Mạch PCB Là Gì? Cấu Tạo, Ứng Dụng & Nguyên Lý Hoạt Động

PCB đang trở nên rất phổ biến, đặc biệt là ngày nay và là một phần không thể thiếu trong các linh kiện, thiết bị điện tử. Chúng ta có thể thấy thuật ngữ này trên các bảng điện, thiết bị điện tử,… Vậy PCB là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của nó như thế nào? Hãy cùng đến với bài viết để có được thông tin về PCB.

Mục lục

Mạch PCB là gì?

Khái niệm

Circuit, hay bảng mạch PCB, là tên viết tắt của cụm từ tiếng Anh Bảng mạch in, tạm dịch là mạch in. Các linh kiện và dây dẫn của PCB được chứa trong một cấu trúc cơ khí trong đó các linh kiện điện tử sẽ được kết nối với nhau trên cùng một bảng mạch.

Bên trong mạch PCB, các linh kiện điện từ sẽ được kết nối mà không cần dây dẫn bên ngoài và các đường dẫn sẽ được nhúng trực tiếp trên bề mặt mạch, nhờ đó giúp mạch luôn sạch sẽ và giảm thiểu sự chồng chéo phức tạp, gây ra các sự cố không mong muốn.

Bạn có thể gặp phải PCB trong các thiết bị hoặc linh kiện điện tử xung quanh mình như điện thoại, tivi, đồ điện tử gia dụng, thiết bị y tế,… và thậm chí cả tên lửa. Đặc biệt, mạch PCB có tác dụng cung cấp điện và kết nối điện giữa các linh kiện để thiết bị có thể hoạt động.

Lịch sử hình thành

Bây giờ chắc hẳn bạn đã biết PCB là gì rồi phải không? Vậy thứ được gọi là PCB này đến từ đâu? Đây sẽ là câu trả lời cho câu hỏi này.

Xuất phát từ những bảng mạch đơn giản, ngày xưa không gọn gàng, những bảng mạch này ngày nay đã được cải tiến và phát triển trở nên gọn gàng và hiệu quả hơn rất nhiều.

Trước khi trở thành PCB như thế này, mạch điện chỉ là những dây riêng lẻ gắn vào linh kiện và đường dẫn điện được tạo ra bằng cách hàn linh kiện kim loại bằng dây dẫn, mạch lớn hơn chứa nhiều linh kiện điện tử hơn sẽ chứa nhiều linh kiện điện tử hơn. Đối với các mạch phức tạp hơn, chúng có thể bị rối do số lượng dây dẫn lớn, do đó chiếm nhiều không gian hơn.

Như vậy có thể thấy quá trình sản xuất rất khó khăn và tiến độ chậm, đòi hỏi nhiều linh kiện kết nối dây phải được hàn thủ công trong mạch. Chính vì vậy mà việc tìm ra lỗi và sửa lỗi rất khó khăn nên độ chính xác trong quá trình thao tác không cao.

PCBA là gì?

PCBA là một loại mạch in khác với PCB nhưng vẫn là loại mạch in phổ biến như PCB. PCBA là tên viết tắt của cụm từ Print Circuit Board Assembly, dùng để chỉ một bảng mạch in PCB hoàn chỉnh, được trang bị đầy đủ các linh kiện điện tử cần thiết như điện trở, mạch tích hợp, tụ điện, trong khi PCB là các bảng mạch in chưa được lắp đặt.

PCBA thường trải qua quá trình hàn, có thể được thực hiện thủ công hoặc thông qua công nghệ gắn trên bề mặt (SMT) và chỉnh lại dòng chảy để tạo ra kết nối hoàn chỉnh giữa linh kiện và bảng mạch.

