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.

برد مدار چاپی مالتی لایر - ۸ لایه - آبکاری طلا

دیمر چیست ؟و در کجا استفاده می شود؟

در این وسیله از یک قطعه الکترونیکی به اسم ترایاک استفاده می شود.

دیمر وسیله ای است که در مدار به صورت سری قرار می گیرد ومی تواند ولتاژ را کنترل کند .از این وسیله جهت کم وزیاد کردن نور لامپ ها استفاده می شود . دیمر نوعی مقاومت متغییر به نام پتانسیومتر می باشد . نصب آن در مدار به صورت سری در مسیر سیم فاز (مانند نصب کلید تک پل ) می باشد.دیمر دارای دو کنتاکت می باشد که یکی از آنها محل ورودی فاز ودیگری محل خروجی فاز (به سمت مصرف کننده ) می باشد.از آنجایی که دیمر ولتاژ را کنترل می کند وبا توجه به اینکه یکی از روش های کنترل دور موتورهای الکتریکی از طریق کنترل ولتاژ می باشد بنابراین از دیمر می توانیم جهت کنترل دور موتورهای الکتریکی تکفاز کم قدرت مانند موتور پنکه های سقفی استفاده کنیم.

توجه داشته باشید که از دیمر برای کم و زیاد کردن نور لامپ های کم مصرف نمی توان استفاده کرد.

تعاريف اصطلاحات اوليه در برق و الكترونيك

اجسام رسانا یا هادی

این اجسام برق را به خوبی از خود عبور میدهند، مثل مس وآلومینیوم واکثر فلزّات دیگر

اجسام نارسانا یا عایق

برق را ازخود عبور نمیدهند، مثل لاستیک، چوب خشک ، پلاستیک، چینی

اجسام نیمه رسانا یا نیمه هادی

این اجسام که زیاد هم نیستند، بستگی به شرایطی که بوجود می آورند، هم میتوانند برق را عبور دهند وهم میتوانند عبورندهند و هم میتوان عبوربرق را به دلخواه تنظیم کرد که چه مقدار برق عبورکند یا عبور نکند، مثل سلیکان و ژرمانیوم، بهنر است به واژه ها فعلا کاری نداشته باشید.

ولتاژ V

فشارالکتریکی بین دو قطب مثبت و منفی را ولتاژ می گویند مثل فشاری که مابین دو سر یک باتری شارژ شده ماشین وجود دارد وآماده است تا فشارش را به یک مصرف کننده مثلا استارت یا چراغهای ماشین وارد نماید وآنها را به کاراندازد واحد اندازه گیری ولتاژ، ولت است.

ولتاژ متناوب یا AC

ولتاژی که درثانیه چندین بار مثبت و منفی آن جابه جا میشود مثل برق شهرکه دریک ثانیه 50 بار مثبت و منفی اش عوض می شود

ولتاژ مستقیم یا DC

ولتاژی که همیشه مثبت و منفی اش ثابت است گفته میشود مثل برق باطری قلمی و باطری ماشین

ولتاژ پیک VP

به حداکثرولتاژ متناوب در یک نیم سیکل، ولتاژ پیک می گویند

ولتاژ پیک تو پیک Vpp

به حداکثر ولتاژ متناوب بین دو سیکل منفی و مثبت، ولتاژ پیک تو پیک گفته می شود وبا اسیلوسکوپ قابل اندازه گیری است، مثلا ولتاژ پیک تو پیک برق 220 ولت کشورمان حدود 622 ولت است

نوسان

به تکرار یک عمل نوسان گفته می شود

طول موج

فاصله ابتدا تا انتهای موج را طول موج می گویند

فرکانس

تعداد سیکل ها ی کامل دریک ثانیه را فرکانس می گویند و واحد آن هرتز است همچنین 1000 هرتز در یک ثانیه برابر 1 کیلوهرتزاست ، واحدهای دیگری هم هستند 1مگاهرتز=100000 هرتز و1 گیگاهرتز=1000000000 هرتز

