PCB là gì? Cấu tạo, chức năng và ứng dụng của vi mạch PCB

PCB là một trong những khái niệm đang làm mưa làm gió trong ngành công nghiệp điện tử và công nghệ hiện đại. Một sản phẩm vô cùng nhỏ bé, nhưng lại có vai trò vô cùng quan trọng trong sự phát triển của thế giới công nghệ. Vậy PCB là gì? Hãy cùng LED HD tìm hiểu về loại vật liệu này và những ứng dụng hiện hữu khiến nó trở thành một thành phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại ngày nay nhé! 

PCB là gì?

PCB là viết tắt của (Printed Circuit Board) còn được gọi là bảng mạch in. Nó có nhiều lớp và không thể dẫn điện một mình. Thay vào đó, nó sử dụng đường dẫn và pad để truyền điện. Những đường dẫn này kết nối và truyền tín hiệu giữa các điểm trên bảng mạch in.

Vì vậy, PCB cho phép truyền tín hiệu và nguồn điện giữa các linh kiện như IC, điện trở và cuộn cảm. Để truyền tín hiệu trên PCB, bạn cần hàn để tạo kết nối giữa PCB và các linh kiện điện tử. Chất hàn cũng giúp liên kết các linh kiện với bảng mạch in để tránh rơi rớt.

Lịch sử hình thành và phát triển của PCB

Mạch in PCB là tên phổ biến dùng ngày nay. Trước đây, nó được gọi là “Printed Wiring Boards” và “Printed Wiring Cards“. Trước khi có PCB, mạch điện được làm bằng cách nối dây điểm-điểm, tức là nối dây từng điểm một, công việc khá phức tạp và khó xử lý khi gặp sự cố. Loại mạch cũ này thường bị hỏng ở chỗ nối dây hoặc đoản mạch khi dây cách điện bị hư hỏng.

Sau đó có sự phát triển thành dây quấn, khi mỗi điểm nối được bao bọc bởi một dây quấn nhỏ giúp tạo ra kết nối mạnh mẽ và dễ thay thế. 

Khi công nghệ điện tử chuyển từ ống chân không và rơ le sang silicon và mạch tích hợp, kích thước và giá thành của linh kiện điện tử giảm. Điều này dẫn đến việc các thiết bị điện tử trở nên phổ biến và phát triển mạnh mẽ. Bạn có thể thấy mạch PCB ở hầu hết các thiết bị trong nhà như điện thoại, tivi, máy tính, máy giặt, tủ lạnh, vv.

PCBA là gì?

PCBA là viết tắt của Printed Circuit Board Assembly, nghĩa là một mạch PCB đã được hoàn thiện. Nói cách khác, khi mạch có đầy đủ các linh kiện điện tử như điện trở, IC, tụ điện hoặc bất kỳ thành phần nào khác và có thể hoạt động được.

PCBA thường trải qua quá trình hàn, có thể được thực hiện thủ công hoặc thông qua công nghệ gắn bề mặt (SMT) và hàn reflow để kết nối linh kiện với mạch in một cách hoàn chỉnh.

Vì vậy, nếu ai đặt câu hỏi về sự khác biệt giữa PCB và PCBA? Bạn có thể dễ dàng trả lời rằng PCB là mạch in chưa được lắp linh kiện và PCBA là mạch in đã được lắp đầy đủ linh kiện và có thể hoạt động.

Thành phần cấu tạo của PCB

PCB (Printed Circuit Board) là một mạch in được tạo thành từ nhiều lớp vật liệu khác nhau nằm chồng lên nhau. Mỗi lớp đóng vai trò riêng, và chúng được kết nối bằng nhiệt hoặc chất kết dính để tạo thành một khối duy nhất. 

Chất Nền FR4 (Epoxit hoặc Phenolic)

Đây là lớp vật liệu cơ bản, thường là sợi thủy tinh, làm chất nền cho PCB. Loại phổ biến nhất là sợi thủy tinh “FR4,” có độ cứng và độ dày tốt. Ví dụ, 1,6mm hoặc 0,8mm cho các mạch Arduino. PCB giá rẻ có thể sử dụng epoxit hoặc phenolics, nhưng chúng thường không bền bằng FR4. 

