Mạch pcb là gì
PCB (viết tắt của Printed Circuit Board) là một bảng mạch in nhiều lớp và không dẫn điện, trong đó tất cả các linh kiện điện tử được kết nối với nhau trên bảng mạch và có đế đỡ phía dưới. Khi chưa có PCB các linh kiện được nối với nhau bằng dây dẫn làm tăng độ phức tạp và độ tin cậy không cao, vì thế không thể tạo ra một mạch lớn như bo mạch chủ. Trong PCB, tất cả các linh kiện được kết nối không dây và được nối bên trong, do đó nó sẽ làm giảm độ phức tạp của thiết kế mạch tổng thể. PCB được sử dụng để cung cấp điện và kết nối giữa các linh kiện. PCB có thể tùy chỉnh bất kỳ thông số kỹ thuật nào theo yêu cầu của người dùng. Bạn có thể gặp PCB trong nhiều thiết bị điện tử như: TV, điện thoại di động, máy ảnh kỹ thuật số, các bộ phận máy tính như: Card đồ họa, Bo mạch chủ… Nó cũng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như: Thiết bị y tế, máy móc công nghiệp, ngành công nghiệp ô tô, chiếu sáng…
Các loại PCB
Có một số loại PCB được sử dụng để làm mạch. Trong số các loại PCB này, tùy theo ứng dụng mà chọn loại PCB phù hợp.
PCB một lớp
PCB hai lớp
PCB đa lớp
PCB dẻo (flexible PCB)
PCB đáy nhôm (aluminium backed PCB)
PCB dẻo – cứng (flex-rigid PCB)
1. PCB một lớp
PCB một lớp còn được gọi là PCB một mặt. Loại PCB này đơn giản và được sử dụng nhiều nhất vì dễ thiết kế và chế tạo. Một mặt của PCB được phủ một lớp vật liệu dẫn điện bất kỳ. Đồng thường được sử dụng làm vật liệu dẫn điện cho PCB, vì đồng có đặc tính dẫn điện rất tốt. Một lớp hàn phủ lên trên để bảo vệ PCB chống lại quá trình oxy hóa tiếp theo là lớp in lụa để đánh dấu tất cả các linh kiện trên PCB. Trong loại PCB này, chỉ một mặt được sử dụng để kết nối các loại linh kiện điện tử khác nhau như điện trở, tụ điện, cuộn cảm… Các linh kiện này được hàn dính. PCB một lớp được sử dụng trong các ứng dụng cần sản xuất với chi phí thấp và số lượng lớn như máy tính, radio, máy in và ổ cứng điện tử.
2. PCB hai lớp
PCB hai lớp còn được gọi là PCB hai mặt. Như tên gọi của nó, trong loại PCB này, một lớp vật liệu dẫn điện mỏng ví dụ như đồng nằm ở cả hai mặt trên và dưới của bo mạch. Loại này linh hoạt hơn, chi phí tương đối thấp hơn, và lợi thế quan trọng nhất là kích thước giảm làm cho mạch nhỏ gọn. Loại PCB này chủ yếu được sử dụng trong điều khiển công nghiệp, bộ chuyển đổi, hệ thống UPS, ứng dụng HVAC, Điện thoại, Bộ khuếch đại và Hệ thống giám sát nguồn.
3. PCB nhiều lớp
PCB đa lớp có nhiều hơn hai lớp. Có nghĩa là loại PCB này có ít nhất ba lớp dẫn điện bằng đồng. Lớp keo dán bảng được kẹp giữa các lớp cách nhiệt để đảm bảo nhiệt sinh ra sẽ không làm hỏng bất kỳ linh kiện nào của mạch. Loại PCB này rất phức tạp nên thường được sử dụng trong các ứng dụng phức tạp với mạch điện nhỏ gọn và không gian hẹp. Loại PCB này được sử dụng trong các ứng dụng như công nghệ GPS, hệ thống vệ tinh, thiết bị y tế, máy chủ tập tin và lưu trữ dữ liệu.
