تاریخچه پیدایش و ساخت برد مدار چاپی pcb
امروزه بردهای مدار چاپی (PCB) آنقدر به طور گسترده بکار گرفته می شوند که هر گونه ساخت و مونتاژ تجهیزات برقی و الکترونیکی بدون آن ها تقریبا غیر ممکن و غیر قابل تصور است اما تاریخ توسعه و تکامل بردهای مدار چاپی (PCB) خیلی کهن نیست و استفاده تجاری از آن ها به دهه ۱۹۵۰ میلادی باز می گردد ، اگرچه اندیشه آن از حدود پنجاه سال پیش تر شکل گرفته بود .
پیش از آنکه این اندیشه شکل بگیرد ؛ لازم بوده است که برخی پیشرفت ها و فن آوری ها ؛ که می توانند زمینه ساز آن باشند تکامل یافته و به دنیای دانش و تکنولوژی شناسانده شده باشند . بردهای مدار چاپی (PCB) در واقع تکامل یافته سیستم های اتصال الکتریکی است که در سال ۱۸۵۰ توسعه یافته بود . در این سیستم ها از نوارها یا میله های فلزی برای اتصال قطعات بزرگ الکتریکی که خود بر روی پایه های چوبی نصب شده بودند ؛ استفاده می شد . با گذشت زمان نوارهای فلزی بوسیله سیم هایی که به پیچ های ترمینال ها متصل بودند جایگزین شدند و پایه های چوبی با شاسی های فلزی جایگزین گردیدند . در سال ۱۸۵۲ هنگامی که در انگلستان W.H.F. Talbot یک فرآیند فتواچینگ را که بر روی مس قابل بکارگیری بود ، به ثبت رسانید ، بردهای مداری و میکرومداری از رویا و آرزو خارج شدند . در عین حال فرآیند بکار گرفته شده ؛ شامل بکارگیری نخستین فتورزیست هایی بود که ساخته شده بودند . طی سال های بعد پیشرفت هایی در زمینه های مختلف از قبیل توسعه و بهبود انواع فتورزیست ها و هم چنین فرآیندهای آبکاری فلزات و به ویژه آبکاری سطوح غیر فلزی حاصل گردید .
در آن سال ها برای ساخت تجهیزات برقی بدون استفاده از بردهای مدار چاپی (PCB) ؛ روش اتصال مستقیم قطعات را به یکدیگر به کار می گرفتند . در این روش , همواره معایب زیر با تجهیزات ساخته شده همراه بود .
۱- هر سیستم مونتاژ شده با دیگر سیستم ها متفاوت بود . ( نبود تکرار پذیری در تولید )
۲- کار مونتاژ نیازمند حضور افراد توانا و با تجربه بود .
۳- تعمیرمشکل بود و برای پیداکردن قطعه معیوب ؛ سیم ها و اتصالات نیز درمنطقه معیوب باید به دقت و همزمان کنترل می شد .
۴- نقشه ای معتبر که محل قطعات را نشان بدهد وجود نداشت .
۵- مقاومت در برابر ارتعاشات و تکان ها پائین بود و قطعات از محل خود جابجا می شدند و امکان اتصال کوتاه وجود داشت .
۶- هم شنوایی و مسائل مشابه قابل حل کردن نبود . زیرا محل قطعات تغییر می کرد .
۷- تولید انبوه غیر ممکن بود .