Cấu tạo PCB

Là một linh kiện điện tử phức tạp, PCB được tạo thành từ nhiều vật liệu dẫn điện khác nhau được sắp xếp một cách chính xác, bao gồm:

Chất nền: Được làm từ kính FR4, cũng có thể được làm từ những vật liệu đắt tiền hơn như nhôm, polymer hoặc RO4350B tùy theo loại PCB. Có tác dụng đảm bảo tính cách điện trong mạch in. Thông thường độ dày PCB là 0,063 inch tương đương 1,6mm nhưng có thể thay đổi tùy theo PCB.
Đồng: Đây là lớp vật liệu thứ 2 của bảng mạch, là lớp đồng mỏng dẫn điện. Có thể có nhiều lớp khác nhau tùy thuộc vào chức năng và thiết kế của mạch. Độ dày của lớp đồng có thể thay đổi và được xác định bởi thông số thể tích/diện tích, đơn vị là ounce.
Mặt nạ hàn: Đây là lớp mặt nạ hàn được gắn trên mặt đồng. Lớp này sẽ bao phủ toàn bộ mạch ngoại trừ các chân linh kiện cần hàn. Nó có tác dụng cách điện nhánh linh kiện cần hàn và các đường mạch xung quanh, chống oxy hóa mạch và dẫn hướng các linh kiện SMT cỡ nhỏ về đúng vị trí.
In lụa: đây là lớp màu trắng phía trên của mạch in, có vai trò thể hiện giá trị, vị trí của các thành phần hoặc bất kỳ ký hiệu nào mà người thiết kế mong muốn thể hiện.

Ứng dụng bảng mạch PCB trong cuộc sống

Bảng mạch in hiện được sử dụng trong hầu hết các thiết bị điện, từ lớn đến nhỏ như công nghiệp (ô tô, máy móc,…), thiết bị y tế, máy tính, tivi, điện tử, Điện thoại di động,…

Chúng ta hãy xem xét một số khu vực đáng chú ý:

Y tế

Ngành y tế ngày càng phát triển với sự phát triển của các thiết bị công nghệ được sử dụng trong ngành y tế. PCB là thành phần rất quan trọng, dung lượng của PCB đã phần nào cải thiện được hệ thống của thiết bị này.

Với kích thước nhỏ gọn và hiệu suất vượt trội, các thiết bị này nhỏ gọn và nhẹ hơn, loại bỏ sự phức tạp của hệ thống dây và đầu nối.

Không gian vũ trụ

PCB được sử dụng trong ngành này nhìn chung có tính cứng và dẻo, thường được sử dụng trong các bảng điều khiển, thiết bị điều khiển, hệ điều hành, hệ thống an ninh…

Khi nói đến máy bay trinh sát, vệ tinh và các thiết bị không gian khác, người ta sẽ sử dụng PCB phức tạp hơn, có tuổi thọ cao hơn. PCB phải đáp ứng mọi nhu cầu như thiết kế mỏng nhẹ, chống rung cao và tiêu hao nhiên liệu thấp.

Quân sự

Trong lĩnh vực này, PCB được sử dụng đòi hỏi phải tiếp xúc thường xuyên với các tác động, rung động và chấn động. Khi công nghệ quân sự cũng ngày càng tiên tiến, PCB được sử dụng để điều khiển robot, hệ thống dẫn đường và nhắm mục tiêu tên lửa tự động, hệ thống định vị, v.v.

Công nghiệp

Nhờ có PCB, ngày nay, các hoạt động từ sản xuất đến quản lý chuỗi cung ứng – thông tin, tự động hóa – đã tăng hiệu quả lên đáng kể. Điều này dẫn đến tăng sản lượng trong khi giảm chi phí lao động.

Những thuật ngữ bạn cần biết trong mạch PCB

Để hiểu rõ hơn về PCB, chúng ta cần biết các thuật ngữ của nó. Và đây là những thuật ngữ phổ biến:

