شکل یک مقایسه کلی را نشون میده .

نکته جالب جایگاه زبان های برنامه نویسی سخت افزار می باشد . البته بعضی زبان ها بطور مشترک هستند و بعضی ها صرفا برای سخت افزار می باشند .

👆👆👆👆
منبع : سایت ieee

اخبار تکنولوژی

دانشمندان موفق شدند با ساخت نوعی کیت الکترونیکی بسیار کوچک حرکت سوسک ها در حین پرواز را کنترل کنند.
در پی زلزله مرگبار اخیر نپال، دانشمندان بیش از هر زمان دیگری مشغول تحقیق برای ساخت ابزارهای جدید برای عملیات امداد و نجات هستند.
محققان امیدوارند بتوانند از سوسک ها برای شرکت در عملیات امداد و نجات در مناطقی که برای انسان ها قابل دسترسی نیست استفاده کنند.

تاریخ الکترونیک

در سال ۱۸۹۸ نیکولا تسلا اوّلین ارتباط رادیویی را به نمایش عموم در آورد . وی جزئیات مبادی و اصول ارتباط رادیویی را نمایش و شرح داد. در سال ۱۹۰۴ جان آمیروز فلمینگ، اولین استاد مهندسی برق در کالج لندن، اولین لامپ خلاء (دیود) را اختراع کرد. یک سال بعد در سال ۱۹۰۶ رابرت فون لیبن و لی-د-فارست به طور مستقل لامپهای تقویت کننده‌ای را ساختند که لامپ سه قطبی نامیده می‌شد. آغاز الکترونیک معمولاً با اختراع لامپ خلاء توسط لی د فارست در ۱۹۰۷ در نظر گرفته می‌شود. در مدت ۱۰ سال، دستگاه او در فرستنده‌ها و گیرنده‌های رادیویی همچون سیستمهایی برای تماسهای تلفنی راه دور استفاده می‌شد. در ۱۹۱۲ ادوین هاوارد آرمسترانگ تقویت کننده ریجنراتیو فیدبک و نوسانساز را اختراع نمود. او همچنین گیرنده رادیو سوپرهیترودین را اختراع کرد که می‌توان آن را پدر رادیوی پیشرفته امروزی نامید. لامپهای خلاء به مدت ۴۰ سال به عنوان دستگاههای تقویت کننده مطرح بودند. تا اینکه محققانی که برای ویلیام شاکلی در آزمایشگاه بل در حال فعالیت بودند، ترانزیستور را در سال ۱۹۴۷ اختراع کردند. در همین سال‌ها رادیوهای ترانزیستوری، همچنین ساخت کامپیوترهای بزرگ و قدرتمند ممکن شد. ترانزیستورها کوچک‌تر بودند و برای کار به ولتاژ کمتری احتیاج داشتند. پیش از اختراع مدارهای مجتمع در سال ۱۹۵۹، مدارهای الکترونیکی از قطعات جدا از هم ساخته می‌شد که می‌توانست با دست، دستکاری شود. مدارهای غیر یکپارچه به فضای بیشتری احتیاج داشته و مصرف توان بالاتری داشتند، خطای بیشتر و همچنین سرعت پایین‌تری داشتند؛ گرچه هنوز در کاربردهای ساده استفاده می‌شوند. در مقابل مدارهای مجتمع تعداد زیادی، گاهی میلیون‌ها، قطعه ریز الکتریکی، و عمدتاً ترانزیستور، را در یک تراشه کوچک در حدود اندازه یک سکه بسته بندی می‌کنند.

انیاک ( اولین کامپیوتر ساخته شده )

در سال ۱۹۴۳ میلادی فیزیکدانی بنام دکتر جان ماکلی (به انگلیسی: John William Mauchly) با همکاری جان آدام پرسپر اکرت (به انگلیسی: John Adam Presper "Pres" Eckert Jr.) که مهندس برق بود شروع به ساختن اولین رایانه الکترونیکی همه منظوره نمود. این رایانه که در ساختن آن علاوه بر اجزاء الکترومکانیکی از نوزده هزار لامپ خلاء استفاده شده بود و ۱۳۰۰۰۰ وات انرژی مصرف می‌کرد و ۱۵۰۰ فوت مربع جا اشغال می‌کرد بنام انیاک (به انگلیسی: ENIAC) (مخفف Electronic Numerical Integrator And Computer) نامگذاری شد. انیاک در سال ۱۹۴۶ میلادی آماده نصب و راه‌اندازی گردید و در زمان خود پیچیده‌ترین دستگاه الکترونیکی جهان بود. این رایانه قادر به انجام سیصد عمل ضرب در هر ثانیه بود و قادر بود کار دستی ۳۰۰ روزه را در یک روز انجام دهد. کامپیوتر انیاک ۳۰ تن وزن داشت. انیاک در سال ۱۹۵۶ از دور خارج شد.