اولین قدم برای حل این قبیل مسائل انتقال قطعات مونتاژ شده به درون یک چارچوب و نمایش ترسیمی مکان دقیق هر قطعه بود . برای سال ها متمادی و حتی در طول سال های جنگ جهانی دوم و پس از آن روشی که تکنیک اتصال نقطه به نقطه خوانده می شد به طور گسترده ای به خدمت گرفته شد که واجد برخی مزایای اساسی بردهای مدار چاپی (PCB) بود . یکی از دوستان توماس ادیسون به نام Frank Sprague که بنیان گزار Sprague Electric بود ؛ در سال ۱۹۰۴ وقتی که هنوز درس می خواند ؛ فکر حذف اتصال نقطه به نقطه را با توماس ادیسون در میان گذاشته بود . توماس ادیسون که اولین حباب لامپ الکتریکی خود را به بازار عرضه کرده بود ؛ روی این مشکل کار کرد و در پاسخ به دوستش چند ایده را مطرح کرد . ۱) بکارگیری انتخابی نوعی چسب ( پلیمر ) همراه با پودر گرافیت و یا پودر فلزی نظیر پودر برنز . ۲) پیاده کردن طرح هادی بر روی یک دی الکتریک با نیترات نقره و سپس احیا آن به نقره فلزی . ۳) بکارگیری ورقه نازک طلا و چسباندن آن بر روی یک پایه مطابق طرح هادی .
اگرچه ادیسون در تذکرات کوتاه خود از چاپ یادی نمی کند اما دست کم دو طرح اول او بسادگی با فرآیندهای متعدد ساخت مدار چاپی (PCB) که امروزه هم استفاده می شود ؛ همخوانی دارد . روش اول که مبتنی بر بکارگیری یک پلیمر همراه با ذرات هادی است ، پایه ای برای فن آوری امروزی Thick Film است و نظریه دوم او همان آبکاری الکترولس است . شاید اگر ادیسون بر روی این مشکل کار کرده بود ؛ آبکاری مس و ترسیب در خلا را که پیشتر به ثبت رسانیده بود را بکار می گرفت .
اما شهرت توماس ادیسون باعث نمی شود که نظریه بسیار جالب توجه آلبرت هانسون برلینی که در لندن سکنی گزیده بود و در سال ۱۹۰۳ آن را به صورت یک اختراع در انگلستان به ثبت رسانید ؛ در ذکر تاریخچه بردهای مدار چاپی (PCB) به فراموشی سپرده شود . اختراع آلبرت هانسون برای رفع نیاز ارتباط های تلفنی بود . فرآیند او اگرچه یک روش مدار چاپی (PCB) واقعی نبود ؛ اما طرح هادی فلزی را بر روی یک بستر غیر هادی ایجاد می کرد . در روش او ورق های نازک فلزی ابتدا مطابق طرح هادی برش خورده و سپس بر روی کاغذهای پارافینی یا نظایر آن چسبانده می شد . تصویر زیر از متن اصلی سند ثبت اختراع او گرفته شده است .
هانسون برخی نوآوری ها را نیز اضافه می کند که می تواند به عنوان اصول مدرن ساخت مدارهای چاپی در نظر گرفته شود . این مخترع تشخیص داده بود که تراکم مداری خیلی مهم است و از اینرو مدارهای خود را با هادی هایی در دو طرف طراحی کرده بود که در شکل زیر ( Figure 2 ) دیده می شود . او همچنین می دانست که ارتباط بین لایه ای چقدر می تواند حیاتی باشد و لذا سوراخ های دستیابی بین لایه ای و عبور از سطح بالا به پائین هادی ها به صورت انتخابی را اضافه کرده بود . اگرچه این اتصالات خام و ابتدایی بنظرمی رسند اما اختراع وی در سال ۱۹۰۳ بوضوح توصیفی از مدارهای دوطرفه متالیزه بود . آلبرت هانسون همچنین بیان داشت که هادی ها می تواند در محل خود از طریق آبکاری الکتریکی و یا بکارگیری پودر فلزی در یک حامل مناسب ( مرکب هادی ) تشکیل شود . این که در نخستین ثبت اختراع مدار چاپی (PCB) ؛ چنین نظریه هایی که می تواند مدرن در نظر گرفته شود؛ آمده ؛ جالب توجه است .
