یک برد مدار چاپی یکرو سادهترین نوع برد مدار چاپی است. تمام قطعات در یک طرف قرار میگیرند و همهٔ مسیرها در طرف دیگر قرار دارند. از آنجا که تنها یک طرف دارای مسیرهاست، آن را برد یکرو مینامیم. ساخت آن آسان است و هزینهٔ کمتری دارد. به همین دلیل، محصولات الکترونیکی ساده اغلب از بردهای مدار چاپی یکرو استفاده میکنند.
چه زمانی از PCB دو رو استفاده کنیم
یک برد مدار چاپی دو رو گامی فراتر از برد یک رو است. وقتی یک لایه مسیریابی نتواند نیازهای یک محصول را برآورده کند، طراحان از برد دو رو استفاده میکنند. هر دو طرف دارای مس و مسیرهای مسی هستند. این دو طرف میتوانند از طریق سوراخهای آبکاریشدهای به نام ویاس به هم متصل شوند. ویاسها اجازه میدهند سیگنالها از یک لایه به لایه دیگر منتقل شوند. بدین ترتیب برد میتواند شبکه مدار مورد نیاز را تشکیل دهد.
شباهتها و تفاوتهای بردهای مدار چاپی یکرو و دورو
مواد و فرآیند پایه
بردهای مدار چاپی یکرو و دورو از همان مواد پایه استفاده میکنند. بیشتر بردهای مدرن از FR4 استفاده میکنند. FR4 ترکیبی از الیاف شیشهای و اپوکسی است. در ساخت مدرن، معمولاً برد را برای رسانایی بهتر با مس آبکاری میکنند. سپس برای ظاهری مرتب و محافظت، روی آن ماسک لحیمکاری اضافه میکنند. سیلکاسکرین یا چاپ سیلکاسکرین، برچسبها و علائم را اضافه میکند. دستگاهها علائم را در فرایندی به نام سیلکاسکرین چاپ میکنند.
تولید قدیمی و محدودیتها
ساخت بردهای مدرن همیشه اینگونه نبوده است. در گذشته، مهندسان و علاقهمندان طرحها را روی بردها منتقل میکردند و سپس با حمامهای شیمیایی آنها را حکاکی میکردند. روشهای زیادی وجود داشت. بیشتر آنها محدودیتهای یکسانی داشتند. نمیتوانستید بهراحتی چندین لایه را روی یک برد حکاکی کنید. این امر باعث میشد طرحها بزرگتر شوند و به بهینهسازی سنگینی نیاز پیدا کنند.
در دههٔ ۱۹۶۰ این وضعیت مشکلی نداشت. قطعات سوراخدار بزرگ معمول بودند. تراشههای مستطیلی بزرگ پینهای پهن داشتند. اینها بستههای DIP بودند. قطعات گسستهٔ سوراخدار مانند مقاومتها و خازنها نیز بزرگ بودند. قطعات نزدیک به هم قرار میگرفتند تا مسیرهای کوتاه آسان باشند. این باعث میشد چیدمانهای یکرو ساده و واضح باشند.
ظهور قطعات سطحی (SMD)
دههٔ ۱۹۸۰ عرصه را دگرگون کرد. دستگاههای نصب سطحی (SMD) به قطعات مورد علاقهٔ مهندسان تبدیل شدند. بستههای مسطح مربعی رایج شدند. قطعات گسستهٔ SMD مسیریابی زیر قطعات را دشوار کردند. بردها باید کوچکتر میشدند. بردهای یکرو استفادهٔ دشوارتری یافتند. این امر رشد تکنیکهای برد دورو را تسریع کرد. با ویاز دیگر لازم نبود تمام مس را در یک سمت نگه دارید. میتوانستید در هر دو طرف مسیریابی کنید و از سوراخهای آبکاریشده برای اتصال لایهها استفاده کنید.
بردهای مدار چاپی دو رو
مهندسان عمدتاً بهخاطر سهولت به بردهای دو رو روی آوردند. وقتی محدودیتهای طراحی قطعات را در ناحیهای مشخص محدود میکنند، چیدمانهای دو رو نسبت به تکرو آسانتر هستند. بردهای دو رو همچنین امکان ایجاد پلنهای زمین یا تغذیه بزرگ را فراهم میکنند. اگر از نزدیک به برد نگاه کنید، ممکن است بهجای خطوط نازک متعدد، برشهای بزرگ مس را ببینید. این نواحی بزرگ مس به کاهش EMI، مدیریت حرارت، قابلیت ساخت و بیش از همه، کاهش حجم کار مسیریابی کمک میکنند.