انیاک، کامپیوتر ساخته شده در سال ۱۹۴۶ (۱۳۲۴ شمسی)

طرح شماتیک سیماس

تاریخچه ترانزیستور

نماد ترانزیستوردر یک پیاده رودر دانشگاه آویرو ، کشور پرتغال

اولین حق ثبت اختراع ترانزیستور اثرمیدان در سال ۱۹۲۸ در آلمان توسط فیزیک دانی به نام ژولیوس ادگار لیلینفلد ثبت شد، اما او هیچ مقاله‌ای در باره قطعه‌اش چاپ نکرد و این سه ثبت اختراع از طرف صنعت نادیده گرفته شد. در سال ۱۹۳۴ فیزیکدان آلمانی دکتر اسکار هایل ترانزیستور اثر میدان دیگری را به ثبت رساند. هیچ مدرک مستقیمی وجود ندارد که این قطعه ساخته شده‌است، اما بعداً کارهایی در دهه ۱۹۹۰ نشان داد که یکی از طرح‌های لیلینفلد کار کرده و گین قابل توجه‌ای داده‌است. اوراق قانونی از آزمایشگاه‌های ثبت اختراع بل نشان می‌دهد که ویلیام شاکلی و جرالد پیرسن یک نسخه قابل استفاده از اختراع لیلینفلد ساخته‌اند، در حالی که آنها هیچگاه این را در تحقیقات و مقالات خود ذکر نکردند.

در ۲۳ دسامبر ۱۹۴۷، ویلیام شاکلی، جان باردین و والتر براتین موفق به ساخت اولین ترانزیستور اتصال نقطه‌ای در آزمایشگاه‌های بل شدند. این کار با تلاش‌های زمان جنگ برای تولید دیودهای مخلوط کننده ژرمانیم خالص «کریستال» ادامه یافت، این دیودها در واحدهای رادار بعنوان عنصر میکسر فرکانس در گیرنده‌های میکروموج استفاده می‌شد. یک پروژه موازی دیودهای ژرمانیم در دانشگاه پردو موفق شد کریستال‌های نیمه هادی ژرمانیم را با کیفیت خوب که در آزمایشگاه‌های بل استفاده می‌شد را تولید کند. سرعت سوئیچ تکنولوژی لامپی اولیه برای این کار کافی نبود، همین تیم بل را سوق داد تا از دیودهای حالت جامد به جای آن استفاده کنند. آنها با دانشی که در دست داشتند شروع به طراحی سه قطبی نیمه هادی کردند، اما دریافتند که کار ساده‌ای نیست. جان باردین سرانجام یک شاخه جدید فیزیک سطحی را برای محاسبه رفتار عجیبی که دیده بودند ایجاد کرد و سرانجام براتین و باردین موفق به ساخت یک قطعه کاری شدند.

آزمایشگاه‌های تلفن بل به یک اسم کلی برای اختراع جدید نیاز داشتند: «سه قطبی نیمه هادی»، «سه قطبی جامد»، «سه قطبی اجزاء سطحی»، «سه قطبی کریستال» و «لاتاتورن» که همه مطرح شده بودند، اما «ترانزیستور» که توسط جان رابینسون پیرس ابداع شده بود، برنده یک قرعه کشی داخلی شد. اساس وبنیاد این اسم در یاداشت فنی بعدی شرکت رای گیری شد:

ترانزیستور، این یک ترکیب مختصر از کلمات «ترانسکانداکتانس» یا «انتقال» و «مقاومت متغیر» است. این قطعه منطقاً متعلق به خانواده مقاومت متغیر می‌باشد و یک امپدانس انتقال یا گین دارد بنابراین این اسم یک ترکیب توصیفی است. -آزمایشگاه‌های تلفن بل- یاداشت فنی(۲۸ می۱۹۴۸)

در آن زمان تصور می‌شد که این قطعه مثل دو لامپ خلاء است. لامپ‌های خلاء هدایت انتقالی دارند بنابراین ترانزیستور مقاومت انتقالی دارد. و این اسم می‌بایست متناسب با نام دیگر قطعات مثل وریستور، ترمیستور باشد. و نام ترانزیستور پیشنهاد شد.

بل فوراً ترانزیستور تک اتصالی را جزء تولیدات انحصاری شرکت وسترن‌الکتریک، شهر آلنتون در ایالت پنسیلوانیا قرار داد. نخستین ترانزیستورهای گیرنده‌های رادیو AM در معرض نمایش قرار گرفتند، اما در واقع فقط در سطح آزمایشگاهی بودند. به هر حال در سال ۱۹۵۰ شاکلی یک نوع کاملاً متفاوت ترانزیستور را ارائه داد که به ترانزیستور اتصال دوقطبی معروف شد. اگرچه اصول کاری این قطعه با ترانزیستور تک اتصالی کاملاً فرق می‌کند، قطعه‌ای است که امروزه به عنوان ترانزیستور شناخته می‌شود. پروانه تولید این قطعه نیز به تعدادی از شرکت‌های الکترونیک شامل تگزاس اینسترومنتس که تعداد محدودی رادیو ترانزیستوری بعنوان ابزار فروش تولید می‌کرد داده شد. ترانزیستورهای اولیه از نظر شیمیایی ناپایدار بودند و فقط برای کاربردهای فرکانس و توان پایین مناسب بودند، اما همینکه طراحی ترانزیستور توسعه یافت این مشکلات نیز کم کم رفع شدند.