ظریه های متعددی در طول دهه های بعدی همچنان که دانش الکترونیک گسترش می یافت ؛ با سرعت هیجان برانگیزی پدیدار شد . رادیو خیلی زود به مهم ترین پیش برنده مدار چاپی (PCB) بدل گشت . بی سیم توجه جهانی را به خود جلب کرده بود . اولین ایستگاه عمومی رادیو KQW – San Jose( کالیفرنیا ) در سال ۱۹۱۲ شروع به کار کرده بود و در اواخر دهه دوم قرن بیستم ؛ رادیو به اغلب کشورهای بزرگ دنیا معرفی شده بود . کشتی ها سیستم رادیویی مارکونی را با خود حمل می کردند و بی سیم درکار نجات زندگی انسان ها کارآمدی خود را نشان داده بود . خیلی زود مطابق پیش بینیDavid Sarnoff که NBC و RCA را هدایت می کرد ، رادیو در هر خانواده ای حضور یافت . پیشتازان الکترونیک برای تولید انبوه مدارهای چاپی بازار بزرگی را می توانستند پیش رو ببینند و مخترعین با قدرت برای پاسخ گویی به این نیاز ؛ فعال بودند .
اصول اولیه ساخت مدارهای الکترونیکی مبتنی بر روش های افزایشی بود و هادی ها بر روی بستری غیر هادی نشانده می شدند . پیش از این فلز بری اسیدی شناخته شده بود و قرن ها بود که از آن استفاده می شد . اما در سال ۱۹۱۳ Arthur Berry اختراعی به ثبت رسانید و طی آن مدعی روش ساخت مدار با تکنیک فلز بری بود . او فرآیندی را توصیف می کرد که سطح فلزی پیش از فلز بری با یک پوشش مقاوم پوشانیده می شد . Berry به عنوان نخستین کسی که مدارهای فلزبری شده را توصیف می کند ظاهر گردید . بعدها ( April 1930 ) Littledale نیز روش مشابهی را بیان کرد و به ثبت رسانید .
فتولیتوگرافی در طول روزهای گسترش مدارهای چاپی به خوبی شناخته شده بود اما فرآیندهای کاهشی به آن بی توجه مانده بودند . Bassit (1925) جزئیات خاصی از فتولیتوگرافی شامل استفاده از نمک های کروم حساس به نور را ارائه کرد . اگرچه ثبت اختراع Bassist با ساخت صفحات چاپ سروکار داشت ؛ به دلیل نشانیدن الکتریکی مس بر روی صفحات عایق ؛ بسادگی برای مدارسازی قابل تعمیم بود .
نخستین گام چشمگیر از سوی چارلز دوکاس بود که برداشته شد . او در تاریخ دوم مارس ۱۹۲۵ در آمریکا اختراع خود را به ثبت رسانید . دوکاس روشی را برای ایجاد طرح های هادی آبکاری شده بر روی یک بستر غیر هادی پیشنهاد کرد . وی برای ایجاد این طرح هادی از استنسیل و چاپ با یک مرکب هادی استفاده کرده بود و پس از برداشتن استنسیل ، خطوط را تا ضخامت مورد نظر با آبکاری الکتریکی تقویت می کرد . این طرح ها به الگوهای مداری امروزی شباهت قابل ملاحظه ای داشته اند . با این روش نام « برد مدار چاپی (PCB) » متولد می شود . این روش به طرز چشمگیری ساخت وسایل برقی را آسان می نمود . فرآیند ساده ای که به توسط کارگر غیر ماهر نیز انجام شدنی بود .
تنها پس از هفده روز Francis T. Harmann فرآیندی را به ثبت رسانید که روش کاهشی ساخت برد مدار چاپی (PCB) خوانده شد وآن را باید پیشتاز فن آوری مس بری در نظر گرفت .
در آوریل ۱۹۲۶ در فرانسه Cesar Pasolini برای روش افزایشی ساخت اتصالات الکتریکی اختراعش را ثبت کرد و در استرالیا درسپتامبر ۱۹۲۸ توسط Samule Charles Ryder فرآیندی مربوط به ساخت سیم پیچ های القایی برای استفاده درگیرنده های رادیویی به ثبت رسید. او چاپ یا پاشش مستقیم رنگ هادی بر روی بستر را پیشنهاد کرده بود .
