מבוא
אחד המושגים המרכזיים באלקטרוניקה הוא מעגל מודפס, או PCB. זה מושג כל כך בסיסי שאנשים לרוב שוכחים להסביר מה זה PCB. מדריך זה יפרט את המרכיבים של ה-PCB, וכמה מונחים נפוצים המשמשים בעולם ה-PCB.
בפרקים הבאים נדון על המרכיבים של מעגל מודפס, נעסוק קצת בטרמינולוגיה, נסתכל על שיטות ההרכבה, ונסביר בקצרה על תהליך יצירת PCB חדש.
מדריכים מומלצים:
לפני שמתחילים, תרצו לקרוא את המדריכים הבאים, עליהם מתבסס מדריך זה:מהו PCB?
השם הנפוץ ביותר הוא "לוח מעגל מודפס" (Printed Circuit Board), אבל עשויים להיקרא גם כ-"לוחות חיווט מודפסים" או "כרטיסי חיווט מודפסים". לפני הופעת ה-PCB של ימינו, מעגלים נבנו ע"י תהליך מפרך של חיווט נקודה לנקודה. זה גרם לכשלים רבים בצמתים של החוטים וקצרים כשהבידוד של החוט התחיל להזדקן ולהיסדק.
מתוך ויקיפדיה.
פיתוח של שיטת ה-Wire Wrapping היה התקדמות משמעותית, כאשר חוט דקיק היה מלופף סביב עמוד בכל נקודת חיבור, ובכך יוצר חיבור הדוק ועמיד מאוד שניתן גם לשינוי.
האלקטרוניקה עברה ממנורות ואקום וממסרים לרכיבי סיליקון ומעגלים משולבים, הגודל והמחיר של רכיבי אלקטרוניקה החלו לרדת. אלקטרוניקה הפכה לנפוצה יותר במוצרי צריכה, והלחץ להקטין את הגודל ועלויות ייצור של מוצרי אלקטרוניקה דחף את היצרנים לחפש פתרונות טובים יותר. וכך נולד ה-PCB.
PCB הם ראשי תיבות של מעגל מודפס (באנגלית: Printed Circuit Board). זהו לוח עם קווים ואזורים שמחברים נקודות מסוימות יחד. בתמונה למעלה ישנם מוליכים שמחברים חשמלית בין מחברים ורכיבים שונים. ה-PCB מאפשר ניתוב של אותות ואספקת מתח בין התקנים פיזיים. בדיל היא המתכת המייצרת את החיבור החשמלי בין פני השטח של ה-PCB לרכיבי אלקטרוניקה. היותה מתכת, בדיל משמשת גם כדבק מכני חזק.
הרכב
PCB הוא כמו עוגת שכבות או לזניה - ישנן שכבות משולבות של חומרים שונים, המחוברים יחד ע"י חום ודבק, כך שבסופו של דבר יש מוצר אחד.
בואו נתחיל באמצע ונמשיך משם.
FR4
חומר הבסיס, או המצע, הוא בדרך כלל פיברגלס. מבחינה היסטורית, השם הנפוץ ביותר לפיברגלס הזה הוא "FR4". ליבה מוצקה זו מקנה ל-PCB את הקשיחות ואת העובי. ישנם גם מעגלי PCB בנויים על פלסטיק גמיש המתאים לטמפרטורות גבוהות (כמו קפטון או דומיו).תוכלו למצוא PCBs בעובי שונה. העובי הנפוץ ביותר לרוב המעגלים הוא 1.6 מ"מ. חלק מהמוצרים, כמו סדרת ה-LilyPad או Arduino Pro Mini משתמשים במעגל בעובי 0.8 מ"מ.
מעגלים זולים יותר, או לוחות הלחמה מסויימים (כמו בתמונה למעלה) עשויים מחומרים אחרים, כמו אפוקסי (Phenolics), שאין להם עמידות כמו של ה-FR4, אבל הם הרבה יותר זולים. תדעו שאתם עובדים עם סוג זה של PCB כשתלחימו עליהם, יש להם ריח רע מאוד ומיוחד. סוג זה של מצע ל-PCB אפשר למצוא גם במוצרי צריכה זולים. ל-Phenolics יש טמפרטורת התפרקות תרמית נמוכה, כך שהם מתחילים להתפרק ולייצר עשן כשהמלחם נוגע בהם יותר מדי זמן.