Lớp Đồng

Đây là lớp đồng mỏng được ép nhiệt và kết dính lên chất nền. PCB có thể có đồng ở cả hai mặt hoặc chỉ một mặt, tùy thuộc vào ứng dụng. Độ dày của đồng có thể thay đổi và được quy định theo trọng lượng. 

Thông thường ở một số nước, lượng đồng trên bề mặt đồng thước sẽ được tính bằng ounce trên foot vuông. Hầu hết các PCB được phủ 1 ounce đồng trên mỗi foot vuông, nhưng một số mạch xử lý công suất cao có thể sử dụng 2 hoặc 3 ounce đồng. Theo công thức này, mỗi ounce trên một foot vuông PCB tương ứng với độ dày khoảng 35 micromet.

Lớp Mặt Nạ Hàn (Solder Mask)

Lớp này đóng vai trò cách ly và tạo màu sắc cho PCB, thường là màu xanh lá cây. Nó cách ly các đường dẫn điện và bảo vệ khỏi hàn ngẫu nhiên. Lớp mặt nạ hàn để lộ pad SMD và các vòng bạc cần hàn.

Nó được phủ lớp đồng để ngăn cách những dây điện không tiếp xúc ngẫu nhiên nhau hoặc các vật liệu kim loại, hàn hoặc các bit dẫn điện khác không gắn vào. Lớp mặt nạ này cũng giúp người sử dụng hàn chính xác ở những vị trí cần thiết và tránh bị lạc hướng khi hàn.

Mặt nạ hàn sẽ che phủ hầu hết các vùng trên bề mặt, nhưng để trống các vòng bạc và miếng pad SMD để người dùng có thể hàn linh kiện vào những vị trí này.

Lớp Mực In (Silkscreen)

Lớp Silkscreen, hay lớp mực in, là lớp cuối cùng được đặt lên PCB sau khi hoàn thành các bước trước đó. Lớp này thường có chứa chữ cái, số và ký hiệu để giúp người dùng lắp ráp linh kiện dễ dàng hơn. Nó cũng giúp người dùng biết được nơi nào cần gắn linh kiện nào và giá trị của nó là bao nhiêu.

Màu chủ đạo của lớp Silkscreen là trắng, nhưng cũng có thể dùng bất kỳ màu mực nào tuỳ thuộc vào cách phối màu với lớp Solder Mask để tạo sự nổi bật và dễ nhìn. Lớp mực in này có thể được sử dụng với màu đen, xám, đỏ và thậm chí vàng. Tuy nhiên, thường chỉ sử dụng một màu duy nhất trên một bảng PCB để tránh gây nhầm lẫn cho người dùng.

Các loại PCB phổ biến

PCB một lớp

Loại PCB này đơn giản và được sử dụng nhiều vì dễ thiết kế và chế tạo. Mặt của PCB được phủ một lớp vật liệu dẫn điện bất kỳ. Đồng thường được dùng làm vật liệu dẫn điện cho PCB, vì đồng dẫn điện tốt. Một lớp hàn phủ lên bảng mạch để bảo vệ chống oxi hóa và một lớp in lụa đánh dấu các linh kiện trên đó. 

PCB một lớp chỉ được dùng để kết nối linh kiện điện tử như điện trở, tụ điện, cuộn cảm… PCB một lớp dùng trong các ứng dụng chế tạo giá rẻ và số lượng lớn như máy tính, radio, máy in và ổ cứng.

PCB hai lớp

PCB hai lớp còn được gọi là PCB hai mặt. Như tên gọi của nó, trong loại bảng mạch in này, có một lớp mỏng chất liệu dẫn điện như đồng ở cả hai mặt trên và dưới của bo mạch. 

Loại này linh hoạt hơn, giá thành thấp hơn, và ưu điểm quan trọng nhất là giảm kích thước, làm cho mạch nhỏ gọn hơn. Loại PCB này thường được sử dụng trong ngành công nghiệp điều khiển, bộ chuyển đổi, hệ thống UPS, ứng dụng HVAC, Điện thoại, Bộ khuếch đại và Hệ thống giám sát nguồn.

PCB nhiều lớp

PCB đa lớp là một loại PCB có nhiều hơn hai lớp. Điều này có nghĩa là loại PCB này có ít nhất ba lớp dẫn điện bằng đồng. Lớp keo dán bảng được đặt giữa các lớp cách nhiệt để đảm bảo nhiệt sinh ra không gây hỏng linh kiện nào trong mạch. 