اگرچه اغلب نادرست به سونی نسبت داده می‌شود، ولی اولین رادیو ترانزیستوری تجاری Regency TR-1 بود که توسط Regency Division از I.D.E.A (گروه مهنسی توسعهٔ صنعتی) شهر ایندیاناپولیس در ایالت ایندیانا ساخته شده و در ۱۸ اکتبر ۱۹۵۴ اعلام شد. آین رادیو در نوامبر ۱۹۵۴ به قیمت ۹۵/۴۹ دلار(معادل با ۳۶۱ دلار در سال ۲۰۰۵) به فروش گذاشته شد و تعداد ۱۵۰۰۰۰ از آن به فروش رفت. این رادیو از ۴ ترانزیستور استفاده می‌کرد وبا یک باتری ۵/۲۲ ولتی راه اندازی می‌شد.

هنگامیکه ماسارو ایبوکا، موسس شرکت ژاپنی سونی از آمریکا دیدن می‌کرد آزمایشگاه‌های بل ارائه مجوز ساخت شامل ریز دستورهایی مبنی بر چگونگی ساخت ترانزیستور را اعلام کرده بودند. ایبوکا مجوز خرید ۵۰۰۰۰ دلاری پروانه تولید را از وزیر دارایی ژاپن گرفت و در سال ۱۹۵۵ رادیوی جیبی خود را تحت مارک سونی معرفی کرد. بعد از دو دهه ترانزیستورها به تدریج جای لامپ‌های خلاء را در بسیاری از کاربردها گرفتند و بعدها امکان تولید دستگاه‌های جدیدی از قبیل [مدارات مجتمع] و رایانه‌های شخصی را فراهم آوردند.

از ویلیام شاکلی، جان باردین و والتر هاوسر براتین بخاطر تحقیقاتشان در مورد نیمه هادی‌ها و کشف اثر ترانزیستور با جایزه نوبل فیزیک قدردانی شد.

کاربرد ترانزیستور

ترانزیستور دارای ۳ ناحیه کاری می‌باشد:

ناحیه قطع
ناحیه فعال(کاری یا خطی)
ناحیه اشباع

ناحیه قطع حالتی است که ترانزیستور در ان ناحیه فعالیت خاصی انجام نمی‌دهد. اگر ولتاژ بیس را افزایش دهیم ترانزیستور از حالت قطع بیرون امده و به ناحیه فعال وارد می‌شود در حالت فعال ترانزیستور مثل یک عنصر تقریباً خطی عمل می‌کند اگر ولتاژ بیس را همچنان افزایش دهیم به ناحیه‌ای می‌رسیم که با افزایش جریان ورودی در بیس دیگر شاهد افزایش جریان بین کلکتور و امیتر نخواهیم بود به این حالت می‌گویند حالت اشباع و اگر جریان ورودی به بیس زیاد تر شود امکان سوختن ترانزیستور وجود دارد. ترانزیستور هم در مدارات الکترونیک آنالوگ و هم در مدارات الکترونیک دیجیتال کاربردهای بسیار وسیعی دارد. در مدارات آنالوگ ترانزیستور در حالت فعال کار می‌کند و می‌توان از آن به عنوان تقویت کننده یا تنظیم کننده ولتاژ (رگولاتور) و... استفاده کرد. و در مدارات دیجیتال ترانزیستور در دو ناحیه قطع و اشباع فعالیت می‌کند که می‌توان از این حالت ترانزیستور در پیاده سازی مدار منطقی، حافظه، سوئیچ کردن و... استفاده کرد. به جرات می‌توان گفت که ترانزیستور قلب تپنده الکترونیک است.

بازسازی اولین ترانزیستور جهان

عملکرد ترانزیستور

ترانزیستور از دیدگاه مداری یک عنصر سه‌پایه می‌باشد که با اعمال یک سیگنال به یکی از پایه‌های آن میزان جریان عبور کننده از دو پایه دیگر آن را می‌توان تنظیم کرد. برای عملکرد صحیح ترانزیستور در مدار باید توسط المان‌های دیگر مانند مقاومتها و... جریان‌ها و ولتاژهای لازم را برای آن فراهم کرد و یا اصطلاحاً آن را بایاس کرد.

انواع ترانزیستور

دو دسته مهم از ترانزیستورها ترانزیستور دوقطبی پیوندی (BJT) (Bipolar Junction Transistors) و ترانزیستور اثر میدان (FET) (Field Effect Transistors) هستند. ترانزیستورهای اثر میدان نیز خود به دو دستهٔ ترانزیستور پیوند اثر میدانی (JFET) و ماسفتها (Metal Oxide SemiConductor Field Effect Transistor) تقسیم می‌شوند.
ترانزیستور دوقطبی پیوندی
نوشتار اصلی: ترانزیستور دوقطبی پیوندی

