شرح زیر است: 

• رفع مشکل اتصالات داخلی بردها
• کاهش وزن 
• کاهش فضا
• کاهش هزینه مونتاژ

مدل مدارهای چاپی با انتقال حرارتی بالا

برای طراحی و تولید یک برد مدار چاپی، با لایه فلزی برای انتقال حرارت، طبق استاندارد‌‌های IPC باید ویژگی‌هایی را مد نظر قرار داد که عبارتند از: 

• ثابت انتقال حرارت
• وزن 
• سختی و…

در دما‌های بالا بعضی وقت‌ها از برد‌های نیکل-مس و مس-آهن؛ برای تقویت مدار چاپی استفاده می‌شود. برد‌های نیکل-مس و مس-آهن به آنها Copper Invar Copper گفته می‌شود. در این حالت در واقع یک لایه از نیکل و آهن میان دو لایه از مس قرار می‌گیرد و این کار به نوعی یک راه حل برای مدیریت حرارتی برد‌ها محسوب می‌شود.

نوع مدارهای چاپی آلومینیومی Aluminum PCB

درباره مدارهای چاپی آلومینیومی همین توضیح کافی است که از آنها برای انتقال حرارت بهتر استفاده می‌شود. برخی از بردهای مدار چاپی وجود دارند که حرارت بالایی را تولید می‌کنند و در این مواقع است که مدارهای چاپی آلومینیومی به کار می‌آیند و با استفاده از خواص آلومینیوم برای انتقال حرارت سریع می‌توان این حرارت را مدیریت کرد.

نوع مدارهای چاپی تراکم بالا (HDI PCB)

یک سری از مدارهای چاپی که ویژگی‌های منحصر به فرد و محدودیت‌های خاصی دارند در دسته مدارهای چاپی تراکم بالا قرار می‌گیرند. در این نوع مدارها تراکم بالای اتصالات را دارا هستند و به آن‌ها High Density Interconnect گفته می‌شود. از جمله مدارهای چاپی که در دسته مدارهای چاپی تراکم بالا قرار می‌گیرند می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• مدار چاپی دارای میکرو وایا
• مدار چاپی دارای وایای کور و مدفون
• مدار چاپی دارای فاصله مسیر (ترک) خیلی نزدیک
• مدار چاپی دارای مسیرهای خیلی نازک
• و …

اگر بخواهیم یک مثال کاملا واضح از HDI PCB عنوان کنیم می‌توانیم به بردهای مدار چاپی چند لایه در تلفن‌های همراه هوشمند و تبلت‌ها اشاره کنیم. هزینه دقیقی برای بردهای مدارهای چاپی تراکم بالا مشخص نیست و هزینه آن‌ها معمولا پس از بررسی بسیار دقیق شرکت تولید کننده به مصرف کننده اطلاع رسانی می‌شود.