جریان A

حرکت الکترونها از قطب منفی به قطب مثبت را جریان می گویند و واحد اندازه گیری آن آمپر است

قدرت W

مقدار انرژی که یک مقاومت بصورت حرارت دریک ثانیه از دست میدهد قبل ازآنکه بسوزد، قدرت مقاومت گویند و واحد آن وات است

یک میلی وات = یک هزارم وات یک کیلو وات = هزار وات یک مگا وات = یک میلیون وات

پروتئوس نرم افزاری کاربردی جهت طراحی خودکار مدارات الکتریکی می باشد. Proteus مجموعه ای از یک سیستم شبیه سازی مدارات بر مبنای مدل های اجزای الکتریکی در PSpice است. یکی از ویژگی های متمایز Proteus Professional امکان مدل سازی از دستگاه های قابل برنامه ریزی مانند میکروکنترلرها، میکروپروسسورها، DSP و ... می باشد. این برنامه شامل مدل هایی از اغلب قطعات الکترونیکی برای شبیه سازی های تخصصی و برمبنای استانداردهای این حوزه می باشد. می توان بیشتر حالت های مسیریابی پیشرفته در مدارات را به وسیله این نرم افزار طراحی نمود و بدین صورت قابلیت شبیه سازی micro-controller ها افزایش یافته است. در واقع Proteus Professional یکی از نرم افزار های مطرح در زمینه شبیه سازی و تست مدارات الکترونیک می باشد، شما در این نرم افزار می توانید مدار خود را مانند عمل تست کنید و بعد از رفع اشکالات احتمالی برای آن pcb طراحی نمایید.



قابلیت های نرم افزار Proteus :

طراحی مدارات الکترونیکی
شامل ابزارهای لازم برای طراحی حرفه ای
مدلسازی دستگاه های قابل برنامه ریزی
طراحی مسیریابی های پیشرفته
صرفه جویی در وقت و هزینه طراحی مدار
شبیه سازی مدارات میکرو کنترلری در سطح بسیار حرفه ای
دارا بودن کلیه المان های اندازه گیری واقعی نظیر اسیلوسکوپ، سیگنال ژنراتور، ولت متر، آمپر متر و...
امکان افزودن کتاب خانه های قدتمند و دارار بودن کلیه قطعات الکترونیک
امکان طراحی pcb برای مدار شبیه سازی شده بدون نیاز به تغییر دادن مدار
امکان دیباگ کردن برنامه ها و اجرای خط به خط آن ها در میکرو کنترلر
و ...

فلیپ فلاپها و انواع آن

در الکترونیک و کامپیوتر، فلیپ فلاپ یک نوع مدار دیجیتال است که می تواند به عنوان یک بیت حافظه عمل کند. یک فلیپ فلاپ می تواند شامل دو سیگنال ورودی، صفر یا یک در پایه ورودی باشد. ضمنا یک فلیپ فلاپ دارای یک پایه زمانی(clock) و یک خروجی(out put) و دو پایه set و reset می باشد.
بعضی از فلیپ فلاپ ها شامل یک پایه clear می باشند که خروجی را دوباره راه اندازی(reset)می کنند. (در واقع فیلیپ فلاپ ها یکی از انواع مدارات مجتمع Ic هستند که برای کار به اتصالات تغذیه و زمین نیاز دارند.)
تغییرات پالسهای ورودی که منظور همان صفر و یک دیجیتال می باشند، بهمراه پایه clock سبب تغییرات در خروجی می شوند. (عملا هر تغییری در وضعیت خروجی، به طور همزمان وابسته به تغییرات پالس در پایهclock است. مشخصات آیسی های فلیپ فلاپ ها مثلا پایه های ورودی، خروجی و بقیه پایه ها توسط کارخانه های سازنده در دفترچه هایی تحت عنوان دیتاشیت(data sheet) قرار می گیرند.)
فلیپ فلاپ ها انواع متفاوتی دارند که این انواع مختلف عبارتند از:


