מעגל מודפס

מעגל מודפס (באנגלית: Printed Circuit Board, בראשי תיבות: PCB) הוא לוח שעליו מונחים רכיבים אלקטרוניים היוצרים מעגל חשמלי. החיבור בין הרכיבים נעשה הוספת מוליכים חיצוניים . את מקומם תופסים פסי נחושת שהודפסו על הלוח, שהוא מצע שאינו מוליך. מעגלים מודפסים אינם יקרים, ובדרך כלל מאוד אמינים.

המעגל המודפס בא להחליף שיטה ישנה לחיבור בין רכיבים אלקטרוניים באמצעות חוטים, שיטה ידנית שהייתה מסורבלת, יקרה ואיטית. כיום כמעט כל מערכת אלקטרונית מכילה מעגל מודפס בטכנולוגיה כלשהי.

היסטוריה

ממציא המעגל המודפס היה מהנדס יהודי-אוסטרי בשם פאול אייזלר (1907–1995), שנאלץ לברוח לאנגליה ב-1936. במשך עבודתו באנגליה יצר מעגל אחד כזה ב-1941 כחלק מסט רדיו. בסביבות 1943 החלו להשתמש בטכנולוגיה הזו בארצות הברית בצורה רחבה על מנת לייצר חיישן-קירבה לפיצוץ פצצות מעופפות של הגרמנים במלחמת העולם השנייה.

לאחר המלחמה, בשנת 1948, שחררה ארצות הברית את ההמצאה לשימוש מסחרי. מעגלים מודפסים נעשו נפוצים בשימוש אזרחי אחרי אמצע שנות ה-50, לאחר תהליך ההרכבה האוטומטי אשר פותח בידי צבא ארצות הברית.

מבנה

מעגל חשמלי פשוט על כרטיס: כאשר מעגל חשמלי מכיל רכיבים רבים, הוא מסובך לבניה ולבקרת איכות. על כן בבניית מכשיר חשמלי ניתן לפרוס את רכיבי המעגל החשמלי על צידו האחד של לוח מבודד (צד הרכיבים), במקומות שסומנו להם מראש, ולחבר את הרכיבים בחוטים מוליכים. המעגל הופך אפילו פשוט יותר לבניה ולבקרה כאשר החוטים מצויים מצידו השני של הכרטיס וחלקי הרכיבים המולחמים אליהם מגיעים לצד זה של הכרטיס דרך חורים (צד ההלחמות).

מעגל מודפס: כאשר מחליפים את מרבית החוטים המוליכים בהדפסה של חומר מוליך על הכרטיס המבודד עצמו מקבלים מעגל מודפס. המעגל המודפס הפשוט ביותר כולל משטח מבודד כמו פיברגלס שאליו מוצמד גיליון נחושת לקראת הדפסה.

מעגל מודפס מודרני מיוצר בתהליך שבו מורידים משכבת הנחושת חומר כך שנשארים רק עקבות המוליכים המחברים בין הרכיבים האלקטרוניים. בנוסף, כאשר המעגל מכיל רכיבים בעלי "רגליים" מאונכות למעגל, המעגל יכיל קדחים שלתוכם יש להכניס את רגלי הרכיבים ולהלחים אותם.

ייצור מעגל מודפס

עקרון בסיסי:^[1] הלוח הבסיסי מצופה נחושת . מעכלים את הנחושת בכל האזורים שאינם מתוכננים כמוליכים, ונותרים רק החיבורים שבין הרכיבים המתוכננים. מנקבים חיבורים לרכיבים אותם מלחימים על גבי הכרטיס.