4. PCB dẻo
PCB dẻo còn được gọi là mạch Flex. Loại PCB này sử dụng vật liệu dẻo như polymide, PEEK (polyether ether ketone) hoặc màng polyester dẫn điện trong suốt. Bảng mạch thường được gấp hoặc xoắn. Đây là loại PCB rất phức tạp và nó cũng chứa các lớp khác nhau như mạch flex một mặt, mạch flex hai mặt và mạch flex nhiều mặt. Mạch Flex được sử dụng trong diode phát sáng hữu cơ, chế tạo LCD, pin mặt trời flex, các ngành công nghiệp ô tô, điện thoại di động, máy ảnh và các thiết bị điện tử phức tạp như máy tính xách tay.
5. PCB cứng
PCB cứng được làm từ vật liệu rắn nên PCB không xoắn được. Tương tự như PCB dẻo, PCB cứng cũng có số lớp khác nhau như một lớp, hai lớp và nhiều lớp. PCB này không thể uốn cong, đó là lý do tại sao PCB này được gọi là PCB cứng. Tuổi thọ của loại PCB này rất cao, do đó nó được sử dụng trong nhiều bộ phận của máy tính như RAM, GPU và CPU. Thiết kế đơn và được sử dụng cũng như sản xuất nhiều nhất là PCB cứng một mặt. PCB cứng nhiều lớp có thể nhỏ gọn hơn bằng cách chứa 9-10 lớp.
6. PCB dẻo – cứng
Là sự kết hợp của PCB dẻo và PCB cứng, gồm các lớp của PCB dẻo gắn với nhiều lớp của PCB cứng. Nó được sử dụng trong điện thoại di động, máy ảnh kỹ thuật số và ô tô…
Phân loại PCB theo hệ thống lắp ghép (mouting system) có PCB xuyên lỗ (through-hole PCB) và PCB gắn bề mặt (surface-mounted PCB)
1. PCB xuyên lỗ
Trong loại PCB này, chúng ta phải tạo lỗ bằng cách khoan trên PCB. Trong các lỗ này, các dây dẫn của các linh kiện được gắn và hàn vào các miếng đệm nằm ở phía đối diện của PCB. Công nghệ này rất hữu ích vì nó hỗ trợ cơ học nhiều hơn cho các linh kiện điện tử và là công nghệ đáng tin cậy để gắn các linh kiện, nhưng việc khoan trong PCB làm cho chi phí tăng lên. Với PCB một lớp, công nghệ lắp đặt này rất dễ thực hiện, nhưng với loại PCB 2 lớp và nhiều lớp thì khó hơn.
2. PCB gắn bề mặt
Trong loại PCB này, các linh kiện có kích thước nhỏ vì chân của nó rất bé hoặc không cần chân để lắp trên bảng. Các linh kiện SMD được gắn trực tiếp lên bề mặt của bảng và không yêu cầu phải tạo lỗ trên bo mạch. (Xem thêm linh kiện SMD tại đây: Linh kiện dán SMD)
Vật liệu làm PCB
Thành phần chính là tấm điện môi cứng hoặc dẻo. Tấm này được sử dụng với vật liệu dẫn điện như đồng nằm ở trên. Tấm điện môi là các lớp phủ epoxy thủy tinh hoặc vật liệu composite.
1. FR4
FR là viết tắt của Fire Retardent. Trong các loại PCB được sản xuất thì vật liệu bọc thủy tinh phổ biến nhất là FR4. Dựa trên các hợp chất epoxy-thủy tinh, FR4 là vật liệu tổng hợp được sử dụng nhiều nhất vì nó cung cấp độ bền cơ học rất tốt.
2. FR-1 và FR-2
Vật liệu này được làm từ giấy và các hợp chất phenol và chỉ được sử dụng cho PCB một lớp. Cả FR1 và FR2 đều có đặc điểm tương tự, khác biệt duy nhất là nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh (glass transition temperature). FR1 có nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh cao hơn so với FR2. Những vật liệu này cũng được phân chia làm loại tiêu chuẩn, loại không chứa halogen và loại không kỵ nước.
