PCB là gì? Những thuật ngữ cơ bản về mạch in

PCB là gì?

PCB là viết tắt của (Printed Circuit Board) hay còn gọi là bảng mạch in. PCB sẽ có nhiều lớp, bản thân nó không có khả năng dẫn điện mà phải dựa vào những đường dẫn và các điểm pad trên bề mặt. Các đường dẫn này sẽ đóng vài trò kết nối và truyền tín hiệu điện giữa các điểm nằm ở những vị trí khác nhau trên PCB lại với nhau    

Như vậy, dựa vào các đường dẫn PCB sẽ cho phép truyền tín hiệu và nguồn điện giữa các thiết bị vật lý được gắn trên bề mặt của chúng (như ic, điện trở, cuộn cảm...). Để truyền được tín hiệu trên PCB, bạn phải thực hiện quá trình hàn để tạo kết nối điện giữa PCB và các linh kiện điện tử. Ngoài nhiệm vụ dấn điện, chất hàn cũng đóng vai trò như một chất kết dính giúp linh kiện không bị rơi khỏi mạch    

Tóm lại, PCB nguyên bản sẽ có hình ảnh như bên dưới, các đường mạch không cố định và do người dùng tự thiết kế theo nhu cầu sử dụng của mình. PCB là một bảng đơn thuần không chưa bất kỳ linh kiện này    

   

Lịch sử ra đời của PCB

Mạch in PCB là tên gọi được sử dụng phổ biến ngày này, trước đó nó còn được gọi với hai cái tên khác là "Printed Wiring Boards" và "Printed Wiring Cards".

Trước khi PCB ra đời, các mạch điện ngày xưa được xây dựng bằng phương pháp nối dây điểm-điểm tốn rất nhiều công sức, rối mắt và đặc biệt rất khó xử lý nếu gặp trục trặc (bạn có thể tham khảo hình bên dưới). Loại mạch cũ này thường xuyên hỏng hóc ở các chỗ nối dây và đoản mạch khi các lớp cách điện của dây bị lão hóa hoặc nứt

       

Một tiến bộ đáng kể khác sau giai đoạn này đó là sự phát triển của dây quấn, lúc này một dây quấn khổ nhỏ được quấn quanh trụ tại mỗi điểm kết nối giúp tạo ra một kết nối kín khí, có độ bền cao và thay thế dễ dàng hơn    

Khi thiết bị điện tử chuyển từ dùng ống chân không và rơ le sang silicon và mạch tích hợp, kích thước và giá thành của linh kiện điện tử bắt đầu giảm. Lúc này, điện tử trở nên phổ biến hơn, đánh dấu bắt đầu thời kỳ phát triển mạnh mẽ của các sản phẩm điện tử đến tận ngày nay    

Bạn có thể bắt gặp mạch PCB ở hầu hết mọi nơi như điện thoại, ti vi, máy tính, máy giặt, tủ lạnh... hầu như mọi thiết bị điện tử trong gia đình

PCBA là gì?

Một khái niệm khá cơ bản tiếp theo mà đôi khi các bạn cũng quên đó là PCBA. PCBA viết tắt của Printed Circuit Board Assembly, khái niệm này dùng để chỉ những mạch PCB đã hoàn thiện. Nói cách khác là khi mạch được gắn đầy đủ các linh kiện điện tử lên bề mặt như điện trở, IC, tụ điện hoặc bất kỳ thành phần nào khác và có thể thực hiện được chức năng của nó    

PCBA thường đã trải qua quá trình hàn, có thể được làm thủ công hoặc qua công nghệ gắn bề mặt (SMT) và hàn reflow để tạo kết nối hoàn thiện giữa linh kiện và mạch in    

Như vậy, nếu ai hỏi bạn điểm khác biệt giữa PCB và PCBA là gì? Thì bạn có thể dễ dàng trả lời PCB là mạch in chưa được lắp linh kiện và PCBA là mạch đã được lắp linh kiện hoàn chỉnh và có thể hoạt động

   

Nếu bạn là một người vừa làm quen với lĩnh vực này, có lẽ bạn nên xem thêm bài viết rất chi tiết về việc hướng dẫn hàn linh kiện cũng như những loại mỏ hàn chì tốt nhất của Lidinco

Các thành phần cấu tạo nên PCB?