נחושת
השכבה הבאה היא רדיד דק של נחושת, שמודבק ללוח בעזרת דבק וחום. על המעגלים הדו-צדדיים הנפוצים, הנחושת מוצמדת משני צידי המצע. במוצרי אלקטרוניקה זולים, ל-PCB יכולה להיות נחושת רק מצד אחד. כשאנחנו מתייחסים ללוח דו-צדדי, או בעל 2 שכבות, אנחנו מתכוונים לכמות שכבות הנחושת (2) בלזניה שלנו. זה יכול להיות רק שכבה אחת, או 16 ומעלה.בתמונה: PCB עם נחושת חשופה, בלי מסכת הלחמה או הדפסת משי
העובי של הנחושת יכול להשתנות והוא מצויין כמשקל, באונקיות (ounces) לשטח ריבועי של foot. לרוב ה-PCB העובי יהיה 1oz (באנגלית: 1 ounce of copper per square foot), אבל חלק מה-PCBs שמטפלים בהספקים גבוהים יכולים להשתמש בנחושת של 2oz או 3oz. כל אונקיה לשטח ריבועי של foot מתורגם לבערך 35 מיקרומטר, או 1.4 אלפיות של אינצ' כעובי של הנחושת.
מסכת הלחמה (Soldermask)
השכבה שמעל הנחושת נקראת soldermask - מסכת הלחמה. שכבה זו מקנה ל-PCB את הצבע שלו (לרוב ירוק למעגלים רגילים, או אדום במקרה של מעגלים של SparkFun). היא מונחת על שכבת הנחושת כדי לבודד את מוליכי הנחושת ממגע לא רצוי עם מתכות אחרות, בדיל, או חלקים מוליכים אחרים. שכבה זו עוזרת למשתמש להלחים למקומות מסויימים ולמנוע קצרים בהלחמה.בתמונה הבאה, מסכת הלחמה ירוקה מונחת על רוב מעגל ה-PCB, מכסה את המוליכים הזהירים, אבל משאירה עיגולים ומלבנים כסופים לרכיבי SMD חשופים, לשם אפשר יהיה להלחים אותם.
מסכות הלחמה ירוקות הן מאוד נפוצות, אבל כמעט כל צבע אחר אפשרי. כמעט כל הכרטיסים של SparkFun הם אדומים, כרטיסי IOIO לבנים, וכרטיסי LilyPad סגולים.
הדפסת משי (Silkscreen)
השכבה הלבנה של הדפסת משי מיושמת מעל שכבת מסכת ההלחמה. ההדפסה מוסיפה אותיות, מספרים וסימנים על ה-PCB כדי לאפשר הרכבה קלה יותר וסימונים למשתמשים כדי להבין טוב יותר את המעגל. אנחנו משתמשים בשכבת הדפסת המשי (silkscreen) כדי לציין את התפקיד של כל רגל של לד.
שכבה זו לרוב לבנה, אבל אפשר להשתמש בכל צבע של דיו. שחור, אפור, אדום ואפילו צבע צהוב זמינים לשימוש. מה שכן, נדיר יהיה לראות יותר מצבע אחד על המעגל.
טרמינולוגיה
עכשיו, כשאתם מבינים איך בנוי ה-PCB, בואו נגדיר כמה מושגים שאתם עלולים לשמוע כאשר תתעסקו עם PCBs:Annular ring - טבעת של נחושת סביב חור מצופה שעובר דרך ה-PCB.
כמה דוגמאות של טבעות:
DRC - בדיקת כללי העיצוב (Design Rule Check). בדיקה שמתבצעת ע"י תוכנת עיצוב מעגלים כדי לוודא שהעיצוב שלכם לא כולל שגיאות כמו מוליכים שנוגעים אחד בשני, מוליכים דקים מדי, חורים קטנים מדי וכו'.