ייצור כרטיס בסיסי מורכב מ 10 שלבים:^[2]

תכנון: התכנון כולל את מכל מרכיבי המערכת שתורכב על הלוח, את החיבורים ביניהם ואת החיבורים החיצוניים וכן את ההתאמה למארז או לחיבורים ללוחות נוספים . התכנון נעשה במערכת CAD ממוחשבת
הדפסת התוכנית על שקף מיוחד שיותאם לגודל הסופי. קווי החיבורים הרצויים צבועים ומונעים מעבר אור.
הכרטיס הבסיסי הוא לוח עשוי חומר מבודד המצופה בנחושת. חותכים למימד ולצורה הנדרשים לתכנית.
מצמידים את השקף לכרטיס כציפוי ומקרינים בקרינה באור אולטרא-סגול. כל השטחים שאינם צבועים מחדירים את הקרינה ויאפשרו לתמיסת המסה לפעול על הנחושת.
טובלים את הכרטיס תחילה בתמיסת NAOH ( פראוקסיד) המעכלת את הציפוי שהוקרן, כך שישאר ציפוי רק על המוליכים המתוכננים.^[3]
לאחר שטיפה טובלים את הכרטיס בתמיסות המעכלות נחושת. הציפוי שנותר רק על המוליכים מונע המסת הנחושת , בעוד השאר מומס. ^[4] התהליך הוא: Cu + 2FeCl₃ → 2FeCl₂ + CuCl₂ כאשר תמיסת הברזל הכלורי משמשת לחמצון הנחושת.^[5]
מסירים את הציפוי שהגן על הנחושת מפני ההמסה.
לאחר ביקורת ראשונה על שלמות החיבורים, מנקבים חורים בהתאם לרכיבים ולחיבורים החיצוניים הנדרשים.
מסמנים באמצעות הדפסת משי את סימול הרכיבים, המאפשר התאמה והלחמה אוטומטית . מצפים את הכרטיס בלכה להגנה.
הרכבת והלחמת הרכיבים אוטומטית .

הדפס משי

המעגל המודפס לא חייב להכיל הדפס משי. הדפס המשי אינו קשור להדפס המוליך ההכרחי לפעולת המעגל. הדפס המשי על המעגל המודפס מסמן למי שמרכיב אותו, למי שמבקר את איכותו ולמי שמתקן איזה רכיב אמור להתחבר אל המעגל בכל נקודה ונקודה בו. לרכיבים השונים יש סימנים שונים המופיעים בהדפס המשי. למשל, הסימן C132 ליד סימן של עיגול שבאחד מקצותיו מופיע סימן + מורה שבשטח המעגל יש לחבר את הקבל האלקטרוליטי שמספרו הסידורי הוא 132 ואת רגלו החיובית של הקבל יש לחבר ליד סימן הפלוס.

שכבות

מעגלים מודפסים כיום הם "רב- שכבתיים", כלומר מכילים יותר משכבה אחת של נחושת. המעגל הבסיסי ביותר הוא דו-שכבתי ומכיל מוליכים משני צידי הלוח. נהוג לכנות את הצד עליו מונחים הרכיבים Component Side והצד שהיה נהוג לחבר את רגלי המוליכים Print Side. כיום ניתן לחבר רכיבים משני צידי הלוח על ידי שימוש ברכיבים בטכנולוגיית השמה משטחית (SMT).

פדי חיבור וקדחי חיבור

קדחים ופדים במעגל מודפס, לפני שהורכבו בו הרכיבים

נקודת החיבור של הרכיב במעגל המודפס קרויה פד (Pad). מבחינים בין שני סוגי פדים:

פד עם קדח (Through Hole) נועד לרכיבים עם רגליים הנכנסים לתוך הקדח, נקרא גם Deep בז'רגון המקצועי.
פד ללא קדח, נועד לרכיבים בטכנולוגיית SMT.

מעגל מודפס מכיל מספר סוגי קדחים:

קדח המשמש לחיבור הרכיבים באמצעות הלחמה.
קדח המשמש כחיבור מעבר בין שכבות הנחושת השונות (Via). קדחים אלה מצופים בחומר מוליך לשם העברת אותות ומתחים בין השכבות.

קדח בעל קוטר הקטן מ-0.1 מ"מ (Microvia) נועד לחיבור בין שתיים או שלוש שכבות צמודות.

