לוחות מעגלים מודפסים (Printed Circuit Boards – PCBs) מגיעים במגוון רחב של תצורות בהתאם למבנה, לחומר וליישום.
מהלוחות הפשוטים ביותר בצד אחד ועד ל-Backplanes מתקדמים ולוחות קשיח-גמיש (Rigid-Flex) – סוגי ה-PCB שונים זה מזה בעלות, באמינות, בצפיפות חיווט ובמורכבות הייצור.
מדריך זה מסביר את סוגי ה-PCB הנפוצים ביותר, את אופן הבנייה שלהם ואת מקרי השימוש הטיפוסיים.
לוחות חד-צדדיים וזוגיים
1. PCB חד-צדדי (Single-Sided PCB)
בלוח חד-צדדי יש מסלולי נחושת מוליכים בצד אחד בלבד, בעוד שהצד השני הוא לרוב מצע מבודד.
זהו סוג ה-PCB הישיר והחסכוני ביותר.
מאפיינים עיקריים:
- צפיפות חיווט נמוכה
- תהליך ייצור פשוט
- עלות נמוכה מאוד
- פונקציונליות מוגבלת — אינו מתאים למעגלים מורכבים
מכיוון שכל המסלולים נמצאים על פני שטח יחיד, אפשרויות הניתוב מוגבלות. לוחות חד-צדדיים מתאימים במיוחד למעגלים פשוטים עם מעט רכיבים.
יישומים טיפוסיים:
- אלקטרוניקה צרכנית בסיסית
- מכשירים זולים
- מעגלי בקרה פשוטים
2. PCB דו-צדדי (Double-Sided PCB)
בלוח דו-צדדי יש שכבות נחושת בשני צדי המצע, כך שניתן למקם מסלולים ורכיבים בשתי הפאות.
חיבורים בין הצדדים מתבצעים באמצעות חורים מצופי-נחושת (PTH) או וִיָות (Vias).
מאפיינים עיקריים:
- צפיפות חיווט גבוהה יותר לעומת לוחות חד-צדדיים
- ניתן להרכיב רכיבים על שני הצדדים
- עלות בינונית
- מתאים למעגלים ברמת מורכבות בינונית
חומרים נפוצים:
- מצע נייר-שרף לאלקטרוניקה צרכנית
- למינציות בעלות הפסדים נמוכים כגון PTFE (טפלון) ליישומי RF ומיקרוגל
יישומים טיפוסיים:
- אלקטרוניקה צרכנית
- אלקטרוניקת רכב
- מערכות RF ומיקרוגל
לוחות חד-צדדיים וזוגיים הם החסכוניים ביותר לייצור המוני.
PCB רב-שכבתי (Multilayer PCB)
לוח רב-שכבתי כולל יותר משתי שכבות מוליכות — לרוב שלוש או יותר — המלוכדות בחום ובלחץ.
מאפיינים מבניים:
- השכבות הפנימיות מקושרות באמצעות וִיָות מצופות (PTH)
- השכבות החיצוניות משמשות לאותות או להפצת הספק
- מישורי הספק ואדמה רציפים להפחתת רעש
לוחות רב-שכבתיים משפרים שלמות אות (SI), שלמות הספק (PI) וביצועי EMI — ולכן הם חיוניים למערכות מהירות ובעלות צפיפות גבוהה.
מספרי שכבות טיפוסיים:
- 3 עד 50 שכבות, בהתאם למורכבות המערכת
הרכב חומרים:
- בד פיברגלס מחוזק באפוקסי או במערכות שרף אחרות
- מציע יציבות תרמית גבוהה, קבוע דיאלקטרי מבוקר ועמידות כימית
יישומים טיפוסיים:
- מחשבים אישיים ושרתים
- ציוד רשת ותקשורת
- מערכות דיגיטליות מהירות
- מחשבי-על
רוב המערכות הדיגיטליות המורכבות נשענות על PCBs רב-שכבתיים לשם ביצועים ודחיסות.
PCB חיווט בדיד / Multiwire
לוח חיווט בדיד (Discrete Wiring / Multiwire) התפתח מטכנולוגיית הרב-שכבתי, ומחליף שכבות אות חרוטות בתבניות חיווט בדיד מעוצבות בנפרד.
סקירת תהליך הייצור:
- חריטת מישורי הספק בשני צדי המצע.
- למינציה של פרפרגים (Prepregs) דביקים-למחצה מכל צד.
- הטמעת/גלגול מוליכים בדידים בתוך שכבות הדבק בהתאם לתכנון.
- הוספת שכבת למינציה שנייה; לאחר מכן דחיסה, קידוח וגמר כמו בלוח רב-שכבתי סטנדרטי.
מאפיינים מרכזיים:
- שקילות חשמלית ל-PCBs רב-שכבתיים
- שכבות האות מוחלפות בשכבות חיווט בדיד
- מתאים לחיווט בצפיפות גבוהה כשנדרשת בידודיות גבוהה
התכנון דורש כלי CAD ייעודיים ליצירת נתיבי-חוט מדויקים. השיטה מאפשרת גמישות ניתוב ושינויים מהירים — אך פחות מתאימה לייצור סדרתי בגלל מורכבות ועלות.
בפרוטוטייפינג: זמני אספקה קצרים ודרישות כלים נמוכות.
בייצור המוני: לוחות רב-שכבתיים סטנדרטיים לרוב חסכוניים ועקביים יותר.
לוחות היברידיים (Hybrid Circuit Boards)
לוחות היברידיים משלבים מצעים קרמיים עם נגדים מודפסים ורכיבי SMD, ומהווים גשר בין PCB לטכנולוגיית Thick-Film.