Drill hit - מקומות בעיצוב של המעגל בהם צריך יהיה לקדוח חור, או איפה הם נקדחו למעשה במעגל. קידוחים לא מדוייקים הם בעיה נפוצה בייצור מעגלים מודפסים.
בתמונה: חורים לא כל כך מדוייקים, אבל עדיין ניתנים לשימוש.
Finger - (אצבע). מגעי מתכת חשופים לאורך קצה המעגל, משמשים ליצירת חיבור בין שני מעגלים מודפסים. דוגמאות נפוצות הן הקצוות של כרטיסי הרחבה של מחשב, או כרטיסי זכרון, או משחקים ישנים המבוססים על קלטות.
Mouse bites - ("נגיסות עכבר"). אלטרנטיבה לשיטת ה v-score המשמשת להפרדת מעגלים מתוך פאנל. מספר קידוחים מקובצים קרוב כדי לייצר נקודה חלשה, בה אפשר יהיה לשבור את המעגל בקלות לאחר מכן. ראו מעגל LilyPad ProtoSnap של SparkFun כדוגמה טובה.
בתמונה: "נגיסות עכבר" במעגל LilyPad ProtoSnap מאפשר להפריד את החלקים של ה-PCB בקלות.
Pad - חלק מתכת חשוף על פני ה-PCB, אליו מולחמים רכיבים שונים.
בתמונה: חורי PTH מצופים מימין, מגעי SMD משמאל
Panel - (פאנל). לוח מעגלים גדול המורכב ממעגלים קטנים יותר, שיופרדו לפני השימוש. ציוד אוטומטי לטיפול במעגלים לרוב מתקשה עם מעגלים קטנים. איגוד של כמה מעגלים יחד לפאנל גדול מאפשר לזרז את התהליכים בצורה משמעותית.
Paste stencil - שבלונה דקה (מתכתית או לפעמים מפלסטיק) ששמים על המעגל, מאפשרת הנחת משחת הלחמה על איזורים מסויימים במהלך ההרכבה.
סרטון הדגמה קצר איך ליישר שבלונה על המעגל ולמרוח משחת הלחמה:
Pick-and-place - מכונה או תהליך בו הרכיבים מונחים על המעגל המודפס.
בוב מציג את מכונת MyData Pick and Place ב-SparkFun, זה די מדהים:
Plane - משטח/מישור. איזור רציף של נחושת על מעגל מודפס, המוגדר ע"י גבולות ולא ע"י ניתוב. לפעמים נקרא גם כ-"pour" (מילוי).
בתמונה: אזורים שונים על המעגל שאין בהם מוליכים, אבל יש בהם מילוי של אדמה:
Plated through hole - חור במעגל שיש סביבו עיגול נחושת (annular ring) מצופה דרך עובי כל המעגל. יכול לשמש כנקודת הלחמה לרכיבי PTH, חיבור בין שכבות המעגל (via), או חור לבורג.
בתמונה: נגד PTH מוכנס לתוך ה-PCB ומוכן להלחמה. הרגליים של הנגד עוברות דרך החורים של המעגל. יכולים להיות מוליכים המחוברים לחורים המצופים גם בצידו הקדמי של המעגל וגם בצידו האחורי.
Pogo pin - מגע קפיצי המשמש ליצירת חיבור זמני לטובת בדיקות או תכנות המעגל.
בתמונה: פין POGO עם ראש מחודד. ב-SparkFun משתמשים בהמון כאלה במכשירי בדיקת המעגלים.
Reflow - תהליך התכה של הבדיל כדי לייצר חיבורים בין המעגל למגעים של הרכיבים.
Silkscreen - אותיות, מספרים, סימונים ותמונות על המעגל המודפס. בדרך כלל רק בצבע אחד ורזולוציה נמוכה.
