اصول طراحی مدار چاپی

PCB مخفف عبارت Printed Circuit Board به معنای بورد مدار چاپی یا فیبر مدار چاپی است. این بورد از یک یا چند لایۀ عایق و یک یا چند لایۀ هادی ساخته شده است. امکان لحیم کردن قطعات الکترونیکی روی این بوردها وجود دارد و می توان با هادی های روی بورد اتصالات بین پایه های قطعات را برقرار کرد. این بورد ها ممکن است یک لایه، دو لایه یا چند لایه باشند. در بورد های یک لایه، یک صفحۀ عایق وجود دارد و لایه ای نازک از هادی روی آن کشیده شده است در PCB دو لایه، در دو طرف عایق لایه های نازک هادی وجود دارد. در PCBهای چند لایه، هم در دو طرف بورد لایۀ نازک هادی وجود دارد و هم در میان بورد، در بین صفحات عایق، لایه های نازک هادی تعبیه شده است. در PCB، ضخامت صفحات عایق معمولاً بین 0.2 mm تا 3.2 mm است و ضخامت هادی های آن معمولاً 35 یا 70 میکرومتر می باشد. البته ضخامت هادی 18 میکرومتر نیز استفاده می شود. جنس عایق ها معمولاً از FR4 است که این ماده از پشم شیشه و رزین اپوکسی ساخته شده است. جنس لایه های هادی نیز اغلب مس است. در شکل زیر تصویری از یک PCB خام را مشاهده می کنید.

طراحی برد یکی از مراحل اصلی توسعه یک سیستم الکترونیکی است که معمولاً توسط مهندسان الکترونیک و کامپیوتر انجام می شود. در این فرآیند، قطعات الکترونیکی مختلفی که برای عملکرد سیستم لازم است، بر روی یک برد الکترونیکی چیده می شوند.

برای طراحی برد، ابتدا نیاز است که مهندس معماری سیستم، نمودار بلوک و نحوه ارتباط بین اجزای سیستم را طراحی کند. سپس مهندس برد، قطعات الکترونیکی مورد نیاز را انتخاب کرده و طرح برد را طراحی می کند. در طراحی برد، نکات مهمی مانند قراردادن قطعات بهینه و طراحی مدارات انتقال سیگنال باید مدنظر قرار گیرند.

بعد از طراحی برد، فایل‌های مربوط به آن به یک شرکت تولید کننده برد الکترونیکی ارسال می شود تا برد تولید شود. پس از تولید برد، مهندسان الکترونیک و کامپیوتر می توانند قطعات را روی برد جایگزین کنند و سیستم را تست کنند.

در طراحی برد، استفاده از نرم افزار های مدل سازی مدار، شبیه سازی و طراحی مدارات بر روی بردهای الکترونیکی، می تواند کمک شایانی به مهندسان الکترونیک و کامپیوتر کند.

تاریخچۀ ساخت PCB، مبحثی طولانی است. کافی است بدانیم پیش از به وجود آمدن PCB، قطعات در یک جعبه قرار می گرفت و پایه های آنها با سیم به هم متصل می شد

با پیشرفت صنعت الکترونیک و تولید دستگاه ها با مدارات بزرگ، این نیاز احساس شد که یک صفحه عایق وجود داشته باشد که بتوان قطعات الکترونیکی را روی آن قرار داد به طوری که بتوان قطعات را روی آن لحیم کرد و اتصالات الکتریکی بین آنها را برقرار کرد. تولید چنین وسیله ای در سریع تر شدن تولیدِ انبوه، کوچک تر شدن اندازۀ مدارها و درنتیجه دستگاه ها، خطای کمتر هنگام تولید، مصون تر شدن از نویز، مونتاژ آسان تر قطعات، عیب یابی راحت تر و … می توانست بسیار مؤثر واقع شود. در نهایت بورد مدار چاپی یا همان PCB در انواع و شکل های مختلف ساخته شد.

در این بورد ها لایۀ نازکی از نوارهای رسانا که اتصالات الکتریکی را بین قطعات برقرار می کند، در پشت و رو و بین یک یا چند صفحۀ عایق قرار گرفته است. ظهور این این بوردها ، خود در صنعت الکترونیک جایگاه ویژه ای دارد و علاوه بر اثرات مثبتی که ذکر شد، باعث پیشرفت سریع تر در این زمینه گردیده است.