در ترانزیستور دو قطبی پیوندی با اعمال یک جریان به پایه بیس جریان عبوری از دو پایه کلکتور و امیتر کنترل می‌شود. ترانزیستورهای دوقطبی پیوندی در دونوع npn و pnp ساخته می‌شوند. بسته به حالت بایاس این ترانزیستورها ممکن است در ناحیه قطع، فعال و یا اشباع کار کنند. سرعت بالای این ترانزیستورها و بعضی قابلیت‌های دیگر باعث شده که هنوز هم از آنها در بعضی مدارات خاص استفاده شود. امروزه بجای استفاده از مقاومت وخازن و... در مدارات مجتمع تماماً از ترانزیستوراستفاده می‌کنند.
ترانزیستور پیوند اثر میدانی (JFET)

در ترانزیستورهای پیوند اثر میدانی (JFET) در اثر میدان، با اعمال یک ولتاژ به پایه گیت میزان جریان عبوری از دو پایه سورس و درین کنترل می‌شود. ترانزیستور اثر میدانی به دو نوع تقسیم می‌شود: نوع n یا N-Type و نوع p یا P-Type. از دیدگاهی دیگر این ترانزیستورها در دو نوع افزایشی و تخلیه‌ای ساخته می‌شوند. نواحی کار این ترانزستورها شامل «فعال» و «اشباع» و «ترایود» است این ترانزیستورها تقریباً هیچ استفاده‌ای ندارند چون جریان دهی آنها محدود است و به سختی مجتمع می‌شوند.
انواع ترانزیستور پیوندی

pnp

شامل سه لایه نیم هادی که دو لایه کناری از نوع p و لایه میانی از نوع n است و مزیت اصلی آن در تشریح عملکرد ترانزیستور این است که جهت جاری شدن حفره‌ها با جهت جریان یکی است.

npn

شامل سه لایه نیم هادی که دو لایه کناری از نوع n و لایه میانی از نوع p است. پس از درک ایده‌های اساسی برای قطعهٔ pnp می‌توان به سادگی آنها را به ترانزیستور پرکاربردتر npn مربوط ساخت.
ساختمان ترانزیستور پیوندی

ترانزیستور دارای دو پیوندگاه‌است. یکی بین امیتر و بیس و دیگری بین بیس و کلکتور. به همین دلیل ترانزیستور شبیه دو دیود است. دیود سمت چپ را دیود بیس _ امیتر یا صرفاً دیود امیتر و دیود سمت راست را دیود کلکتور _ بیس یا دیود کلکتور می‌نامیم. میزان ناخالصی ناحیه وسط به مراتب کمتر از دو ناحیه جانبی است. این کاهش ناخالصی باعث کم شدن هدایت و بالعکس باعث زیاد شدن مقاومت این ناحیه می‌گردد.

امیتر که به شدت آلائیده شده، نقش گسیل و یا تزریق الکترون به درون بیس را به عهده دارد. بیس بسیار نازک ساخته شده و آلایش آن ضعیف است و لذا بیشتر الکترونهای تزریق شده از امیتر را به کلکتور عبور می‌دهد. میزان آلایش کلکتور کمتر از میزان آلایش شدید امیتر و بیشتر از آلایش ضعیف بیس است و کلکتور الکترونها را از بیس جمع‌آوری می‌کند.

طرز کار ترانزیستور پیوندی

طرز کار ترانزیستور را با استفاده از نوع npn مورد بررسی قرار می‌دهیم. طرز کار pnp هم دقیقاً مشابه npn خواهد بود، به شرط اینکه الکترونها و حفره‌ها با یکدیگر عوض شوند. در نوع npn به علت تغذیه مستقیم دیود امیتر ناحیه تهی کم عرض می‌شود، در نتیجه حاملهای اکثریت یعنی الکترونها از ماده n به ماده p هجوم می‌آورند. حال اگر دیود بیس _ کلکتور را به حالت معکوس تغذیه نمائیم، دیود کلکتور به علت بایاس معکوس عریض‌تر می‌شود.

الکترونهای جاری شده به ناحیه p در دو جهت جاری می‌شوند، بخشی از آنها از پیوندگاه کلکتور عبور کرده، به ناحیه کلکتور می‌رسند و تعدادی از آنها با حفره‌های بیس بازترکیب شده و به عنوان الکترونهای ظرفیت به سوی پایه خارجی بیس روانه می‌شوند، این مؤلفه بسیار کوچک است.

شیوهٔ اتصال ترانزیستورها

اتصال بیس مشترک

در این اتصال پایه بیس بین هر دو بخش ورودی و خروجی مدار مشترک است. جهت های انتخابی برای جریان شاخه‌ها جهت قراردادی جریان در همان جهت حفره‌ها می‌شود.
اتصال امیتر مشترک

مدار امیتر مشترک بیشتر از سایر روشها در مدارهای الکترونیکی کاربرد دارد و مداری است که در آن امیتر بین بیس و کلکتور مشترک است. این مدار دارای امپدانس ورودی کم بوده، ولی امپدانس خروجی مدار بالا می‌باشد.
اتصال کلکتور مشترک

اتصال کلکتور مشترک برای تطبیق امپدانس در مدار بکار می‌رود، زیرا برعکس حالت قبلی دارای امپدانس ورودی زیاد و امپدانس خروجی پائین است. اتصال کلکتور مشترک غالباً به همراه مقاومتی بین امیتر و زمین به نام مقاومت بار بسته می‌شود.