Như đã đề cập ở phần khái niệm, PCB là một mạch in được cấu thành bởi nhiều lớp vật liệu khác nhau nằm xem kẽ nhau. Mỗi lớp sẽ đảm nhiệm một vai trò riêng, được kết nối với nhau 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 nhất có thể được xem là chất nền cho PCB, thường là sợi thủy tinh. Trong lịch sử phát triển, loại vật liệu phổ biến nhất cho chất nền này là sợi thủy tinh "FR4". FR4 sẽ giúp PCB độ cứng và độ dày tốt khó bị gãy, nứt. Ngoài ra, còn có các PCB dẻo được thiết kế dựa trên tấm nền là nhựa dẻo nhiệt độ cao (có thể là Kapton hoặc loại tương đương)

PCB sẽ có độ dày khác nhau tùy theo số lớp của mạch in, một số độ dày phổ biến là 1,6mm (0,063 ") hoặc độ dày 0,8 mm cho các mạch adruino

PCB và bo mạch giá rẻ thường được làm bằng các vật liệu khác như epoxit hoặc phenolics. Chúng sẽ không có độ bền bằng FR4 nhưng chi phí sẽ được giảm đi khá nhiều nếu làm bằng những vật liệu này. Bạn có thể nhận biết những loại PCB giá rẻ này khi bạn trực tiếp hàn chúng, thường có mùi hôi rất khó chịu.

Những loại chất nền rẻ này thường được tìm thấy trong các thiết bị điện tử tiêu dùng giá rẻ từ Trung Quốc đó là lí do vì sao một số thiết bị điện tử gia dụng từ Trung Quốc lại rẻ đến thế. Chất nền phenol có nhiệt độ phân hủy nhiệt thấp khiến chúng bị tách lớp, bốc khói và bị cháy đen khi mỏ hàn được giữ quá lâu trên mạch in

Lớp Đồng

Lớp tiếp theo của mạch in PCB là một lá đồng mỏng, được ép lên bằng nhiệt và chất kết dính. Trên các tấm PCB 2 mặt thông thường, đồng được phủ lên cả hai mặt của chất nền. Trong các thiết bị điện tử chi phí thấp hơn, PCB có thể chỉ có đồng ở một mặt. Khi ai đó đề cập đến bảng mạch hai mặt hoặc 2 lớp thường đồng nghĩa với việc họ đang đề cập đến số lớp đồng cấu tạo nên PCB (2).

Cách tính số lượng này đồng nghĩa với việc một mạch PCB có thể có tối thiểu 1 lớp đồng (đối với mạch 1 lớp) hoặc 16 lớp đồng (đối với mạch 16 lớp) hoặc nhiều hơn nữa

Độ dày của đồng có thể thay đổi và được quy định theo trọng lượng, thông thường ở một số nước lượng đồng phủ trên bề mặt sẽ được tính bằng ounce trên foot vuông. Phần lớn PCB sẽ được phủ 1oz đồng trên mỗi foot vuông nhưng một số PCB xử lý công suất rất cao có thể sử dụng 2 hoặc 3oz đồng.

Theo công thức này, cứ mỗi oz trên một feet vuông PCB tương ứng sẽ có độ dày khoảng 35 micromet

Lớp Solder Mask (Mặt nạ hàn)

Lớp trên cùng của lá đồng được gọi là lớp mặt nạ hàn. Đây là lớp đóng vai trò tạo nên màu sắc đặc trưng cho mạch in thường là màu xanh lá cây (đôi khi sẽ có những màu sắc khác như xanh dương, đỏ, tím, trắng tùy vào nhà sản xuất).

