آموزش پیشرفتهآموزش نانو

آشنایی با مدارهای چاپی الکترونیکی

تصویر زهرا علیرضایی زهرا علیرضاییخرداد 2, 1402
0 2 خواندن این مطلب 16 دقیقه زمان میبرد

در دنیای امروزی که فناوری‌های اطلاعات و ارتباطات به سرعت در حال پیشرفت هستند، مدارات چاپی الکترونیکی به عنوان یکی از پیشرفت‌های این عرصه، به شدت رشد و توسعه یافته است. مدارهای چاپی یا Printed circuit boards (PCBs) یکی از مهم‌ترین عناصر الکترونیکی هستند که در دنیای امروز، در بسیاری از صنایع از جمله صنایع خودروسازی، هوافضا، کامپیوتر و الکترونیک برای ساخت محصولات مختلف به کار می‌روند. مزایای مدارهای چاپی شامل کاهش حجم، کاهش هزینه، افزایش سرعت تولید و عدم نیاز به اتصال دستی بین اجزای مدار می‌باشد. در این مقاله، مدارهای چاپی، انواع آن‌ها، کاربردها و روش‌های ساخت مدارهای چاپی مطرح خواهد شد.

این مقاله شامل سرفصل‌های زیر می‌باشد.
  1. مقدمه
  2. انواع مدارهای چاپی الکترونیکی
  3. تاریخچه
  4. کاربردهای مدارهای چاپی الکترونیکی
  5. روش‌های مختلف چاپ مدارات الکترونیکی
  6. بررسی نوآوری‌های اخیر در تولید مدارات چاپی الکترونیکی
  7. نتیجه‌گیری

1- مقدمه:

مدار چاپی الکترونیکی به معنای یک برد چاپی است که برای انتقال سیگنال‌های الکترونیکی بین قطعات مختلف یک سیستم الکترونیکی استفاده می‌شود. PCB ها شامل ترکیبی از قطعات الکترونیکی مختلف، سیم‌ها، مسیرهای مسی و سایر عناصر الکترونیکی هستند که با هم تشکیل یک سیستم الکترونیکی را می‌دهند. در الکترونیک، مدارهای چاپی به دلیل قابلیت ساختاردهی و پایداری بیشتر، از مدارهای الکتریکی سیمی به مراتب جذاب‌تر هستند. شکل 1 تصویر یک نمونه مدار چاپی و مدار الکتریکی سیمی را نمایش می‌دهد. همانطور که با مقایسه این دو تصویر مشخص است، فهم و ساخت مدارهای با اتصال دستی توسط سیم بسیار پیچیده و سخت خواهد بود. استفاده از مدارهای چاپی الکترونیکی نیز به دلیل کاهش ابعاد و وزن سیستم‌های الکترونیکی، باعث شده است که سیستم‌هایی با کارایی بیشتر و همچنین ظاهری زیباتر و باریک‌تر تولید شوند[1,2].
شکل1: مقایسه برد اتصال سیمی و برد مدار چاپی

2- انواع مدارهای چاپی الکترونیکی:

مدارهای چاپی براساس تعداد لایه‌ها به انواع مختلفی تقسیم می‌شوند که ارزانترین آنها، مدارهای یک‌لایه و گرانترین آنها مدارهای انعطاف‌پذیر هستند[3-9].

2-1- مدارهای یک لایه:

در این گروه از مدارها فقط از یک طرف لایه‌نشانی مس انجام شده است. به عبارت دیگر این مدارها شامل یک لایه مسی و یک لایه عایق هستند و از یک طرف می‌توان برای اتصال قطعات استفاده کرد. در مدارهای یک لایه، تمام قطعات الکترونیکی روی یک سطح قرار دارند و اتصالات بین آن‌ها با استفاده از راه‌های مسی و حفره‌ها صورت می گیرد. این نوع مدارات برای ساخت مدارات ساده و کاربردهایی که نیاز به پایین‌ترین هزینه ممکن دارند، استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، از مدارات تک‌لایه برای ساخت مدارات تقویت کننده، فیلترهای مختلف و مدارهای محافظ استفاده می‌شود.