سهم عمده برای توسعه فن آوری نوین ساخت بردهای مدار چاپی (PCB) بوسیله Dr. Pual Eisler (1907 – ۱۹۹۵) ادا گردید . امروزه او را پدر مدار چاپی (PCB) می شناسند .وی یک اتریشی ساکن انگلستان بود و آنچه را که احتمالا قدیمی ترین برد مدار چاپی (PCB) است ، به صورتی که ما می شناسیم ؛ به عنوان بخشی از یک رادیو ساخت . شکل ( ۵ ) – صفحه بعد .
این رادیو اولین وسیله ای است که با استفاده از یک بردمدار چاپی (PCB) کار کرده است و فن آوری آن به وسیله Pual Eisler اختراع شده است . در روش وی پوششی مقاوم به شکل طرح مداری بر روی سطح مسی چاپ می شد و بخش های نپوشیده با مس بری حذف می گردید.
Eisler در سال ۱۹۴۳ روشی را برای مس بری کردن طرح هادی یا مدار بر روی لایه ای از ورقه نازک مسی که به یک پایه یا بستر غیرهادی تقویت شده با الیاف شیشه ؛ چسبیده بود در انگلستان به ثبت رسانید . امروزه این فرآیند به طور کلی با نام «Print & Etch » خوانده می شود. همچنین در سوم فوریه ۱۹۴۴ روش خود را در آمریکا ثبت کرد و حدود چهار سال بعد در سال ۱۹۴۸ حق امتیاز ثبت شده به Eisler داده شد. او کار خود را در زمینه بردهای مدار چاپی (PCB) ادامه داده و حق امتیاز های دیگری را به ثبت رسانید . استفاده گسترده از روش Eisler تا دهه ۱۹۵۰ عملی نگردید اما در سال ۱۹۴۷ معلوم شدکه تعداد زیادی از بردهای مدار چاپی (PCB) مورد استفاده صنایع نظامی در ساخت ساز و برگ ارتش ؛ در ایالات متحده آمریکا ساخته می شده است . درواقع جنگ جهانی دوم و نیازهای ارتش آمریکا به تجهیزات نوین از سویی این فن آوری جدید را به پیش رانده و از سوی دیگر مانع از تجاری سازی آن شده بود . علاقه مندی به ساخت و استفاده از بردهای مدار چاپی (PCB) پس از جنگ به سرعت رشد کرد و فرآیندهای متعددی در اوایل سال ۱۹۵۰ به صنعت الکترونیک معرفی گردید . به ویژه اینکه در همین زمان ترانزیستور به بازار عرضه شد و کوچک بودن آن گرایش به بردهای مدار چاپی (PCB) را تشدید نمود . درمقایسه با لوله های خلا که بسیار بزرگ بودند و با نصب نقطه به نقطه و روش های مرسوم مونتاژ، همخوانی داشتند . یعنی توسعه ترانزیستور ؛ بهره برداری از مدارهای چاپی را با حذف یکی از پرحجم ترین قطعات ؛ لوله های خلا ؛ آسان سازی کرد . توسعه بیشتر منجر به تولید مدارهای مجتمع در دهه ۱۹۶۰ گردید .
در روزهای ابتدایی ساخت صنعتی رادیو و تا پایان جنگ جهانی دوم ؛ گیرنده های رادیویی شامل قطعاتی مانند مقاومت ها ؛ خازن ها ؛ سیم پیچ ها و لوله های الکترونیکی بودند که بوسیله سیم هایی که با عایق های رنگی مشخص می گردید ؛ به یکدیگر متصل می شدند. هر رنگ به مثابه یک کد؛ مشخص کننده اتصال مداری ویژه ای بود که مورد قبول جهانی نیز قرار گرفته بود . حتی به منظور تسهیل تولید و ردیابی خطا ها ؛ سیم ها را به اندازه های یکسان بریده و به هم می بستند تا به شکل یک تسمه در می آمد و در سرعت بخشیدن به عملیات مونتاژ موثر بود .