מבנה טיפוסי:
- בסיס קרמי חד-צדדי או דו-צדדי
- רכיבים אקטיביים מולחמי-פנים (SMD)
- הדפסת רשתות נגדים בעזרת משחות מתכת
יתרונות:
- גודל קומפקטי
- יציבות תרמית וממדית מצוינת
- אמינות גבוהה לעיצובים זעירים
יישומים טיפוסיים:
- מכשירי שמיעה
- מכשירים רפואיים מיניאטוריים
- אלקטרוניקה ייעודית קומפקטית
PCB גמיש (Flexible PCB – FPC)
לוחות גמישים נוצרים ע"י למינציה של ניירות נחושת על מצע גמיש כגון פוליאמיד (PI) או סרטי ארמיד.
הם יכולים להתכופף, להתקפל או להסתובב תוך שמירה על רציפות חשמלית.
מאפיינים מבניים:
- זמינים בתצורות חד-שכבתיות, דו-שכבתיות או רב-שכבתיות
- יכולים להחליף רתמות חיווט מסורתיות
- קלים וחוסכי מקום
יתרונות:
- מפחיתים מחברים ותקלות קישור
- חוסכים נפח הרכבה
- משפרים גמישות מכנית ואמינות
יישומים טיפוסיים:
- מצלמות
- מדפסות וכוננים
- אלקטרוניקה תעופתית/חללית
- מכשירי וידאו
PCB קשיח-גמיש (Rigid-Flex PCB)
לוח קשיח-גמיש משלב שכבות קשיחות וגמישות במבנה אחד רציף.
החלק הגמיש מיוצר תחילה ואז מודבק לתוך האזור הקשיח.
מאפייני תהליך:
- חיבור חשמלי רציף בין האזורים הקשיחים והגמישים
- ביטול הצורך במחברים ובכבלים
יתרונות מרכזיים:
- אמינות גבוהה ומעטפת קומפקטית
- הרכבה פשוטה יותר
- שלמות מכנית משופרת
יישומים טיפוסיים:
- אוויוניקה ותעשיית התעופה
- אלקטרוניקה ניידת (למשל: מחשבים ניידים, התקנים מתקפלים)
שיקולי עלות:
- יקר יותר משילוב לוחות קשיחים נפרדים וכבלים
- מציע ביצועי-מערכת עדיפים ביישומי אמינות גבוהה
Backplane PCB (לוח גב)
Backplane הוא סוג מיוחד של PCB רב-שכבתי המשמש לקישוריות צפופה בין כרטיסים ולהפצת הספק ברמת מערכת.
מאפיינים מבניים:
- מספר רב של מחברי Press-Fit
- שכבות הספק פנימיות מרובות
- התמודדות עם זרמי DC גבוהים
הזנת הספק:
- מישורי הספק פנימיים מולחמים בתוך המבנה
- פסי-זרם (Busbars) או ברגי חיבור (Studs) חיצוניים מחוברים למשטחי ההספק
חלק מה-Backplanes המתקדמים משלבים רכיבים פעילים מולחמי-פנים (כמו ICs) לשיפור פונקציונליות ושליטת אות.
עם זאת, הגודל והעובי הגדולים מייצרים אתגרי ייצור משמעותיים: המסה התרמית הגבוהה מקשה על הלחמת רכיבים בצפיפות פינים גבוהה, ודורשת בקרה תרמית מדויקת ותהליכי הרכבה ייעודיים לשמירת האמינות.
שאלות נפוצות (FAQ): סוגי PCB
1) מהם סוגי ה-PCB העיקריים?
חד-צדדי, דו-צדדי, רב-שכבתי, קשיח (Rigid), גמיש (Flex), קשיח-גמיש (Rigid-Flex); ו-Backplane הוא צורה מיוחדת של רב-שכבתי.
2) מה ההבדל המרכזי בין חד-צדדי לדו-צדדי?
חד-צדדי: נחושת על פאה אחת (הכי זול, ניתוב מוגבל).
דו-צדדי: נחושת על שתי הפאות עם חורים מצופי-נחושת/וִיָות לקישור בין הצדדים (צפיפות גבוהה יותר, עלות בינונית).
3) מתי לבחור PCB רב-שכבתי?
כשנדרשות צפיפות חיווט גבוהה, אימפדנס נשלט, מישורי הספק/אדמה רציפים וביצועי SI/PI/EMI טובים יותר למערכות מהירות או מורכבות.
4) קשיח לעומת גמיש לעומת קשיח-גמיש — איך מחליטים?
קשיח = העלות הנמוכה ביותר למארזים קבועים.
גמיש = מתכופף לחיסכון במקום ולהפחתת מחברים.
קשיח-גמיש = אמינות מקסימלית כאשר מחברים/כבלים הם נקודת תורפה (עלות לוח גבוהה יותר, סיכון מערכת נמוך יותר).
5) מהו Backplane PCB?
לוח גדול וסמיך רב-שכבתי עם מחברי Press-Fit רבים ומישורי נחושת עבים, שמקשר כרטיסים ומחלק זרמי DC גבוהים ברמת מערכת.
סיכום
מ-PCBs חד-צדדיים ועד עיצובים קשיח-גמיש ו-Backplane, המגוון הרחב של סוגי ה-PCB מעניק למהנדסים גמישות באיזון ביצועים, עלות וכשירות לייצור.
הבנה של הסוגים השונים של PCB חיונית לבחירת המצע, מבנה השכבות ואסטרטגיית הקישור (Interconnect) בכל תכן אלקטרוני מודרני.