Vòng hình khuyên: Đây là những vòng đồng được mạ xung quanh một lỗ trên PCB.
DRC (Kiểm tra quy tắc thiết kế): kiểm tra các quy tắc thiết kế. Đây là quá trình kiểm tra phần mềm sau khi hoàn thiện thiết kế PCB trên file để đảm bảo thiết kế không có bất kỳ lỗi nào như phím bấm, khoảng trống, nối dây không đúng, vết quá mỏng hay lỗ khoan quá nhỏ.
Lỗ khoan: Lỗ được khoan trên bề mặt PCB đóng vai trò là nơi để bắt vít hoặc định vị đầu nối. Các lỗi thường gặp trong lỗ khoan là do khoan không chính xác do mũi khoan bị mòn, đây là vấn đề thường gặp trong sản xuất.
Ngón tay: Đây là những bộ phận kim loại tiếp xúc dọc theo mép của một bảng mạch, dùng để tạo sự kết nối giữa hai bảng mạch, đây được coi là một loại pad đặc biệt. Một ví dụ phổ biến là khe cắm thẻ RAM trên máy tính hoặc trên hộp game cũ.
Board: là một bảng mạch lớn hơn được tạo thành từ nhiều PCB nhỏ bên trong, thông thường các bảng mạch lớn này sẽ được tạo ra từ các máy sản xuất bảng mạch, sau đó sử dụng Mouse Bites hoặc V-Scope chúng ta có thể tách các tấm phụ ra và tiếp tục sử dụng. Các bảng này thường được tìm thấy trong các quy trình sản xuất hàng loạt PCB.
Chuột cắn – một giải pháp thay thế cho V-Scope để tách bảng mạch in khỏi bảng lớn. Điều này liên quan đến việc đặt một số mũi khoan lại gần nhau để tạo ra một điểm yếu để bạn có thể tác dụng lực nhẹ để tách PCB ra khỏi bảng mà không sợ bị hỏng hoặc đứt mạch (như xếp hình). ).
Pad: Đây là phần tiếp xúc kim loại trên bề mặt PCB, đây là nơi các linh kiện sẽ được hàn.
Paste stencil: Đây có thể là một stencil kim loại mỏng (hoặc đôi khi là nhựa) được thiết kế theo các bố cục PCB, nhiệm vụ của nó là cố định miếng dán hàn vào đúng vị trí đã thiết kế. Khi đặt stencil lên bề mặt PCB, bạn chỉ cần bôi keo hàn, khi đó keo hàn sẽ ở đúng vị trí mà bạn muốn hàn.
Mặt phẳng: một khối đồng liên tục trên bảng mạch in, được xác định bằng đường viền chứ không phải dấu vết.
Mạ xuyên lỗ: Một lỗ trên bo mạch được phủ một lớp mạ từ mặt này sang mặt kia của PCB. Lỗ mạ này có thể là điểm kết nối để linh kiện xuyên lỗ truyền tín hiệu.
Pin Pogo: là dụng cụ có gắn lò xo, dùng để kiểm tra các điểm chốt trên bề mặt PCB xem chúng có đúng như thiết kế và có đang nhận điện hay không. Có thể được sử dụng để kiểm tra thủ công thông qua thiết bị cố định hoặc qua máy để kiểm tra tự động.
Silkscreen: chữ cái, số, ký hiệu và hình ảnh trên mạch in. Thường chỉ có một màu và độ phân giải thường khá thấp.
Khe: Bất kỳ lỗ nào trên bảng không tròn sẽ được gọi là khe. Các khe có thể được mạ hoặc không, nhưng đôi khi chúng làm tăng thêm chi phí cho việc sản xuất PCB vì chúng cần thêm thời gian cắt.
Chất hàn: Thiếc hoặc tinh thể chì hàn được chế tạo thành dung môi lỏng dạng kem, được gắn vào các miếng đệm bề mặt của PCB trước khi đặt các bộ phận. Sau khi bôi chất hàn vào PCB, nó sẽ đi qua mỏ hàn để tan chảy. Chất hàn trong keo sẽ tan chảy, tạo ra các mối nối điện và cơ giữa các miếng đệm và linh kiện.
Pick-and-place: là loại máy được sử dụng phổ biến trong quy trình sản xuất thẻ SMT tự động. Với độ chính xác của máy định vị linh kiện, các linh kiện liên kết nhanh chóng được đặt đúng vị trí đã được lập trình trên mạch PCB.
Nồi hàn: thiết bị này cho phép bạn hàn nhanh các bo mạch với các linh kiện có lỗ bằng tay. Thiết bị sẽ có bể nhúng, dây hàn sẽ được cho vào bể và nung chảy, sau đó chỉ cần nhúng PCB vào chì, các mối hàn sẽ để lại trên tất cả các miếng đệm.
Mặt nạ hàn: Một lớp vật liệu bảo vệ bao phủ kim loại để ngăn ngừa đoản mạch, ăn mòn và các vấn đề khác. Nói chung là màu xanh lá cây, nó có thể tồn tại ở một số màu khác.
Solder Jumper: Đây là một mối hàn nhỏ trên PCB giúp phân tách hoặc kết nối thương mại/miếng đệm với nhau. Tuy nhiên, khi sử dụng thủ thuật này bạn cần cẩn thận vì nó có thể gây chập điện nếu không thực hiện đúng.
Pick-and-place: là loại máy được sử dụng phổ biến trong quy trình sản xuất thẻ SMT tự động. Với độ chính xác của máy định vị linh kiện, các linh kiện liên kết nhanh chóng được đặt đúng vị trí đã được lập trình trên mạch PCB.
Surface Mount: Surface mount hay còn gọi là công nghệ gắn bề mặt (SMT), thường được sử dụng với các linh kiện SMT. Một công nghệ rất phổ biến hiện nay.
Dấu vết: Đây là các đường dẫn trên mạch PCB kết nối từ điểm này đến điểm khác.
Điểm V: là đường cắt xuyên qua tấm, giúp tấm có thể dễ dàng cắt theo đường thẳng (tách tấm khỏi tấm).
Via: Một lỗ trên bảng dùng để truyền tín hiệu từ lớp này sang lớp khác. Vias có thể được phủ bằng chất hàn để bảo vệ chúng khỏi bị hàn. Trong khi đó, các đầu nối và linh kiện được gắn vào lỗ xuyên thường không được bọc bằng chất hàn để có thể gắn vào dễ dàng hơn.
Hàn sóng: phương pháp hàn được sử dụng trên các bảng mạch in có linh kiện xuyên lỗ. Mạch hàn bằng phương pháp hàn sóng sẽ được đặt vào nồi hàn nóng chảy, dưới tác dụng của máy bơm sẽ tạo ra các sóng dây hàn bật ra khỏi PCB. Lúc này, dây hàn sẽ dính vào các miếng đệm và dây dẫn linh kiện lộ ra ngoài. Phương pháp này thường được sử dụng trong các nhà máy sản xuất mạch in.