3. CEM-1
Vật liệu này được làm từ giấy và hai lớp dệt epoxy thủy tinh và các hợp chất phenol và vật liệu này chỉ được sử dụng cho PCB một mặt. CEM-1 có thể được sử dụng thay cho FR4, nhưng giá của CEM1 cao hơn FR4.
4. CEM-3
Vật liệu này là hợp chất epoxy thủy tinh có màu trắng chủ yếu được sử dụng trong PCB hai lớp. CEM-3 có độ bền thấp hơn so với FR4, nhưng nó rẻ hơn FR4. Vì vậy, đây là một lựa chọn tốt để thay thế cho FR4.
5. Polyimide
Vật liệu này được sử dụng trong PCB dẻo, được 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.
6. Prepreg
Prepreg có nghĩa là được ngâm tẩm trước. Nó là một sợi thủy tinh ngâm tẩm với nhựa. Nhựa này được sấy khô, để khi đun nóng, nó chảy và dính. Prepreg có lớp kết dính có sức mạnh tương tự như FR4. Có nhiều loại theo hàm lượng nhựa, nhựa tiêu chuẩn SR, nhựa trung bình MR và nhựa cao HR. Lựa chọn mỗi loại tùy theo 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.
Các phần mềm thiết kế mạch PCB
Dưới đây là một số phần mềm thiết kế PCB phổ biến nhất.
Eagle:
EAGLE là phần mềm phổ biến nhất và dễ nhất để thiết kế PCB. EAGLE là viết tắt của Easy Applicable Graphical Layout Editor được phát triển bởi CadSoft Computer và hiện tại Autodesk là nhà phát triển phần mềm này.
Multisim:
Multisim cũng là phần mềm rất mạnh mẽ và đơn giản. Ban đầu nó được phát triển bởi Điện tử Workbench và bây giờ nó là một bộ phận của National Instruments (NI). Nó bao gồm mô phỏng vi điều khiển (MultiMCU) và các tính năng xuất nhập tích hợp vào phần mềm vẽ mạch PCB. Phần mềm này được sử dụng rộng rãi trong học tập và trong công nghiệp để đào tạo về mạch.
EasyEDA:
EasyEDA là một phần mềm được sử dụng để thiết kế và mô phỏng mạch. Phần mềm này là một công cụ tích hợp để ghi lại sơ đồ mạch, mô phỏng mạch SPICE, dựa trên bố cục Ngspice và PCB. Lợi thế quan trọng nhất của phần mềm này là phần mềm dựa trên nền web và được sử dụng trong cửa sổ trình duyệt. Vì vậy, phần mềm này độc lập với hệ điều hành.
Altium Designer:
Phần mềm này được phát triển bởi công ty phần mềm Úc Altium Limited. Các tính năng chính của phần mềm này là sơ đồ chụp, thiết kế 3D PCB, phát triển FPGA và phát hành / quản lý dữ liệu. Đây là phần mềm đầu tiên có trực quan 3D và kiểm tra PCB trực tiếp từ trình soạn thảo PCB.
KiCad:
Phần mềm này được phát triển bởi jean-pierre charras. Phần mềm này có các công cụ có thể tạo BoM (Bill of Material), ảnh minh họa và chế độ xem 3D của PCB cũng như tất cả các thành phần được sử dụng trong mạch. Nhiều thành phần có sẵn trong thư viện của phần mềm này và có tính năng mà người dùng có thể thêm các thành phần tùy chỉnh. Phần mềm này hỗ trợ nhiều ngôn ngữ.
CircuitMaker:
Phần mềm này cũng được phát triển bởi Altium. Trình soạn thảo bao gồm vị trí thành phần cơ bản và phần mềm này được sử dụng để thiết kế sơ đồ mạch đa kênh và phân cấp tiên tiến. Tất cả các sơ đồ mạch được tải lên máy chủ và những tập tin này có sẵn để ai cũng xem được, miễn là bạn có một tài khoản CircuitMaker.