ترانزیستور اثر میدان FET

این ترانزیستورها نیز مانند Jfetها عمل می‌کنند با این تفاوت که جریان ورودی گیت آنها صفر است. همچنین رابطه جریان با ولتاژ نیز متفاوت است.

این ترانزیستورها دارای دو نوع PMOS و NMOS هستند که فناوری استفاده از دو نوع آن در یک مدار تکنولوژی CMOS نام دارد.

این ترانزیستورها امروزه بسیار کاربرد دارند زیرا به راحتی مجتمع می‌شوند و فضای کمتری اشغال می‌کنند. همچنین مصرف توان بسیار ناچیزی دارند.

به تکنولوژی‌هایی که از دو نوع ترانزیستورهای دوقطبی و Mosfet در آن واحد استفاده می‌کنند Bicmos می‌گویند.

البته نقطه کار این ترانزیستورها نسبت به دما حساس است وتغییر می‌کند. بنابراین بیشتر در سوئیچینگ بکار می‌روند.
ساختار و طرز کار ترانزیستور اثر میدانی - فت
نوشتار اصلی: ترانزیستور اثر میدانی

همانگونه که از نام این المان مشخص است، پایه کنترلی آن جریانی مصرف نمی‌کند و تنها با اعامل ولتاژ و ایجاد میدان درون نیمه هادی، جریان عبوری از FET کنترل می‌شود. به همین دلیل ورودی این مدار هیچ گونه اثر بارگذاری بر روی طبقات تقویت قبلی نمی‌گذارد و امپدانس بسیار بالایی دارد.

فت دارای سه پایه با نام‌های درین D، سورس S و گیت G است که پایه گیت، جریان عبوری از درین به سورس را کنترل می‌نماید. فت‌ها دارای دو نوع N کانال و P کانال هستند. در فت نوع N کانال زمانی که گیت نسبت به سورس مثبت باشد جریان از درین به سورس عبور می‌کند. FETها معمولاً بسیار حساس بوده و حتی با الکتریسیته ساکن بدن نیز تحریک می‌گردند. به همین دلیل نسبت به نویز بسیار حساس هستند.

نوع دیگر ترانزیستورهای اثر می‌دانی MOSFETها هستند (ترانزیستور اثر می‌دانی اکسید فلزی نیمه هادی - Metal-Oxide Semiconductor Field Efect Transistor) یکی از اساسی‌ترین مزیت‌های ماسفت‌ها نویز کمتر آنها در مدار است.

فت‌ها در ساخت فرستنده باند اف ام رادیو نیز کاربرد فراوانی دارند. برای تست کردن فت کانال N با مالتی متر، نخست پایه گیت را پیدا می‌کنیم. یعنی پایه‌ای که نسبت به دو پایه دیگر در یک جهت مقداری رسانایی دارد و در جهت دیگر مقاومت آن بی نهایت است. معمولاً مقاومت بین پایه درین و گیت از مقاومت پایه درین و سورس بیشتر است که از این طریق می‌توان پایه درین را از سورس تشخیص داد.

برد مدار چاپی

بُرد مدار چاپی شامل مجموعه ای از مدارهای الکتریکی بوده و می‌تواند یک طرفه (یک لایه مس)، دو طرفه (دو لایه مس) و یا حتی چند لایه باشد؛ بطوریکه قطعات الکترونیکی مانند مقاومت، خازن، آی سی و ... بر روی آن مونتاژ شده و جهت استفاده در تجهیزات الکترونیکی بکار می رود. ماده خام تشکیل دهنده این بردها از متریال های مختلفی مانند فایبر، راجرز، تفلون، فلکسی بل و ... ساخته شده و با ضخامت های 0.2 تا 3.2 میلیمتر عرضه می گردند. استاندارد جهانی تولید بردهای مدار چاپی بر اساس استاندارد UL وIPC بوده و جهت طراحی این بردها عموماً از نرم افزار Protel استفاده می گردد.

برد مدار چاپی نبایستی با فیبر مشتبه شود.

بُردهای مدار چاپی در همهٔ محصولات الکترونیکی حتی ساده ترین آنها استفاده می‌شود. دیگر موارد بُرد مدار چاپی شامل سیم بسته بندی و ساخت و ساز نقطه به نقطه می‌باشد. بُرد مدار چاپی نیازمند طراحی‌های اضافی برای ترتیب مدار دارد، اما ساخت و مونتاژ می‌تواند بصورت خودکار باشد. ساخت مدارهایی با بُرد مدار چاپی نسبت به دیگر روش‌های سیم کشی به عنوان اجزاء نصب شده و سیم کشی با یک بخش واحد، ارزان تر و سریع تر است. علاوه بر این، خطاهای سیم کشی اپراتور هم حذف می‌شوند.