2-2- مدارهای دو لایه:

این نوع از مدارهای چاپی الکترونیکی شامل دو لایه از مس و یک لایه عایق می‌باشند. در مدارهای دولایه، امکان اتصال قطعات الکترونیکی از دو طرف مدار وجود دارد و اتصالات بین قطعات با استفاده از راه‌های مسی، حفره‌ها و مدارهای الکترونیکی ایجاد می‌شود.

2-3- مدارهای چند لایه:

مدارهای چندلایه شامل بیشتر از دو لایه مس است و لایه‌های مختلف آن‌ها شامل لایه‌های مسی و لایه‌های عایق هستند. این نوع مدارات برای ساخت مدارات پیچیده و کاربردهایی که نیاز به دقت بیشتری دارند، استفاده می‌شوند. در این نوع از مدارها، قطعات الکترونیکی روی سطوح مختلف از برد قرار می‌گیرند. شکل 2، طرح شماتیک مدارهای یک، دو، چهار و شش لایه را نمایش می‌دهد.
شکل2: تصویر شماتیک مدارهای چاپی تک لایه و چندلایه
شکل3 دو نمونه واقعی مدار چاپی تک لایه و چند لایه را نمایش می‌دهد.
شکل3: تصویر مدار چاپی تک لایه (الف) و مدار چاپی چند لایه(ب)

4-2- مدارهای منعطف:

این نوع از مدارهای چاپی الکترونیکی شامل لایه‌هایی از مواد انعطاف‌پذیری مانند پلی‌آمید یا پلی‌استر است. این نوع از مدارها معمولاً برای سیستم‌هایی با سطوح پیچیده و نیاز به انعطاف بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند. شکل 4 یک نمونه مدار منعطف واقعی را نمایش می‌دهد.
شکل 4: نمونه مدار چاپی منعطف

3- تاریخچه:

در سال 1920 روش‌هایی برای رسم خط‌های روی بردهای پلی‌اتیلن وجود داشت که به عنوان مدارهای چاپی استفاده می‌شد. در دهه ۱۹۴۰، هنری جورج مارتین، مهندس برق آمریکایی، ایده‌ای جدید را مطرح کرد. او از یک پوشش نسوز برای برد استفاده کرد که با استفاده از آن، مسیرهای مورد نیاز برای اتصال اجزای مدار الکترونیکی بر روی برد ایجاد می‌شد. این پوشش، عایق کائوچو بود که به دو طرف مس کوره شده بود. در دهه ۱۹۵۰، این فناوری توسط آرتور برسون، مهندس شرکت شاینی، به شکل آزمایشی در بردهای رادیویی استفاده شد. بعد از این موفقیت، این فناوری به سرعت توسعه یافت و در دهه ۱۹۶۰، ساخت مدارهای چاپی با استفاده از اسید انجام شد[10,11].

4- کاربردهای مدارهای چاپی الکترونیکی:

همانطور که در بخش‌های قبل مطرح شد، مدارهای چاپی الکترونیکی در صنایع مختلف استفاده می‌شود. در ادامه به برخی از این کاربردها به صورت مختصر اشاره خواهد شد:
۱-  سیستم‌های کنترلی: مدارهای چاپی الکترونیکی برای کنترل ماشین آلات، دستگاه‌های اندازه‌گیری، دستگاه‌های خودرو و دستگاه‌های پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
۲-  صنایع مخابراتی: مدارهای چاپی الکترونیکی در ارتباطات بی‌سیم، دستگاه‌های مخابراتی، مودم‌ها و دستگاه‌های ارتباطی دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرند.[12] ۳ –  صنایع خودرو: مدارهای چاپی الکترونیکی در خودروهای مدرن برای کنترل سیستم‌های برقی، الکترونیکی و مکانیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
۴-  صنایع پزشکی: مدارهای چاپی الکترونیکی در دستگاه‌های پزشکی مانند مانیتورینگ قلب، تجهیزات تصویربرداری، دستگاه‌های تشخیصی و درمانی و دستگاه‌های دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرند.
۵-   صنایع فضایی: مدارهای چاپی الکترونیکی در صنایع فضایی برای کنترل سیستم‌های فضایی و موشک‌های راه دور مورد استفاده قرار می‌گیرند.
۶-  صنایع الکترونیکی: مدارهای چاپی الکترونیکی در تولید محصولات الکترونیکی مانند تلویزیون‌ها، رادیوها، کامپیوترها، تجهیزات جانبی و دستگاه‌های دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرند.