Loại này rất phức tạp và thường được dùng trong các ứng dụng yêu cầu mạch điện nhỏ gọn và không gian hẹp. Ví dụ như công nghệ GPS, hệ thống vệ tinh, thiết bị y tế, máy chủ tập tin và lưu trữ dữ liệu.

PCB dẻo

PCB dẻo còn được gọi là mạch Flex, loại này dùng chất liệu dẻo như polymide, PEEK hoặc màng polyester dẫn điện trong suốt. Bảng mạch thường được gấp hoặc xoắn. Đây là loại PCB phức tạp và nó cũng có các lớp khác nhau như mạch flex một mặt, mạch flex hai mặt và mạch flex nhiều mặt. 

Mạch Flex được dùng trong đèn LED hữu cơ, làm LCD, pin năng lượng mặt trời linh hoạt, các công nghiệp ô tô, điện thoại di động, máy ảnh và các thiết bị điện tử phức tạp như máy tính xách tay.

PCB cứng

PCB cứng được làm bằng vật liệu cứng, nên không thể uốn cong được. PCB cứng giống như PCB dẻo, có các lớp khác nhau như một lớp, hai lớp và nhiều lớp. 

Loại PCB này có tuổi thọ rất cao, nên được sử dụng trong nhiều bộ phận của máy tính như RAM, GPU và CPU. PCB cứng đơn giản trong thiết kế và sản xuất. PCB cứng nhiều lớp có thể nhỏ gọn hơn bằng cách có 9-10 lớp.

PCB dẻo – cứng

PCB dẻo – cứng kết hợp sự linh hoạt của PCB dẻo và tính cứng của PCB cứng. Nó có thể được uốn cong và có khả năng chống sốc, đồng thời cung cấp độ ổn định và hiệu suất tương đương với PCB cứng. Nó được dùng trong điện thoại, máy ảnh số và ô tô…

Vật liệu chế tạo PCB

FR4

FR là từ viết tắt của Fire Retardent. Trong các loại PCB sản xuất, vật liệu FR4 là phổ biến nhất. FR4 là vật liệu tổng hợp được làm từ epoxy-thủy tinh và nó được sử dụng rộng rãi vì có độ bền cơ học tốt.

FR-1 và FR-2

Cả FR-1 và FR-2 đều được làm từ giấy và hợp chất phenol, chỉ dùng cho PCB một lớp. Hai loại vật liệu này có những đặc điểm tương tự nhau, chỉ khác nhau ở nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh. FR-1 có nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh cao hơn so với FR-2. Cả hai loại vật liệu này được chia thành tiêu chuẩn, không chứa halogen và không kỵ nước.

CEM-1

CEM-1 là vật liệu làm từ giấy và hai lớp epoxy-thủy tinh và hợp chất phenol, chỉ dùng cho PCB một mặt. CEM-1 có thể sử dụng thay cho FR4, nhưng giá thành cao hơn FR4.

CEM-3

CEM-3 là vật liệu epoxy-thủy tinh màu trắng chủ yếu được sử dụng trong PCB hai lớp. CEM-3 có độ bền thấp hơn FR4, nhưng giá thành thấp hơn FR4. Vì vậy, đây là lựa chọn tốt để thay thế FR4.

Polyimide

Polyimide được sử dụng trong PCB dẻo, làm từ kepton, rogers, dupont. Vật liệu này có tính chất điện tốt, phạm vi nhiệt độ rộng và kháng hóa chất cao. Nhiệt độ làm việc của vật liệu này là -200 ͦC đến 300 ͦC.

Prepreg

Prepreg có nghĩa là được ngâm trước. Nó là sợi thủy tinh được ngâm trong nhựa. Nhựa này sẽ khô, và khi đun nóng, sẽ chảy và dính chặt. Prepreg có lớp kết dính có sức mạnh tương tự như FR4. 

Có nhiều loại prepreg với hàm lượng nhựa khác nhau, bao gồm nhựa tiêu chuẩn SR, nhựa trung bình MR và nhựa cao HR. Lựa chọn từng loại tùy thuộc vào yêu cầu về độ dày, cấu trúc lớp và trở kháng. Vật liệu này cũng có nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh cao và không chứa halogen.