هنگامی که بُرد تنها دارای اتصالات مسی است و هیچ اجزای تعبیه شده دیگری ندارد، آن را بُرد چاپ سیم کشی (PWB) و یا بُرد سیم کشی حک شده می‌نامند. اگر چه دقیق تر، واژه بُرد چاپ سیم کشی کمتر استفاده می‌شود. بُرد مدار چاپی همراه با قطعات الکترونیکی است که مونتاژ مدار چاپی (PCA)و یا مونتاژ بُرد مدار چاپی (PCBA)نامیده می‌شود. واژه استفاده شده IPC برای بُردهای مونتاژ شده، مونتاژ کارت مدار (CCA) می‌باشد، که مربوط به بُرد پشت‌های مونتاژ شده آن است. بُرد مدار چاپی واژه‌ای است که به طور غیررسمی برای هر دو بُرد خالی و مونتاژ شده استفاده می‌شود.

تاریخچه

توسعه از روش‌های مورد استفاده مدرن در بُردهای مدار چاپی در اوایل قرن ۲۰ آغاز شده است. در سال ۱۹۰۳، یک مخترع آلمانی بنام آلبرت هانسون، روکش هادی فویل مسطح را به یک بُرد عایق، در لایه‌های چندگانه متصل کرد. توماس ادیسون در سال ۱۹۰۴، روش‌های شیمیایی از آبکاری هادی بر روی کاغذ کتانی را آزمایش کرد. آرتور بری در سال ۱۹۱۳ یک روش چاپ و قلم زنی را در بریتانیا به ثبت رساند، و در ایالات متحده فردی به نام مکس اسکوپ، با استفاده از فلز اسپری شعله بر روی یک بُرد از طریق یک ماسک الگو. اختراعی را به ثبت رساند. چارلز دورکاس در سال ۱۹۲۷ یک روش آبکاری الگوهای مدار به ثبت رساند. پل اسلر، مهندس اتریشی مدار چاپی ای را به عنوان بخشی از یک دستگاه رادیو اختراع کرد زمانیکه حدود سال ۱۹۳۶ در انگلستان فعالیت می‌کرد. در حدود سال ۱۹۴۳ ایالات متحده آمریکا شروع به استفاده از این تکنولوژی در مقیاسی بزرگ‌تر با عنوان استفاده از فیوزها در جنگ جهانی دوم کرد. پس از جنگ، در سال ۱۹۴۸، ایالات متحده آمریکا این اختراع را برای استفاده تجاری منتشر کرد. مدارهای چاپی در لوازم الکترونیکی مصرفی تا اواسط سال ۱۹۵۰تبدیل نشدند، تا پس از اینکه فرایند خودکار مونتاژ آن توسط ارتش ایالات متحده توسعه داده شد. در حدود همان زمان فردی بنام جفری دامری، خطوط مشابهی را در بریتانیا انجام می‌داد که پس از آن در RRDE صورت گرفت.

تعریف برد مدار چاپی

بُرد مدار چاپی از نظر مکانیکی پشتیبانی و بطور الکتریکی اجزای الکترونیکی را با استفاده از شیارهای رسانا، نوار و دیگر ویژگی‌های حک شده از ورق‌های چند لایه مس بر روی یک بستر غیر رسانا متصل می‌کند. بُرد مدار چاپی می‌تواند یک طرفه (یک لایه مس)، دو طرفه (دو لایه مس) و یا حتی چند لایه باشد. رساناها در لایه‌های مختلف از طریق سوراخ‌های روکش داری به نام VIAS متصل می‌شوند. بُرد مدارهای چاپی پیشرفته، ممکن است شامل اجزایی همانند خازن، مقاومت و یا دستگاه‌های فعال باشند که در لایه‌ها جاسازی شده‌اند.

طراحی برد مدار چاپی

نسل آثار دستی بُرد مدار چاپی در ابتدا یک فرایند به طور کاملا دستی در ورق مایلار روشن در مقیاس معمولا ۲ یا ۴ برابر اندازه مورد نظر انجام می‌گرفت. نمودار طرح کلی به یک طرح از اجزای پین پد شباهت می‌داد، پس از آن آثار به ارائه ارتباطات مورد نیاز فرستاده می‌شدند. شبکه‌های قبل از چاپ غیر تولیدی مثل میلار در جانمایی کمک می‌کردند، و نقل و انتقالات خشک مشترک عناصر مدار را تسریع می‌بخشیدند (پد، انگشتان تماس، پروفایل‌های مدار یکپارچه، و غیره) کمک بر استاندارد طرح می‌کردند. ترسیم‌ها بین دستگاه‌های با نوار چسب ساخته می‌شد. طرح نهایی «آثار دستی/هنری» سپس بصورت عکس بر روی لایه‌های تابلوهای مسی با روکش پوشش داده خالی تولید می‌شد.