مراحل طراحی PCB در نرم افزار Altium Designer

در سال 1985 شخصی به نام نیک مارتین در استرالیا یک شرکت تولید نرم افزارهای طراحی الکترونیکی را تحت عنوان Altium تأسیس کرد. یکی از نرم افزارهای مشهور این شرکت Protel نام داشت و تا سال 2001 این شرکت به نام Protel شناخته می شد. در سال 2001 نام این نرم افزار به Altium تغییر کرد. این نرم افزار یک نرم افزار طراحی PCB با امکانات و قابلیت های فراوان است. در ادامه به مراحل کلی طراحی PCB در این نرم افزار می پردازیم.

به طور خلاصه برای طراحی PCB در نرم افزار Altium Designer به این صورت عمل می کنیم که ابتدا شماتیک مدار را در صفحۀ رسم شماتیک می کشیم. در صفحۀ رسم شماتیک، نماد شماتیکی قطعات که به آن شماتیک قطعه می گوییم، در کنار هم قرار داده می شوند و اتصالات بین آنها برقرار می شود. نام اتصالات بین قطعات در صفحۀ رسم شماتیک Wire (سیم) است. با انجام یک عمل ساده مدار کشیده شده در صفحۀ رسم شماتیک به صفحۀ رسم PCB منتقل می شود. به این صورت که در صفحۀ رسم شماتیک نماد قطعات را داشتیم و در صفحۀ رسم PCB شکل ظاهری خود قطعات را که فوت پرینت (Footprint) نام دارد، خواهیم داشت. در صفحۀ رسم PCB، فوت پرینت قطعات را در کنار هم و درجای مناسب قرار می دهیم و اتصالات بین آن ها را رسم می کنیم. به اتصالات در صفحۀ رسم PCB، ترک (Track) گفته می شود. در نهایت یک PCB طراحی شده خواهیم داشت.

مراحل کلی طراحی PCB در آلتیوم دیزاینر

در رسم شماتیک، ما شماتیک قطعاتی را استفاده می کنیم که کتابخانۀ آن قطعه از قبل وجود دارد. این کتابخانه ها را یا شرکت های سازندۀ قطعه منتشر می کنند و یا این که خودمان با استفاده از محیط های رسم کتابخانه آن ها را به وجود می آوریم. در طراحی PCB، این کتابخانه ها حداقل دو فایل هستند. یک فایل که حاوی نماد شماتیکی قطعات است و در صفحه شماتیک نمایش داده می شود و به آن کتابخانۀ شماتیک می گوییم و یک فایل که حاوی footprint قطعات است و به آن کتابخانۀ PCB می گوییم. هر یک از قطعات در کتابخانۀ شماتیک با فوت پرینت خودش در کتابخانۀ PCB مرتبط شده است. و وقتی از صفحۀ رسم شماتیک به رسم PCB می رویم، فوت پرینت همان قطعه ای که در صفحۀ رسم شماتیک هست در صفحۀ رسم PCB نمایش داده می شود. در صفحۀ رسم PCB نیز خطوط نازک سفید رنگی  پایه های قطعات را به هم وصل کرده است و راهنمایی برای رسم Track می باشد.

با توجه به مطالب گفته شده می توان به طور کلی گفت که مراحل طراحی PCB در Altium Designer به این صورت است:

1. طراحی کتابخانۀ شماتیک؛
2. طراحی کتابخانۀ PCB (فوت پرینت ها)؛
3. طراحی شماتیک در صفحۀ رسم شماتیک؛
4. طراحی PCB در صفحۀ رسم PCB (شامل جایگذاری قطعات و ترک کشی).

در نهایت PCB طراحی شده را ارزیابی می کنیم و در صورتی که طراحی ایراد یا مشکلی نداشته باشد، فایل آن را به شرکت های سازندۀ PCB می دهیم تا PCB را بسازند.

کتابخانه ها در Altium Designer و لزوم ساخت کتابخانه

پس از نصب نرم افزار Altium designer، تعدادی کتابخانه به همراه آن نصب می شود. اما این کتابخانه ها اغلب مناسب طراحی ما نیستند و ما نیاز داریم کتابخانه هایی برای کاربردهای خود داشته باشیم. هم از این لحاظ که این کتابخانه ها همۀ قطعاتی را که ما قرار است استفاده کنیم، شامل نمی شوند، هم این که ممکن است در آنها نکاتی که در طراحی، ساخت و مونتاژ ما وجود خواهد داشت، رعایت نشده باشد. همچنین برای استفاده از یک یا چند قطعه لازم است چندین کتابخانه را به نرم افزار اضافه کنیم که در سرعت عملکرد نرم افزار و همچنین سرعت جست و جوی قطعات در نرم افزار تأثیر منفی دارد.