Phần mềm thiết kế mạch PCB phổ biến

Eagle

EAGLE (Easy Applicable Graphical Layout Editor) là một phần mềm thiết kế mạch PCB phổ biến và mạnh mẽ. Nó được phát triển bởi CadSoft Computer và hiện nay đang được Autodesk làm việc để phát triển tiếp phần mềm này.

Với giao diện trực quan và các tính năng nâng cao, Eagle cho phép người dùng thiết kế và tạo ra các bản vẽ mạch in chuyên nghiệp.

EasyEDA

EasyEDA là một phần mềm dùng để thiết kế và mô phỏng mạch. Phần mềm này có thể vẽ sơ đồ mạch, mô phỏng mạch SPICE, và có tích hợp Ngspice và PCB. Điểm mạnh quan trọng nhất của phần mềm này là nó hoạt động trên trình duyệt web. Vì vậy, nó không cần hệ điều hành.

Altium Designer

Phần mềm này được tạo ra bởi công ty phần mềm Altium Limited đến từ Úc. Nó có những chức năng chính như vẽ sơ đồ, thiết kế PCB 3D, lập trình FPGA và quản lý dữ liệu. Đây là phần mềm đầu tiên có khả năng hiển thị 3D và kiểm tra PCB ngay từ trong trình soạn thảo PCB.

Multisim

Multisim là một phần mềm rất mạnh mẽ và dễ sử dụng. Ban đầu, nó được phát triển bởi Điện tử Workbench và hiện nay là một phần của National Instruments (NI). Multisim bao gồm thư viện mô phỏng vi điều khiển (MultiMCU) và tính năng xuất nhập được tích hợp vào phần mềm vẽ mạch PCB. Phần mềm này được sử dụng rất phổ biến trong học tập và công nghiệp để đào tạo về mạch.

KiCad

Phần mềm này do Jean-Pierre Charras phát triển. Nó có các công cụ để tạo Bảng vật tư (Bill of Material), minh họa hình ảnh và chế độ xem 3D của bo mạch điện cũng như tất cả các linh kiện được sử dụng trong bo mạch. Nó cung cấp nhiều linh kiện sẵn có trong thư viện và cho phép người dùng thêm linh kiện tùy chỉnh. Phần mềm này hỗ trợ nhiều ngôn ngữ.

CircuitMaker

Phần mềm này cũng do công ty Altium phát triển. Trình soạn thảo bao gồm các vị trí thành phần cơ bản và phần mềm này được sử dụng để thiết kế các sơ đồ mạch có nhiều kênh và phân cấp tiên tiến. Tất cả các sơ đồ mạch đều được lưu trữ trên máy chủ và tập tin này có thể được truy cập bởi bất kỳ ai, miễn là bạn có một tài khoản CircuitMaker.