عمل مدرن بصورت فشرده نیست در حالیکه کامپیوتر به طور خودکار می‌تواند بسیاری از مراحل طرح. را انجام دهد. پیشرفت کلی برای طراحی‌های تجاری چاپ بُرد مدار شامل موارد زیر می‌باشد:

ضبط طرح کلی از طریق یک ابزار اتوماسیون طراحی الکترونیکی.
ابعاد کارت و قالب‌ها بر اساس مدار و مورد برد مدار چاپی مورد نیاز است. تعیین اجزای ثابت و گرما غرق در صورت لزوم.
تصمیم گیری لایه‌های پشته برد مدار چاپی. ۱ تا ۱۲ لایه و یا بیشتر بسته به پیچیدگی طراحی دارد. توان قدرت و نیرو محاسبه می‌شود. صفحات سیگنال که در آن سیگنال‌ها در لایه بالا و همچنین لایه‌های داخلی هستند روت می‌شوند.
تعیین امپدانس خط از ضخامت لایه دی الکتریک، ضخامت مسیریابی مس و ردیابی عرض استفاده می‌کند. جدایی ردیابی نیز به حساب سیگنال‌های تفاضلی گذاشته می‌شود. مایکرواستریپ، استریپ لاین یا دو استریپ لاین را می‌توان به سیگنال‌های مسیر استفاده کرد.
جایگزاری قطعات. ملاحظات حرارتی و هندسه در نظر گرفته میشمد. VIAS و نواحی علامت گذاری می‌شوند.
مسیریابی آثار سیگنال. برای عملکرد مطلوب EMI سیگنال‌های با فرکانس بالا در لایه‌های داخلی بین صفحات قدرت و یا سطح روت می‌شوند همانطور که صفحات قدرت به عنوان سطح برایAC رفتار می‌کنند.
نسل فایل گربر برای تولید.

در طراحی آثار هنری برد مدار چاپی، صفحات قدرت همتایی برای سطح هستند و به عنوان یک سیگنال AC عمل می‌کنند، در حالی که ارائه ولتاژ DC برای تأمین انرژی مدارهای نصب شده بر عهده برد مدار چاپی است. در اتوماسیون طراحی (EDA) ابزار طراحی الکترونیکی، صفحات قدرت (و سطح زمین) معمولا به طور خودکار به عنوان یک لایه منفی کشیده می‌شوند، که با وضوح و یا اتصال به سطح به طور خودکار ایجاد شده‌اند.

ساخت برد مدار چاپی

تولید برد مدار چاپی شامل چندین مراحل می‌باشد. تولید برد مدار چاپی با کمک کامپیوتر تولید کنندگان هرگز فایل Gerber یا Excellon را به طور مستقیم در تجهیزات خود استفاده نمی‌کنند، اما همیشه آنها را به کمک سیستم تولید کامپیوتر (CAM) خود می‌خوانند. برد مدار چاپی نمی‌تواند بصورت حرفه‌ای و بدون یک سیستم CAM توابع زیر را انجام دهد:

ورودی اطلاعات گربر
تایید داده. DFM اختیاری
جبران انحراف در فرآیندهای تولید (به عنوان مثال پوسته پوسته شدن برای تحریف جبران در طول ورقه ورقه شدن)
Panelize
خروجی ابزارهای دیجیتال (تصاویر لایه، فایل‌های تمرین، داده AOI، فایل‌های آزمون برق)

Panelization

روشی مورد استفاده برای رسیدگی به برد مدار چاپی است بیش از حد کوچک برای پردازش می‌باشد. تعدادی از مدارهای یکسان بر روی یک بُرد بزرگتر (پانل) چاپ می‌شوند که پس از آن می‌توانند به صورت طبیعی به کار گرفته شوند. زمانی که همه پردازش‌های دیگر کامل شده است. پنل جدا شده را به برد مدار چاپی منحصر دیگری متصل می‌کنند جدا کردن برد مدار چاپی تکی است چرا که اغلب بوسیله مته یا مسیریابی پرفوراسیون در امتداد مرزهای مدارهای مشخص، شبیه به یک ورق تمبر پستی صورت می‌گیرد. روش دیگر، که فضای کمتری می‌خواهد، این است که شیار-V شکل در سراسر ابعاد پانل را قطع کرد. برد مدار چاپی تکی را می‌توان در طول این خط ضعیف جدا کرد.

این فرایند از بین بردن برد مدار چاپی تکی از بُرد بزرگتر را Depaneling می‌نامند. در حالی که حفر / سوراخ پرفوراسیون و شیار برای تعدادی از سال‌های مشترک بودند، اما امروزه اغلب توسط لیزر استفاده می‌شود، که بُرد با هیچ تماسی جدا می‌شود. این مسئله موجب کاهش تنش در مدارهای شکننده ناشی از گشتاور می‌باشد. این روش اغلب با ورود کامل بُرد به دستگاه depaneling از طریق نوار نقاله صورت می‌گیرد، که به قطعات تکی توسط لیزر برش می‌خورد، از طریق نوار نقاله اتوماتیک از سیستم خارج می‌شود، و گاهی اوقات در طرف دیگر انباشته می‌شود.