בתמונה: Silkscreen המציין שהלד הוא חיווי של מתח (PWR)
Slot - חריץ חיתוך בלוח המעגל. חריצים יכולים להיות מצופים או לא מצופים. לפעמים הוספת חריצים למעגל מוסיפה עלות נוספת, מכיוון שאלה דורשים זמן עיבוד נוסף.
בתמונה: חריצים מורכבים במעגל ProtoSnap - Pro Mini של SparkFun. יש שם גם הרבה "נגיסות עכבר" (mouse bites) שאפשר לראות. שימו לב: הפינות של החריצים לא יכולים להיות לגמרי מרובעים מכיוון שחותכים אותם עם כלי ניסור עגול.
Solder paste - משחת הלחמה שמכילה כדוריות הלחמה קטנות בתוך ג'ל. מורחים את המשחה על משטחי SMT על ה-PCB בעזרת שבלונה (stencil), לפני הנחת רכיבים. בתהליך ה-Reflow הבדיל נמס ומייצר חיבור חשמלי ומכני בין המוליכים של ה-PCB לבין הרכיב.
בתמונה: משחת הלחמה על PCB קצת לפני הנחת הרכיבים.
Solder pot - סיר המשמש להלחמה ידנית מהירה של מעגלים עם רכיבי PTH. בדרך כלל מכיל כמות קטנה של בדיל מותך, לתוכו טובלים את הלוחות במהירות, כך שהוא משאיר צמתים מולחמים על כל המתכת החשופה.
Soldermask - (מסכת הלחמה) שכבה של חומר הגנה המצופה מעל מתכת כדי למנוע קצרים חשמליים, קורוזיה ובעיות אחרות. בדרך כלל בצבע ירוק, אבל צבעים אחרים אפשריים. SparkFun משתמש באדום, Arduino בכחול, Apple בשחור. לפעמים מכונה גם כ-"resist" (מתנגד).
בתמונה: שכבת מסכת הלחמה המכסה את המוליכים ומשאירה רק אזורי הלחמה מתכתיים.
Solder jumper - (גשרון הלחמה). טיפה קטנה של בדיל המחבר בין שתי נקודות סמוכות על מעגל המודפס. תלוי בתכנון של המעגל, גשרון הלחמה יכול לחבר שני פדים (pads) או פינים יחד. זה יכול לייצר גם קצרים לא רצויים.
Surface mount - (הרכבה על פני השטח). שיטת הרכבה המאפשרת לרכיבים פשוט להיות מונחים על המעגל המודפס, לא מצריך שהרגליים שלהם יוכנסו לתוך חורים במעגל. זוהי שיטת ההרכבה העיקרית שמשתמשים בה היום, שמאפשרת הכנה של מעגלים במהירות ובקלות.
Thermal - מוליך קטן המחבר בין אזור הלחמה (pad) למשטח גדול (plane). אם ה-pad לא "משוחרר" תרמית, יהיה קשה יותר להביא את ה-pad לטמפרטורה גבוהה מספיק כדי לייצר הלחמה טובה. אזור הלחמה לא משוחרר תרמית בצורה טובה ירגיש "דביק" כשתנסו להלחים אליו, ויקח הרבה מאוד זמן להשלים את ההלחמה.
בתמונה: מצד שמאל עיגול להלחמה עם שני מוליכים המחברים אותו למשטח אדמה. מימין, קידוח Via ללא thermals המחובר לגמרי למשטח האדמה.
Thieving - (גנבה) ריבועים, עיגולים, קווים או משטח שלם שנשאר באזורים בהם אין מוליכים. מפחית את הקושי של הורדת הנחושת מכיוון שנדרש פחות זמן באמבט החומצה כדי להוריד את הנחושת הלא נחוצה.
Trace - מסלול רציף של נחושת על לוח מעגל מודפס.
בתמונה: מוליך דק המחבר את חיבור ה-Reset למיקום אחר כלשהו על המעגל. מוליך עבה/גדול יותר מתחבר לחיבור ה-5V.
V-score - חיתוך חלקי של הלוח משני הצדדים, המאפשר לשבור אותו בקלות לאורך הקו.