5- روش‌های مختلف چاپ مدارات الکترونیکی:

در ادامه به بررسی چند روش از روش‌های ساخت که تا کنون مورد استفاده در صنایع الکترونیک قرار گرفته‌اند خواهیم پرداخت:

5-1- چاپ مدارات الکترونیکی به روش اتو:

یکی از روش‌های رایج  و راحت برای ساخت مدارهای الکترونیکی است. این روش ساده و قابل اجرای خانگی می باشد ولی از نظر دقت دارای دقت و کیفیت خیلی خوبی نیست. در این روش، ابتدا یک الگوی مدار الکترونیکی را با استفاده از یک نرم‌افزار طراحی مدار الکترونیکی (مانند KiCAD یا  Altium Designer) طراحی می‌کنیم. سپس الگوی طراحی شده را بر روی یک برگه گلاسه (یا فیلمی) با استفاده از پرینتر لیزری چاپ می‌کنیم. سپس برگه گلاسه حاوی الگوی چاپ شده را روی یک صفحه مسی (copper clad board) قرار می‌دهیم و آن را با یک لایه حرارتی (laminator) یا با استفاده از اتو، به یکدیگر متصل می‌کنیم. در این مرحله، برگه گلاسه مسیرهای مسی را که نمایان‌گر ناحیه‌هایی هستند که باید برای تولید مدار، از روی مس خارج شوند را نشان می‌دهد. در مرحله بعد صفحه کاغذ را از برد جدا می کنیم (بهتر است در آب بگذاریم تا کاغذ خیس خورده و راحت جدا شود). طرح به صفحه مسی منتقل شده است.
سپس مسیرهایی که باید از بین برود را با استفاده از یک اسید (مانند اسید نیتریک) از روی صفحه مسی حذف می‌کنیم. به این صورت که برد را در محلول اسیدی قرار داده تا قسمت های اضافه کاملا خورده شود .پس از حذف تمام نواحی مسی اضافی، فقط بخش‌های مسی که باقی مانده و به هم متصل شده‌اند، نمایان می‌شوند و یک مدار الکترونیکی کامل ساخته شده است. شکل 5 تصویر مرحله چاپ با اتو و کار با اسید را نمایش می‌دهد.
این روش برای ساخت مدارات الکترونیکی با پیچیدگی کمتر و حجم کمتر مناسب است، زیرا برای پرینت کردن مدارهای الکترونیکی پیچیده با این روش، نیاز به دقت بسیار زیاد و برش دقیق تراش‌ها و همچنین برش کامل صفحه مسی برای حذف ناحیه‌های اضافی وجود دارد.
سپس، باید نقاط اتصال مدار الکترونیکی را با استفاده از لحیم کاری یا روش‌های دیگری که برای اتصال مدارهای الکترونیکی استفاده می‌شود، بهم وصل کنیم. پس از اتصال نقاط، می‌توان مدار الکترونیکی را تست کرد و در صورت نیاز به تعدیل و اصلاح مدار، به همان روش باز طراحی و ساخت آن را تکرار کرد.
برای ساخت مدارات الکترونیکی با پیچیدگی بالاتر مانند پردازنده‌ها و حافظه‌های اطلاعاتی، این روش مناسب نیست و بهتر است از روش‌های دیگری مانند فرایند تولید سه‌بعدی یا تولید مدارات با استفاده از فرایند‌های فوتولیتوگرافی و ماشین‌کاری CNC استفاده کرد.
در کل، روش چاپ مدارات الکترونی با استفاده از اتو یکی از روش‌های سنتی و ارزان برای ساخت مدارات الکترونیکی است، اما نیاز به تجربه، دقت و دانش کافی در استفاده از مواد شیمیایی و لوازم حفاظتی دارد[13-15].
شکل 5: تصویر مرحله چاپ با اتو و اسید کاری

5-2-چاپ مدارات الکترونیکی به روش لیتوگرافی:

این روش یکی از روش‌های پر استفاده در صنایع الکترونیک می باشد .روش فوتولیتوگرافی یک روش تولید مدارهای الکترونیکی برای انتقال شماتیک مدارات به مدارهای فیزیکی است. این روش یکی از متدهای رایج برای ساخت مدارهای الکترونیکی است که در آن از ترکیب تکنولوژی نوری و شیمیایی برای ساخت مدارهای الکترونیکی استفاده می‌شود. در این روش، ابتدا یک لایه تاریک از مواد حساس به نور بر روی PCB ایجاد می‌شود و سپس یک طرح به آن اعمال می‌شود. در نهایت، نور به لایه حساس به نور تابیده شده و باعث ایجاد الگوی الکترونیکی بر روی سطح ماده می‌گردد. روش فوتولیتوگرافی شامل مراحل زیر است:
طراحی مدار: ابتدا مدار الکترونیکی به وسیله نرم‌افزار طراحی شده و به شکل یک فایل تصویری در فرمت قابل قبول برای تولید تراشه مانند GDSII ذخیره می‌شود.
تولید ماسک: فایل تصویری مدار به عنوان یک الگوی بسیار دقیق بر روی یک ماسک تولید می‌شود. ماسک به عنوان یک قالب نقشه مدار برای تولید تراشه الکترونیکی استفاده می‌شود.
پوشش فیلم: روی تراشه یک لایه نازک فیلم رزینی پوشش داده می‌شود. سپس ماسک روی تراشه قرار داده می‌شود و نور مرئی از روی آن عبور می‌کند.
توالی نورپردازی: در این مرحله، نور از روی ماسک توسط پرتو نورUV  گذرانده می‌شود و تصویر مدار بر روی لایه فیلم تراشه الکترونیکی شکل می‌گیرد.
الکتروشیمی: پس از تشکیل الگوی مدار بر روی فیلم، تراشه به در محلول اسید قرار گرفته و لایه فیلم از روی سطح تراشه حذف می‌شود. پس از حذف لایه فیلم، تراشه با استفاده از یک فرایند الکتروشیمیایی به شکل نهایی خود تبدیل می‌شود.
تست تراشه: پس از تولید تراشه، آن را برای تست و اعتبارسنجی از نظر عملکرد الکتریکی و پایداری تحت شرایط مختلف مورد آزمایش قرار می‌دهند.
بسته‌بندی: پس از تست موفق تراشه، آن را به یک بسته‌بندی محافظتی قرار می‌دهند که برای استفاده در دستگاه‌های الکترونیکی مناسب است.
مزایای این روش شامل دقت بالا، تولید حجم بالا، سرعت بالا و کنترل دقیق فرآیند ساخت می‌باشد. این روش همچنین به دلیل سهولت و سرعت تولید، مورد استفاده در بسیاری از صنایع الکترونیکی، از جمله تولید مدارهای اینترنت اشیا، کامپیوترها و تلفن های همراه قرار دارد[16-17].

5-3-چاپ مدارات الکترونیکی با استفاده ازCNC :

در این روش ابتدا نقشه مدار الکترونیکی به صورت دیجیتالی طراحی شده و سپس با استفاده از نرم‌افزارهای مخصوص CNC طرح مورد نظر بر روی برد ایجاد می‌شود. ماشین CNC با استفاده از یک ابزار برشی (معمولاً یک فرز  یا مته) روی برد PCB حرکت می‌کند و اجزای غیرضروری را از برد برش می‌دهد. برای ایجاد اتصالات بر روی برد، سوراخ‌هایی با استفاده از مته به اندازه های لازم  جهت لحیم کاری قطعات در محل‌های مورد نیاز بر روی برد ایجاد می‌شوند. در نهایت، برد PCB با کلیدهای الکترونیکی، قطعات و اتصالات لازم برای مونتاژ مدار الکترونیکی آماده می‌شود.
روش CNC به دلیل دقت و کیفیت ساخت بالا و امکان ساخت به صورت اتوماتیک، در صنعت الکترونیک بسیار مورد توجه قرار گرفته است. همچنین، با استفاده از این روش، زمان ساخت مدارات الکترونیکی به شدت کاهش می‌یابد و برای شرکت‌های الکترونیکی مزیت رقابتی ایجاد می‌شود[18-19]. شکل 6 چاپ مدار با این روش را نمایش می‌دهد.