فلیپ فلاپ SR
فلیپ فلاپ JK
فلیپ فلاپ T
فلیپ فلاپ D

فلیپ فلاپ SR

فلیپ فلاپ SR یک المان فیزیکی است که می تواند به عنوان یک عنصر تاخیر دهنده به کار گرفته شود. این المان فیزیکی دارای دو ورودی به نام های R و S می باشد و دو خروجی دارد که یکی متمم دیگری است.
طرز کاراین فلیپ فلاپ در جدول صحت به این شکل است که وقتی عملکرد مدار را بررسی می کنیم اگر S=1 و R=0 باشد، اصطلاحا می گویند مدار set است یعنی خروجی آن 1 شده است. اگر پس از آن S=0 شود، مدار در وضعیت set باقی می ماند ولی اگر R=1 شود اصطلاحا می گویند مدار Reset شده است یعنی خروجی در این لحظه صفر است، و اگر در این لحظه R=0 شود مدار در حالت Reset باقی می ماند. بنابراین R=0 و S=0 در خروجی نشان می دهد که کدامیک از S یا R آخرین بار برابر 1 بوده است. یعنی مدار آخرین وضعیت غیر صفر ورودی را به خاطر سپرده است. مطابق جدول کارنو اگر R و S همزمان در حالت 1 قرار گیرند مدار در حالت نامشخص خواهد بود. به این خاطر مدارهای دارای فلیپ فلاپ SR را طوری طراحی می کنند که هیچ گاه ورودی های S و R همزمان برابر 1 نشود.
این مورد محدودیتی برای فلیپ فلاپ SR است، که در فلیپ فلاپ JK این نقص برطرف شده است.

فلیپ فلاپ JK

فلیپ فلاپ JK
این عنصر تاخیر دهنده دارای دو ورودی به نام J و K می باشد و دو خروجی آن یکی متمم دیگری است و در آن محدودیت فلیپ فلاپ SR را رفع کرده اند و دو ورودی J=1 و 1=K برای این مدار قابل قبول است.
در این فلیپ فلاپ همانند نوع SR ورودی تمام صفر یعنی J=0 و K=0 تاثیری در حالت خروجی فلیپ فلاپ ندارد و همان حالت قبلی حفظ می شود. ولی اگر J=1 و 1=K باشد یک ورودی قابل قبول است که باعث تغییر حالت در مقدار خروجی می شود.

فلیپ فلاپ T

فلیپ فلاپ T
این عنصر تاخیر دهنده دارای یک ورودی به نام T است و دو خروجی به صورت Y و متمم آن دارد.
چنانچه T=1 شود باعث تغییر در خروجی می شود یعنی اگر خروجی صفر باشد مقدار آن یک می شود و برعکس اگر خروجی یک باشد مقدار آن صفر می شود. این فلیپ فلاپ را به این خاطر فلیپ فلاپ جهشی نیز می نامند.
فلیپ فلاپ T همانند فلیپ فلاپ JK است که دو ورودی آن از یک متغیر مقدار می گیرد یعنی یا هر دو J و K مقدار صفر و یا هر دو مقدار یک دارند. به این ترتیب در مواقعی یک است، ایجاد جهش می کند

مدار داخلی یک فلیپ فلاپ D

فلیپ فلاپ D
این مدار تاخیر دهنده شبیه به یک عنصر تاخیر دهنده ساعت عمل می کند به این ترتیب که هر ورودی به آن می دهیم در یک فاصله زمانی مشخصی بعدا همان ورودی را به صورت خروجی دریافت می کنیم.
از این رو این فلیپ فلاپ را فلیپ فلاپ تاخیر (Delay) می نامند. این فلیپ فلاپ یک ورودی به نام D دارد.