Via - חור/קידוח בלוח המשמש העברה של סיגנל משכבה אחת לשניה. Tented Via הוא חור המכוסה ע"י מסכת הלחמה (Soldermask) כדי להגן מהלחמה אליהם. חורי Via במקומות בהם מוכנסים מחברים ורכיבי PTH מושארים ללא כיסוי כדי שאפשר יהיה להלחים אליהם בקלות.
בתמונה: שני הצדדים של אותו ה-PCB המראה Tented Via. ה-Via הזה מעביר את הסיגנל מהצד הקדמי של ה-PCB, דרך הלוח לצד האחורי שלו.
Wave solder - שיטת הלחמה המיושמת על לוחות עם רכיבי PTH, בו המעגל עובר מעל עמוד עם בדיל מותך הנדבק לחלקים חשופים של המעגל ורגלי הרכיבים.
תכננו אחד משלכם!
מה עושים אם אתם רוצים לתכנן PCB משלכם? יש יותר מדי פרטים לגבי תכנון/עיצוב PCB, שלא נוכל להיכנס אליהם במאמר זה, אבל אם אתם ממש רוצים להתחיל, הנה כמה עצות:- מצאו תוכנת CAD לעריכת מעגלים מודפסים. יש הרבה אפשרויות זולות או חינמיות בשוק שמאפשרות עריכת מעגלים מודפסים. כמה דברים שכדאי לשקול כשבוחרים תוכנה:
- תמיכה בקהילה: האם יש הרבה אנשים שמשתמשים בתוכנה זו? ככל שיותר אנשים משתמשים בה, יש יותר סיכוי שתמצאו ספריות מוכנות לרכיבים שאתם צריכים.
- קלות השימוש: אם זה יהיה כואב להשתמש בה, כנראה שלא תעשו את זה.
- יכולות: יש תוכנות שמציבות מגבלות על העיצוב שלכם, כמו מספר שכבות, מספר רכיבים, גודל המעגל וכו'. רובם מאפשרים לשלם עבור רישיון כדי לשדרג את יכולות אלה.
- ניידות: חלק מהתוכנות החינמיות לא מאפשרות לייצא או להמיר את הקבצים, ובכך נועלים אתכם לספק יחיד. לפעמים זה מחיר הוגן לשלם עבור נוחות, ולפעמים לא.
- תסתכלו על העיצובים של אנשים אחרים כדי לראות מה הם עשו. חומרת קוד פתוח (Open Source Hardware) הופכת את זה לקל מתמיד.
- תרגול, תרגול, תרגול.
- תנמיכו ציפיות. בעיצוב המעגל הראשון שלכם יהיו הרבה בעיות. במעגל ה-20 יהיו פחות, אבל עדיין יהיו כמה. לא תוכלו להיפטר מכולם.
- שרטוטים הם חשובים. לנסות לתכנן מעגל בלי שרטוט טוב מלכתחילה הוא חסר סיכוי.
לבסוף, כמה מילים על התועלת של עיצוב מעגל משלכם. אם אתם מתכננים לייצר יותר מאחד-שתיים של מעגל הפרויקט, התגמול של יצירת מעגל משלכם יהיה די טוב. לחווט מנקודה לנקודה במעגל על לוח מחורר זה די קשה, והם הרבה פחות יציבים ממעגל שתוכנן במיוחד למשימה. זה גם מאפשר למכור את התכנון שלכם אם הוא הופך להיות פופולרי.
לאן ממשיכים?
מעגלי PCB הם רק ההתחלה. מכאן אנחנו ממליצים על מאמרים הבאים:- Soldering 101 - PTH - TODO
- How to Read a Schematic - TODO
- How to install and setup Eagle PCB software - TODO
- How to layout PTH PCBs: Schematic - TODO
- How to layout PTH PCBs: Board Layout - TODO
- Creating SMD Footprints - TODO
- Creating SMD PCBs - TODO
- T³: Etching Your Own Circuit Boards - TODO
- Electronics Assembly - TODO