ما ممکن است کتابخانه های آلتیوم را از جایی تهیه کنیم. مثلاً آنها را از اینترنت دانلود کنیم. یا از کسی که آنها را ساخته بگیریم. این امر در کتابخانۀ شماتیک ممکن است مشکلی نداشته باشد. نهایتاً شکل ظاهری شماتیک قطعات مورد پسند ما نیست و یا نمادهای شماتیک قطعات اشتباه رسم شده اند. این امر در طراحی PCB مشکلی به وجود نمی آورد. تنها مشکل آن شماتیک مداری است که رسم کرده ایم که ممکن است مورد پسند ما نباشد و یا شماتیک قطعه ای اشتباه رسم شده باشد.

اما کتابخانۀ PCB بسیار مهم است. و بهتر است ما خودمان آن را طراحی کنیم. و یا اگر کتابخانۀ PCB را از جایی تهیه کرده ایم، فوت پرینت قطعات را متناسب با کاربرد و طراحی خودمان تغییر دهیم. برای مثال ما یک کانکتور micro USB در طراحی PCB خود داریم. فوت پرینت این کانکتور اگر بخواهیم با دست مونتاژ کنیم شکل و ابعاد خاصی دارد. حال اگر بخواهیم تعداد بالایی از بورد را مونتاژ کنیم و بخواهیم مونتاژ با دستگاه انجام شود، فوت پرینت همان micro USB باید تفاوت داشته باشد.

7 مرحله اساسی طراحی برد الکترونیکی

1. شناسایی نیازها : ابتدا نیازهای مدار الکترونیکی مشخص می‌شوند. این نیازها شامل ویژگی‌هایی مانند تعداد پین‌های ورودی/خروجی، اندازه و شکل برد، انتخاب میکروکنترلر یا پردازنده، قدرت پردازش، حافظه و نحوه ارتباط با قطعات دیگر است.
2. طراحی شماتیک : در این مرحله، شماتیک مدار الکترونیکی طراحی می‌شود. این شماتیک یک نمایش نموداری از قطعات الکترونیکی و اتصالات بین آن‌ها است.
3. طراحی برد : طراحی برد الکترونیکی، بر اساس شماتیک مرحله قبل، انجام می‌شود. در این مرحله، نحوه قرارگیری قطعات و اتصالات بر روی برد تعیین می‌شود. همچنین در این مرحله، اندازه و شکل برد، سوراخ‌های مورد نیاز برای اتصال قطعات و قطعات نصب شده روی برد، مشخص می‌شوند.
4. ترسیم پیست : در این مرحله، مسیرهای پیست‌های طراحی شده، روی برد ترسیم می‌شوند. این مرحله شامل ترسیم مسیرهای پیست، تعیین ارتفاع پیست‌ها و تعیین ضخامت برد است.
5. نشانه گذاری : در این مرحله، برای تعیین نوع قطعات و نحوه نصب آن‌ها بر روی برد، نشانه‌گذاری انجام می‌شود. این شامل نوع و سایز قطعات، جهت قرارگیری آن‌ها و تعداد پایه‌های آن‌ها است.
6. تأیید طراحی : در این مرحله، طراحی برد الکترونیکی تأیید می‌شود. این شامل بررسی اتصالات، اندازه‌ها، نشانه‌گذاری و تمامی جزئیات طراحی است.در این مرحله، طراحی برد الکترونیکی تأیید می‌شود. این شامل بررسی اتصالات، اندازه‌ها، نشانه‌گذاری و تمامی جزئیات طراحی است.
7. ساخت برد : در این مرحله، برد الکترونیکی ساخته می‌شود. ابتدا فایل‌های طراحی ارسال می‌شوند و سپس برد تولید می‌شود. سپس، قطعات الکترونیکی نصب شده و پایه‌های آن‌ها با پیست‌های بر روی برد اتصال داده می‌شوند.