در طول دهه ۱۹۵۰و اوایل دهه ۱۹۶۰ میلادی ؛ صفحات مدار چاپی (PCB) از انواع رزین ها در مخلوط با انواع متفاوتی از مواد ساخته می شد ؛ اما بردهای مدار چاپی (PCB) همچنان یک طرفه مانده بودند . توسعه صنعت الکترونیک پس از جنگ جهانی دوم و تقاضای بالا برای محصولات مصرفی مانند رادیو و تلویزیون و به طور همزمان استفاده از صنعت الکترونیک در کاربردهای نظامی ؛ موجب سخت تر شدن مقررات و الزاماتی برای قابلیت اطمینان بیشتر بردهای مدار چاپی (PCB) و نیز افزایش تراکم مداری و پیچیدگی آن ها شد و با رسیدن به بالاترین تراکم مداری نیاز به جایگزینی با بردهای دو رو بیش از پیش احساس گردید . روش های مختلف و فنون تولید که در طول این دوره برای ساخت مدار و اتصالات میانی کاملا عمومیت پیدا کرده بود ؛ در اواخر دهه ۵۰ به فرآیندهای آبکاری بر روی ورقه های نازک فلزی منجر گردید. همچنین تا ظهور فرآیندهای مناسب آبکاری بر روی سطوح غیرهادی جهت متالیزه کردن دیواره سوراخ ها ، استفاده از استوانه های فلزی خاصی که eye let خوانده می شدند ، برای اتصال مدارها در دو سطح بالایی و پائینی بردمدار چاپی (PCB) روشی پذیرفته شده بود .
آبکاری به عنوان روشی برای ایجاد اتصالات میانی دو طرف برد مدار چاپی (PCB) در طول این دهه به آهستگی رشد کرد . در سال ۱۹۴۸ ؛ Wein در ضمن بررسی های خود در زمینه فرآیندهای متالیزه کردن سطوح نارسانا با مس ، فرآیندی دو مرحله ای را برای حساس کردن و فعال کردن سطوح نارسانا به منظور ترسیب غیرالکتریکی مس ؛ به کار برد . متالیزه کردن سطوح نارسانا از مدت ها پیش شناخته شده بود . اما این روش ها به دلیل ناپایداری محلول ها و تجزیه آن ها در کمتر از چند ساعت و نیز قیمت بالا ؛ به ندرت برای تولید انبوه توصیه می شدند . در فاصله سال های ۱۹۵۵ – ۱۹۵۳ شرکت موتورولا ، فرآیند آبکاری مس را برای ایجاد اتصال میان دو طرف برد مدار چاپی (PCB) معرفی کرد که برای تولید انبوه مناسب تر بود . Atkinson در سال ۱۹۵۶ حق امتیازی را در زمینه آبکاری غیرالکتریکی و فعال سازی سطوح نارسانا به ثبت رسانید که روشی موفق بود . سپس فرآیندهای دیگری نیز به دنبال آمدند و عاقبت در سال ۱۹۶۰ شرکت Shipley کاتالیست کلوئیدی مناسبی را معرفی کرد که به سرعت در صنعت مدار چاپی (PCB) وارد شد و تا امروز باقی مانده است . در سال ۱۹۶۴ شرکت photocircuit آمریکا فرآیندی تمام افزایشی را توسعه داد که در آن ماده پایه بدون مس است و مس بر روی نقاط دلخواه به صورت انتخابی آبکاری می شود .