لایه لایه سازی

بُرد مدارهای چاپی چند لایه باید لایه‌های ردیابی در داخل برد داشته باشند. یک راه برای ساختن یک مدار چاپی ۴ لایه استفاده از یک ورقه مسی با روکش دو طرفه، مدار را در هر دو طرف قلم زده، و سپس ورقه ورقه به بالا و پیش پایین و فویل مس آغشته نمایید. لایه لایه سازی با قرار دادن پشته از مواد با اعمال فشار و حرارت برای یک دوره از زمان انجام می‌شود. این نتیجه یک محصول جدایی ناپذیر قطعهدارد. پس از آن سوراخ کنید، روکش کنید، و دوباره به رسم‌های در لایه‌های بالا و پایین قلم بزنید. در نهایت برد مدار چاپی با ماسک لحیم کاری تحت پوشش، عنوان علایم، و یک سطح ممکن است استفاده شود. برد مدار چاپی چند لایه برای تراکم بسیار بالاتر قطعات صورت می‌گیرد.

آبکاری و پوشش
برد مدار چاپی مالتی لایر - ۸ لایه - آبکاری طلا

بردهای مدار چاپی با لحیم کاری، قلع، یا طلا بیش از نیکل به عنوان یک مقاومت در برابر قلم زنی غیر ضروری اندود مس صورت می‌گیرند. پس از اینکه برد مدار چاپی لحیم شدند سپس با آب شستشو داده می‌شوند و بعد ماسک لحیم کاری اعمال می‌شود، و پس از آن هر مس در معرض با لحیم کاری، نیکل / طلا، و یا برخی از پوشش‌های دیگر ضد خوردگی پوشش داده می‌شود.

لحیم کاری مات معمولا یک سطح اتصال بهتر و یا خالی مس را ارایه می‌دهد. روش‌هایی، مانند benzimidazolethiol، از اکسیداسیون سطح خالی مس جلوگیری می‌کند. محل‌هایی که نصب خواهند شد به طور معمول اندود می‌شوند، چون مس خالی به سرعت اکسید می‌شود، که در نتیجه به آسانی لحیم نمی‌شود. به طور سنتی، هر مس در معرض لحیم کاری توسط سطح درست لحیم گرم هوا (HASL) پوشش داده شده است. پایان HASL مانع از اکسیداسیون از مس می‌شود، در نتیجه سطح لحیم کاری را تضمین می‌کند. این لحیم آلیاژ قلع سرب بود، با این حال ترکیبات لحیم کاری جدید در حال حاضر سعی بر رسیدن به انطباق با بخشنامه سازگار با استاندارد RoHS در اتحادیه اروپا و ایالات متحده را دارند، که استفاده از سرب را محدود کرده است. یکی از این ترکیبات بدون سرب SN100CL است، که از ۹۹٫۳٪ قلع، ۰٫۷٪ مس، ۰٫۰۵٪ نیکل، و از ژرمانیم 60ppm تشکیل شده است.

مهم است که از لحیم کاری سازگار با هر دو برد مدار چاپی و قطعات استفاده شود. به عنوان مثال آرایه توپ توری (BGA) از توپ‌های لحیم کاری قلع سرب برای اتصال نوک‌های روی برد مس خالی، و یا از خمیر لحیم کاری بدون سرب استفاده می‌کنند.

دیگر روکش‌های مورد استفاده عبارتند از :OSP (محافظ سطح آلی) غوطه وری نقره (IAG)، غوطه وری قلع، نیکل الکترولس با پوشش غوطه وری طلا (ENIG)، الکترولس نیکل الکترولس طلا غوطه وری پالادیوم (ENEPIG) و آبکاری مستقیم طلا (بیش از نیکل). متصل کننده لبه، در طول یک لبه از برخی از تابلوها قرار داده شده، که ابتدا اندود نیکل و سپس روکش طلا هستند. یکی دیگر از استفاده پوشش ، انتشار سریع پوشش فلزی به لحیم کاری قلع است. اشکال میانی قلع مانند Cu5Sn6 و Ag3Cu که در مایع قلع یا خط انجماد حل می‌شوند (@ 50C)، و منجر به سلب پوشش سطحی یا ترک حفره می‌شوند.

جابجایی الکتروشیمیایی (ECM) نتیجه رشد رشته‌های فلز رسانا در و یا در یک مدار چاپی تحت تاثیر ولتاژ DC است؛ و نقره، روی، آلومینیوم و برای رشد سریع تحت تاثیر یک میدان الکتریکی شناخته شده‌اند. نقره نیز در مسیرهای سطح با حضور هالید و یون‌های دیگر رشد می‌کند، اما برای استفاده الکترونیکی انتخابی ضعیف است. قلع به دلیل تنش در سطح اندود «رشد سریعی» دارد. قلع سرب و یا آبکاری لحیم کاری نیز سریع رشد می‌کنند، تنها با درصد جایگزین قلع کاهش می‌یابد. جریان مجدد به ذوب شدن لحیم کاری و یا قلع صفحه به از بین بردن سطح فشار موثر می‌باشد. دیگر موضوع پوشش آفت قلع است، که تبدیل قلع به آلوتروپ پودری در دمای پایین می‌باشد.

از جمله مشکلات رایج در طراحی بردهای الکتریکی دستگاه ها می توان به نفوذ آب و رطوبت در قطعات آن اشاره کرد. از این رو نانو پلی اتیلن یکی از رایج پلیمرهای مایعی است که به کمک آن می توان لایه ی نازکی از پلاستیک را بر روی قطعات و بردهای الکتریکی کشید.