Thuật ngữ thường gặp trong thiết kế và sản xuất mạch PCB

• Vòng khuyên (Annular ring): Là những vòng đồng được mạ xung quanh một lỗ nằm trong PCB. 
• DRC (Design Rule Check): Kiểm tra quy tắc thiết kế. Quá trình kiểm tra bằng phần mềm sau khi thiết kế xong bo mạch trên file để đảm bảo rằng thiết kế không có lỗi như việc chạm, hở, đi dây không chính xác, vết quá mỏng hoặc lỗ khoan quá nhỏ. 
• Lỗ khan (Drill): Là lỗ khoan trên bề mặt PCB đóng vai trò là nơi bắt vít hoặc định vị connector. Lỗi thường thấy ở các lỗ khoan là do mũi khoan không chính xác gây ra bởi các mũi khoan bị mòn là một vấn đề sản xuất phổ biến. 
• Finger: Là những miếng kim loại tiếp xúc dọc theo cạnh của mạch in, được sử dụng để tạo kết nối giữa hai bảng mạch, đặc biệt trong trường hợp khe cắm thẻ ram của máy tính hoặc các thiết bị như băng game thời xưa.
• Panel: Là một bảng mạch lớn hơn bao gồm nhiều PCB nhỏ nằm bên trong. Thường được tạo ra từ máy làm bo mạch sau đó bằng cách sử dụng Mouse Bites hoặc V-Score để tách những bản con ra và tiếp tục sử dụng. Panel thường thấy trong các quy trình sản xuất hàng loạt PCB. 
• Chuột cắn (Mouse bites): Là một giải pháp thay thế cho V-Score để tách các mạch in ra khỏi bảng lớn (Panel). Đây là tập hợp một số mũi khoan nằm gần nhau nhằm tạo ra một điểm yếu để bạn có thể tác dụng một lực nhẹ cũng có thể tách được PCB ra khỏi Panel mà không sợ hư hỏng hoặc gãy mạch. 
• Silkscreen: Các chữ cái, số, ký hiệu và hình ảnh trên bảng mạch. Thường chỉ có một màu và độ phân giải thường khá thấp. 
• Khe cắm (Slot): Là các lỗ không tròn trên bảng. Các khe cắm có thể được mạ hoặc không, và chúng đôi khi làm tăng chi phí sản xuất PCB vì đòi hỏi thời gian cắt. 
• Kem hàn (Solder paste): Là tinh thể thiếc hoặc chì hàn được tạo thành dưới dạng kem lỏng. Nó được gắn lên các miếng gắn bề mặt trên bảng mạch in trước khi đặt linh kiện. Sau khi quét lên PCB, kem hàn sẽ nung chảy trong lò hàn để tạo ra các khớp nối điện và cơ học giữa các miếng pad và linh kiện. 
• Gắp và đặt (Pick-and-place): Là một loại máy thường thấy trong các quy trình sản xuất bo mạch SMT tự động. Với độ chính xác của máy gắp đặt linh kiện, các linh kiện được đặt lên đúng vị trí được lập trình trên mạch PCB. 
• Tấm đệm (Pad): Là phần tiếp xúc kim loại trên bề mặt của PCB, nơi mà linh kiện sẽ được hàn.

• Bể hàn nhúng (Solder pot): Thiết bị này được dùng để hàn các bo mạch bằng tay với các thành phần có lỗ. Bể hàn nhúng chứa chì hàn được nung nóng chảy, sau đó PCB được nhúng vào chì, tạo ra các mối hàn trên các pad. 
• Mặt nạ hàn (Soldermask): Đây là lớp vật liệu bảo vệ phủ lên kim loại để ngăn ngừa đoản mạch, ăn mòn và các vấn đề khác. Thường có màu xanh lá cây, nhưng cũng có thể có màu khác. 
• Cầu nối hàn (Solder jumper): Là mối hàn nhỏ trên PCB có công dụng tách hoặc nối các trade/pad với nhau. Cần cẩn thận khi sử dụng để tránh ngắn mạch nếu không thực hiện đúng kỹ thuật.
• Gắn bề mặt (Surface mount): Thường được sử dụng với các linh kiện SMD và là công nghệ rất phổ biến hiện nay. 
• Trace: Là những đường dẫn trên mạch PCB nối từ điểm này đến điểm kia. 
• V-score: Là một đường cắt qua bảng, cho phép dễ dàng cắt bảng theo một đường thẳng để tách bảng ra khỏi panel. 
• Via: Là một lỗ trên bảng dùng để truyền tín hiệu từ lớp này sang lớp khác. Lỗ via có thể được bao phủ bởi chất hàn để bảo vệ chúng khỏi bị hàn vào. Các đầu nối và linh kiện thường không được phủ lớp hàn để dễ dàng gắn vào. 
• Hàn sóng (Wave solder): Phương pháp hàn được sử dụng trên bo mạch có các linh kiện xuyên lỗ. PCB được đưa vào nồi chứa chì hàn nóng chảy, dưới tác động của bơm tạo thành sóng chì hàn dội vào PCB, gắn kết các pad và dây dẫn linh kiện. Phương pháp này thường sử dụng trong sản xuất bo mạch.

Ngoài ra, còn nhiều thuật ngữ khác như điện trở, tụ điện, chip, linh kiện bề mặt và nhiều thuật ngữ khác nữa được sử dụng trong việc thiết kế và sản xuất mạch PCB.

Lời kết

LED HD hi vọng qua bài viết này, bạn đã có một cái nhìn sâu sắc hơn về PCB và tầm quan trọng của nó trong ngành công nghiệp điện tử hiện đại. PCB không chỉ là một thành phần cơ bản quan trọng trong các thiết bị điện tử, mà còn đóng vai trò không thể thay thế trong việc phát triển công nghệ và tạo ra những sản phẩm tiên tiến.