نزدیک به ۴۰ سال روش غالب برای متالیزه کردن سوراخ های ارتباطی در بردهای دورو شامل فرآیندهای کاتالیتیکی بود که با پوشش دهی مس به طریقه الکترولس دنبال می شد . بکارگیری روش های متالیزه مستقیم که در دهه ۸۰ میلادی توسعه یافت ؛ یک سطح رسانا بر روی جداره غیر هادی سوراخ ها تولید می کند . این فن آوری ها عموما مدعی هستند که نسبت به روش های کلاسیک متالیزه کردن ؛ از نظر کنترل و مراحل اجرایی ساده تر بوده ؛ و ضمن کاهش مصرف آب ؛ تصفیه پساب آن ها نیز راحت تر است و با مواد آلاینده کمتری درگیر می باشند . ایده اصلی متالیزه مستقیم برای سیستم پالادیم به ثبت امتیاز شخصی بنام رادووسکی Radovsky در ۱۹۶۳ باز می گردد که روشی را برای ایجاد یک فیلم هادی جریان الکتریسیته از جنس پالادیم در دیواره سوراخ های برد مدار چاپی (PCB) از یک شکل نیمه کلوئیدی برای متالیزه کردن مستقیم برد مدار چاپی (PCB) ؛ توصیف نمود . اختراع رادووسکی هرگز تجاری نشد، اما بعدها روش های گوناگون متالیزه کردن مستقیم مبتنی بر بکارگیری پالادیم ؛ گرافیت و پلیمر هادی پیشنهاد و عرضه شد . از آن زمان تا کنون تغییرات بیشتری رخ داده است . در اوایل و اواسط دهه ۱۹۶۰ بردهای چندلایه به ویژه برای مصارف نظامی که در آن قیمت نسبت به تراکم ؛ وزن و قابلیت اطمینان در مقام دوم اهمیت قرار می گیرد ؛ رشد یافتند .
فن آوری نصب سطحی که در دهه ۱۹۸۰ با آن آشنا شده ایم در واقع بیست سال پیش تر و در دهه ۶۰ کشف شده بود . سلدرماسک ها از آغاز دهه ۱۹۵۰ بکار برده می شدند و از آن برای کمک به کاهش خوردگی خطوط مداری و قطعات استفاده می کردند . ترکیبات اپوکسی ؛ مشابه با آنچه که امروز به نام Conformal Coating می شناسیم بر روی سطح بردهای مونتاژ شده پاشیده می شد . عاقبت مرکب های سلدر ماسک به روش سیلک اسکرین بر روی بردها پیش از مونتاژ قطعات ؛ چاپ شد که به تمیز ماندن بردها و کاهش خوردگی و جلوگیری از اکسید شدن آن ها کمک می کرد . در طول دهه ۱۹۷۰ هنوز سطح خطوط هادی و مدارها با پوشش قلع / سرب پوشانده می شد ؛ که در حین فرآیند ساخت و به طریق الکترولیز ایجاد شده بود . این پوشش در حین فرآیند لحیم کاری ؛ ذوب شده و سبب چروک شدن پوشش سلدر ماسک می شد . از اواخر دهه ۱۹۷۰ روش Hot Air Solder Leveling ( H.A.S.L ) و یا به اختصار HAL بکار گرفته شد که امکان می داد قلع / سرب پس از مس بری از سطح خطوط هادی برداشته شده و به این ترتیب مشکلات مربوط به آن حذف گردد . به این ترتیب پوشش سلدر ماسک ( محافظ در برابر لحیم ) مستقیم بر روی مس چاپ می شد و فقط پدها و دیواره سوراخ های آبکاری شده باقی می ماندند تا در حینِ فرآیند ِمونتاژ با لحیم آغشته شوند. با کوچک شدن سوراخ ها و خطوط هادی ؛ کارها از نظر مداری ؛ متراکم تر شدند و بکارگیری نوع فیلم خشک برای چاپ سلدر ماسک برای اولین بار در آمریکا رایج شد در حالی که اولین پوشش های موسوم به فتوایمیج Photo Image در اروپا و ژاپن توسعه می یافتند . همچنین در اروپا مرکب هایی که به روش پوشش پرده ای Curtain Coating بکار گرفته می شدند ؛ عرضه شد و مورد استفاده قرار گرفت . اما ژاپنی ها بیشتر بر روی چاپ سیلک اسکرین ِانواع مرکب های فتوایمیج با محلول های ظهور بر پایه آب متمرکز بودند . ناگفته نماند که تمامی این روش ها از یک واحد نوردهی پرتو فرابنفش و نورابزار ( فیلم ) استفاده می نمایند .