چرا بردهای یکرو هنوز وجود دارند؟
با اینکه بردهای دو رو مزایای آشکاری دارند، طراحیهای یکرو هنوز هم در بسیاری از محصولات امروزی دیده میشوند. هزینه عامل اصلی است. بردهای PCB یکرو معمولاً کمی ارزانتر هستند و گاهی زمان تحویل کوتاهتری دارند. برای یک طراحی ساده، این یک امتیاز واضح است. در تولید انبوه محصولات ساده، صرفهجویی چند سنتی در هر برد میتواند اهمیت زیادی داشته باشد. همچنین برای مسیرهای با جریان بالا که به مس عریض نیاز دارند، چیدمانهای یکرو میتوانند مناسب باشند. آنها امکان استفاده از نواحی مسی بزرگ و مسیریابی ساده برای مسیرهای جریان سنگین را فراهم میکنند.
مزایا و معایب بردهای مدار چاپی یکرو
مزایا
هزینه کمتر.
طراحی و ساخت سادهتر.
در بسیاری از موارد زمان تحویل کوتاهتر است.
معایب
برای طرحهای پیچیده با قطعات زیاد مناسب نیست.
سخت است نیازهای اندازه کوچک را برآورده کرد.
ظرفیت مسیریابی کمتر.
ممکن است برای انجام همان کار سنگینتر و بزرگتر باشد.
کاربردهای معمول بردهای مدار چاپی یکرو
بردهای یکرو در بسیاری از محصولات کمهزینه رایج هستند. این بردها در دستگاههایی با عملکرد ساده که به حافظه زیاد یا ارتباطات شبکهای نیاز ندارند، به کار میروند. برای مثال میتوان به لوازم خانگی کوچک مانند دستگاههای قهوهساز اشاره کرد. همچنین در بسیاری از ماشینحسابها، رادیوهای ساده، چاپگرها و چراغهای LED نیز دیده میشوند. دستگاههای ذخیرهسازی ساده مانند هارددیسکهای حالتجامد پایه ممکن است از بردهای یکرو استفاده کنند. منابع تغذیه و انواع مختلف حسگرها نیز اغلب از PCBهای یکرو بهره میبرند.
چگونه بردهای یکرو، دورو و چندلایه را تشخیص دهیم
برد را در مقابل نور نگه دارید. اگر هستهی داخلی کاملاً مات باشد و نتوانید نور را از لایههای داخلی ببینید، این یک برد چندلایه است. اگر تنها یک لایهی مسی ببینید، این یک برد یکرو است.
به سوراخها نگاه کنید. بردهای یکرو دارای سوراخهای بدون آبکاری هستند. دیوارههای سوراخها آبکاری نشده و فرآیند الکتروپلیتینگ در آنها انجام نمیشود. بردهای دورو دارای سوراخهای عبوری آبکاریشده یا ویاس هستند. این بدان معناست که شما مس را در داخل سوراخ خواهید دید.
تفاوت اساسی در تعداد لایههای مسی است: نوع تکلایه یک لایه مسی دارد، نوع دولایه دو لایه مسی دارد و نوع چندلایه سه لایه یا بیشتر دارد. در ساخت چندلایه، لایههای داخلی اضافه میشوند و سپس مجموعه لایهها لمینیت میشود. در صورت نیاز میتوانید یک مقطع عرضی ببرید تا لایهها را بررسی کنید.
چگونه EMI را روی بردهای PCB یکرو یا دورو کاهش دهیم
به دلایل اقتصادی، بسیاری از دستگاههای مصرفی از بردهای یکرو یا دورو استفاده میکنند. با رایج شدن مدارهای پالس دیجیتال، مشکلات EMI افزایش مییابد. علت اصلی، مساحت بزرگ حلقه سیگنال است. مساحتهای بزرگ حلقه نه تنها تابش قویتری تولید میکنند، بلکه مدار را نسبت به نویز خارجی حساستر میسازند. برای بهبود EMC، سادهترین روش کاهش مساحت حلقه سیگنالهای حیاتی است.
شناسایی سیگنالهای کلیدی
از دیدگاه EMC، سیگنالهای کلیدی شامل آنهایی هستند که تابش قوی ایجاد میکنند و آنهایی که به نویز خارجی حساساند. تابشدهندههای قوی اغلب سیگنالهای دورهای مانند کلاکها و خطوط آدرس با درجه پایین هستند. سیگنالهای حساس اغلب خطوط آنالوگ با سطح پاییناند.
روشهایی برای کاهش مساحت حلقه
یک روش ساده این است که یک ردش زمین را در کنار ردش سیگنال مسیریابی کنید. زمین را تا حد امکان نزدیک قرار دهید. این چینش ناحیه حلقهای بسیار کوچکی ایجاد میکند و تابش تفاضلی و حساسیت را کاهش میدهد. وقتی یک ردش زمین را در کنار سیگنال قرار میدهید، جریان سیگنال عمدتاً در آن حلقه کوچک جریان مییابد، نه در مسیرهای زمین دیگر.