Nó được phủ lên lớp đồng với nhiệm vụ cách ly các đường dẫn điện không tiếp xúc ngẫu nhiên nhau hoặc các kim loại, vật hàn hoặc các bit dẫn điện khác ở ngoài bám vào. Ngoài ra, lớp mặt nạ này cũng giúp người sử dụng hàn vào chính xác những vị trí và tránh bị nhảy mối hàn. 

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

Lớp Silkscreen

Lớp Silksreen hay còn gọi là lớp mực in, đây là lớp cuối cùng được phủ lên PCB sau khi các bước trên đã được hoàn thiện. Lớp này thường thêm các chữ cái, số và ký hiệu vào PCB giúp người dùng có thể lắp ráp linh kiện vào dễ dàng hơn, nói cách khác nó sẽ ký hiệu ở từng nơi xem cần gắn loại linh kiện nào, giá trị là bao nhiêu cho phù hợp

Silkscreen phổ biến nhất là màu trắng nhưng cũng có thể sử dụng bất kỳ màu mực nào tùy vào cách phối màu với Solder Mask sao cho nổi bật, dễ nhìn. Lớp mực in này có thể có màu đen, xám, đỏ, và thậm chí vàng. Tuy nhiên, bạn sẽ hiếm khi thấy nhiều hơn một màu trên một bảng vì có thể gây rối mắt người sử dụng

Một số thuật ngữ thường dùng trong mạch PCB

Sau khi đã tìm hiểu được những khái niệm cơ bản nhất về PCB, chắc hẵn bạn cũng nên tìm hiểu thêm một chút về những thuật ngữ thường được sử dụng xung quanh PCB, để có gì người ta có nói còn biết chứ  

- 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. Đây là quá trình kiểm tra bằng phần mềm sau khi thiết kế xong board mạch trên file để đảm bảo 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) - 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, đây được xem là một dạng tấm pad đặc biệt. Ví dụ phổ biến là khe cắm thẻ ram của máy tính hoặc trên các băng game thời xua.    

- Panel - một bảng mạch lớn hơn bao gồm nhiều PCB nhỏ nằm bên trong, thông thường những bảng lớn này sẽ được tạo ra từ những máy làm boarch mạch sau đó bằng những Mouse Bites hoặc V-Scope ta có thể 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) - một giải pháp thay thế cho V-Scope 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, gãy mạch (như đồ chơi xếp hình ngày xưa)    

   

- Tấm đệm (Pad ) - là phần tiếp xúc kim loại trên bề mặt của PCB, đây là nơi mà linh kiện sẽ được hàn vào.    

- Paste stencil - có thể là một loại giấy nến mỏng, bằng kim loại (hoặc đôi khi bằng nhựa) được thiết kế theo các đường dẫn của PCB nhiệm vụ của nó là cố định kem hàn nằm đúng như vị trí đã thiết kế. Khi đặt stencil lên bề mặt PCB, bạn chỉ cần quét kem hàn lên, lúc này kem hàn sẽ nằm đúng vị trí mà bạn muốn hàn    

   

- Mặt phẳng (Plane) - một khối đồng liên tục trên bảng mạch, xác định bằng đường viền chứ không phải bằng đường dẫn (trace).    

- Mạ xuyên lỗ (Plated through hole) - một lỗ trên bảng được phủ một lớp mạ từ mặt này sang mặt kia của PCB. Lỗ mạ này có thể là điểm kết nối cho linh kiện xuyên lỗ thông qua để truyền tín hiệu    

   

- Pogo pin - là một công cụ có gắn lò xo, được sử dụng để kiểm tra các điểm pad trên bề mặt PCB xem có đúng như thiết kế và có ăn điện hay chưa. Có thể dùng kiểm tra thủ công thông qua fixture hoặc qua máy để kiểm tra tự động