רכיבים

מעגל מודפס מיועד להרכבה וחיבור של רבים ממרכיבי המעגל החשמלי. החלקים הנפוצים הם (ראו תמונות):

נגדים (מסומנים בהדפס המשי על ידי האות R)
קבלים אלקטרוליטים (מסומנים על ידי האות C וכן מסומן + למיקום הרגל החיובית שלהם)
סלילים (מסומנים ב-L)
מתנד גבישי
שבבים (המכונה גם צ'יפים או ג'וקים ומסומנים לרוב באותיות IC)
דיודות
דיודות לד
טרנזיסטורים
שנאים

ראו גם

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא מעגל מודפס בוויקישיתוף

^ בשבבים, המכילים מספר רב של שכבות התהליך הבסיסי דומה אך נעשה בשיטות אחרות
^ Montrose, M. I, . EMC and the Printed Circuit Board: Design, Theory, and Layout Made Simple.., Wiley-IEEE Press. Chapter 8: PCB Fabrication, 1999
^ Coombs, C. F,
Image Transfer and Development., Printed Circuits Handbook: McGraw-Hill.(6th ed.) Chapter 31, (2008
^ Jawitz, M. W, . Printed Circuit Board Materials Handbook. ., McGraw-Hill.: McGraw-Hill., 1997, עמ' Chapter 14: Etching
^ Jawitz, M. W., & Jawitz, M. J, Materials for Rigid and Flexible Printed Wiring Boards (1st ed.)., Springer., 2007, עמ' .Chapter 5: Chemical Processes in PCB Fabrication

[1] בשבבים, המכילים מספר רב של שכבות התהליך הבסיסי דומה אך נעשה בשיטות אחרות

[2] Montrose, M. I, . EMC and the Printed Circuit Board: Design, Theory, and Layout Made Simple.., Wiley-IEEE Press. Chapter 8: PCB Fabrication, 1999

[3] Coombs, C. F,
Image Transfer and Development., Printed Circuits Handbook: McGraw-Hill.(6th ed.) Chapter 31, (2008

[4] Jawitz, M. W, . Printed Circuit Board Materials Handbook. ., McGraw-Hill.: McGraw-Hill., 1997, עמ' Chapter 14: Etching

[5] Jawitz, M. W., & Jawitz, M. J, Materials for Rigid and Flexible Printed Wiring Boards (1st ed.)., Springer., 2007, עמ' .Chapter 5: Chemical Processes in PCB Fabrication

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

חשמל
מושגי יסוד	מטען • שדה חשמלי • אנרגיה פוטנציאלית חשמלית • פוטנציאל • מתח • כא"מ • זרם • התנגדות ומוליכות • עכבה • הספק • השראות • זרם ישר • זרם חילופין • מעגל חשמלי • תהודה • עכבה אופיינית
רכיבים בסיסים	מקור מתח • מקור זרם • נגד • קבל • משרן • ממריסטור • שנאי • מפסק • מבדד
מכשירי מדידה	מד מתח • מד זרם • מד התנגדות • אלקטרוסקופ • גלוונומטר • מד קיבול • מד השראות • רב מודד • אוסצילוסקופ • מחולל אותות
אלקטרוניקה	מוליך למחצה • דיודה • טרנזיסטור • מיתוג • שפופרת ריק • טריודה • דיודה פולטת אור (לד) • מגבר שרת • מסנן תדרים • מעגל משולב • מעגל מודפס • VLSI • מיקרואלקטרוניקה
זרם חזק	גנרטור חשמלי • מנוע חשמלי • תחנת כוח • מתקן חשמל דירתי • מערכת חלוקה • רשת חשמל • מערכת תלת-פאזית
בטיחות בחשמל	התחשמלות • לוח חשמל • קצר חשמלי • נתיך • הארקה • ממסר פחת • מפסק אוטומטי • צבע חוטי החשמל
חוקים פיזיקליים	חוק קולון • חוק גאוס • חוק אוהם • חוקי קירכהוף • חוק שימור המטען החשמלי • חוק פאראדיי