اگر از برد دو رو استفاده میکنید، یک مسیر زمین را در سمت دیگر، درست زیر خط سیگنال قرار دهید. اگر میتوانید آن مسیر زمین را پهن کنید. مساحت حلقه در این صورت برابر با ضخامت برد ضربدر طول خط سیگنال میشود. این مساحت بسیار کمتر از یک حلقه باز طولانی است و به کاهش تشعشع کمک میکند.
همچنین همیشه از توری زمین مسی روی بردهای دو رو استفاده کنید. توری زمین امپدانس زمین را کاهش میدهد. با وجود توری زمین، خط سیگنال تقریباً همیشه یک خط زمین در نزدیکی خود دارد و ناحیه حلقهای کوچکتری ایجاد میکند. هنگام مسیریابی، خطوط کلیدی را نزدیک زمین نگه دارید. تنها خطوطی که بیشترین اهمیت را دارند نیاز به زمین درست در کنار خود دارند.
نکات پایهای دیگر:
برای سیگنالهای با سرعت بالا از ردپاهای کوتاه استفاده کنید.
از خازنهای تفکیک مناسب در نزدیکی پینهای تغذیه استفاده کنید.
زمینهای آنالوگ و دیجیتال را از هم جدا نگه دارید و در صورت نیاز آنها را در یک نقطه به هم متصل کنید.
از حلقههای طولانی خودداری کنید. مسیرهای بازگشت را نزدیک مسیر سیگنال قرار دهید.
مثالهای عملی کوچک
برای یک مسیر کلاک روی برد دو رو، یک مسیر زمین پهن را در سمت دیگر زیر آن قرار دهید. اگر ضخامت برد ۱.۶ میلیمتر و طول مسیر کلاک ۵۰ میلیمتر باشد، مساحت حلقه تقریباً ۱.۶ × ۵۰ میلیمتر است. اگر بتوانید مسیر را به ۲۰ میلیمتر کوتاه کنید، مساحت بهطور قابلتوجهی کاهش مییابد.
برای یک سیگنال آنالوگ حساس، یک مسیر زمین را درست در کنار آن و در همان سمت بکشید. سپس این جفت یک حلقهٔ بسته تشکیل میدهد و نویز را کاهش میدهد.
خلاصه
بردهای مدار چاپی یکرو ساده و ارزان هستند. آنها تمام قطعات را در یک طرف و تمام مسیرها را در طرف دیگر قرار میدهند. بردهای دوطرفه لایه دوم را اضافه میکنند و از ویاس برای اتصال دو طرف استفاده میکنند. FR4 ماده رایج برای هر دو است. حرکت از قطعات سوراخدار به قطعات سطحی نیاز به بردهای دوطرفه و چندلایه را افزایش داد. با این حال، بردهای یکطرفه به دلیل هزینه و سادگی همچنان برای بسیاری از محصولات ساده مناسب هستند. برای کاهش EMI در بردهای یکطرفه یا دوطرفه، مساحت حلقه را کاهش دهید، ردیفهای زمین را در نزدیکی اضافه کنید، از توری زمین استفاده کنید و مسیرها را کوتاه نگه دارید.
سوالات متداول
آنها کمهزینه، ساده در طراحی و ساخت، آسان برای آزمایش/تعمیر و ایدهآل برای محصولات با حجم بالا و پیچیدگی پایین هستند.
بله—پیچیدگی مواد و فرآیند کمتر است، بنابراین هزینه واحد و زمان تحویل معمولاً بهطور قابلتوجهی کمتر از PCBهای دوطرفه یا چندلایه است.
از آنجا که قطعات در یک سمت قرار دارند، محل قرارگیری قطعات را برای لحیمکاری ریفلو/موجی برنامهریزی کنید و مطمئن شوید که هیچ قطعه مزاحمی در سمت لحیم وجود ندارد؛ فرآیند لحیمکاری را با مونتاژکننده خود در میان بگذارید.
کنترل کیفیت معمول شامل بازرسی چشمی، ناحیهٔ علاقه (در صورت لزوم)، آزمایش پیوستگی الکتریکی/کوتاهشدگی و تست عملکردی در صورت درخواست مشتری است.
قوانین استاندارد فاصلهٔ ایمنی و عرض مسیر را رعایت کنید، مسیر را طوری انتخاب کنید که تقاطعها به حداقل برسد (چون لایهٔ دوم وجود ندارد)، و برای سوراخهای عبوری و پدها فضا باقی بگذارید—DRC کارخانه و حداقلهای لازم را تأیید کنید.