عوامل موثر بر کیفیت طراحی PCB

بررسی ویژگی های طراحی برد با کیفیت

_قرارگیری مؤلفه‌ها

قرارگیری درست مؤلفه‌ها برای طراحی PCB کارایی و اثربخشی آن بسیار حائز اهمیت است. تمام مؤلفه‌ها باید به صورت منطقی قرار گرفته و به حداقل رساندن طول تراشه‌ها و اجتناب از هرگونه متقاطع شدن بین آنها توجه شود. همچنین گروه‌بندی مؤلفه‌ها بر اساس عملکرد آنها می‌تواند در این فرآیند به کمک شما باشد.

_مسیریابی تراشه‌ها

مسیریابی تراشه‌ها در PCB می‌تواند بر عملکرد آن تأثیر قابل توجهی داشته باشد. تراشه‌های کوتاه و پهن‌تر، مقاومت و ظرفیت پارازیتیک کمتری خواهند داشت که منجر به بهبود سلامت سیگنال خواهد شد. همچنین مسیریابی مناسب تراشه‌ها مطمئن می‌شود که سیگنال‌ها هنگام عبور از برد، خراب یا تحریف نمی‌شوند.

_ارائه برق PCB

باید به گونه‌ای طراحی شود که برق را به تمامی مؤلفه‌ها به صورت کارا و قابل اعتماد ارائه دهد. صفحات برق و زمین برای فراهم کردن مسیر بازده پایینی برای جریان، کاهش کاهش ولتاژ و نویز به کار می‌روند. همچنین، باید کپاسیتورهای جداسازی در نزدیکی پین‌های برق قرار داده شوند تا فیلترینگ محلی فراهم شود.

 _سلامت سیگنال

سلامت سیگنال در طراحی PCB، به ویژه در مورد سیگنال‌های با سرعت بالا، بسیار حیاتی است. باید به طول و مسیردهی صحیح تراک‌ها توجه ویژه‌ای داشته باشید تا از انعکاس، اشتراک نویز و کاهش سیگنال جلوگیری شود. همچنین استفاده از زمین‌های صحیح و تراک‌های محافظ می‌تواند به حداقل رساندن تداخل الکترومغناطیسی کمک کند.

_مدیریت حرارتی

کامپوننت‌های روی PCB گرما تولید می‌کنند و مدیریت حرارتی صحیح برای جلوگیری از گرم شدن زیاد و خرابی کامپوننت‌ها ضروری است. استفاده از حرارت‌گیرها، ویاهای حرارتی و تهویه هوای مناسب برای پخش حرارت به درستی باید در نظر گرفته شود.

_طراحی قابل تولید

در طراحی PCB باید با توجه به فرآیند تولید، طراحی شود. باید به گروه‌بندی قطعات و قرارگیری مناسب آن‌ها توجه شود تا فرآیند جمع‌آوری و آزمایش آسان شود. کافی است فاصله کافی بین قطعات فراهم شود تا کوتاه شدن اتصالات جلوگیری شود و مطمئن شوید قابلیت جوش‌دادن آن‌ها نیز به درستی فراهم شده است.

_PCB stack-up

در طراحی PCB، PCB stack-up یک نکته حیاتی است. تعداد لایه‌ها، ضخامت مس و فاصله بین لایه‌ها همگی در عملکرد PCB نقش دارند.

 

از معرفی مراحل طراحی PCB در آلتیوم دیزاینر نتیجه می گیریم

1. PCB یک اختراع بسیار مهم در صنعت الکترونیک است. اختراع PCB، پیشرفت دستگاه های الکترونیکی را تسریع بخشید.
2. PCBها می توانند یک لایه، دولایه یا چند لایه باشند.
3. مراحل کلی طراحی PCB شامل طراحی کتابخانه های شماتیک و PCB، طراحی در محیط رسم شماتیک، طراحی در محیط رسم PCB و ارزیابی PCB می شود.
4. در طراحی مدار چاپی با نرم افزار Altium Designer می توان هم شماتیک و هم PCB را طراحی کرد.
5. استفاده از کتابخانه های مختص پروژۀ در دست طراحی، اهمیت ویژه ای دارد. بدین معنا که کتابخانه های شماتیک و PCB مورد استفاده برای کاربرد همان پروژه طراحی شده باشند.
6. طراحی PCB بدون شماتیک کاری غیر اصولی و ناصحیح است. باید همواره مرحلۀ رسم شماتیک به انجام برسد.
7. طراحی PCB در صفحۀ رسم PCB شامل سه مرحلۀ جایگذاری فوت پرینت ها، ترک کشی و ارزیابی است.