Có bao nhiêu loại PCB?

PCB 1 lớp

PCB một mặt (hoặc một lớp) là loại PCB trong đó một mặt được phủ một lớp vật liệu dẫn điện bất kỳ nên được sử dụng nhiều nhất nhờ tính đơn giản, dễ thiết kế và chế tạo. Vật liệu dẫn điện phổ biến nhất là đồng vì nó có tính dẫn điện rất tốt và giá thành cũng rẻ.

Để bảo vệ PCB khỏi quá trình oxy hóa, một lớp phủ được hàn lên trên, tiếp theo là lớp in lụa để đánh dấu tất cả các thành phần của PCB. Ngoài ra còn có một mặt để kết nối các linh kiện điện tử như điện trở, tụ điện,… các linh kiện này sẽ được hàn lại. Các ứng dụng phổ biến của PCB một lớp là các sản phẩm điện tử giá rẻ, khối lượng lớn như máy tính, máy in, ổ cứng và radio.

PCB 2 lớp

Còn được gọi là PCB hai mặt, loại PCB này chứa một lớp vật liệu dẫn điện mỏng, nhưng không giống như PCB một lớp, vật liệu này nằm ở cả mặt trên và mặt dưới của bảng.

PCB 2 lớp có tính linh hoạt cao và giá thành thấp hơn, kích thước điểm mạch giúp giảm diện tích mạch, giúp mạch nhỏ gọn hơn. Loại PCB này thường được sử dụng trong các thiết bị điều khiển công nghiệp và nhỏ gọn như điện thoại, hệ thống UPS, bộ khuếch đại, hệ thống giám sát nguồn điện,…

PCB đa lớp

Khác với 2 loại trên, PCB này có nhiều lớp hơn, ít nhất là 3 lớp cách điện bằng đồng. PCB này cũng có một lớp keo dán bảng được kẹp giữa các lớp cách nhiệt để bảo vệ các bộ phận khỏi các vấn đề do nhiệt độ cao gây ra.

PCB đa lớp thường được sử dụng trong các thiết bị hoặc ứng dụng phức tạp hơn hai loại trước nhờ kích thước nhỏ trong không gian chật hẹp, bao gồm công nghệ GPS, hệ thống vệ tinh, thiết bị y tế, sao lưu dữ liệu, v.v.

PCB dẻo

Còn được gọi là mạch Flex, sử dụng các vật liệu linh hoạt như polyamide, PEEK (polyether ether ketone) hoặc màng polyester để dẫn điện ở mọi nơi. Có những bảng mạch thường bị cong hoặc xoắn.

Loại PCB này chứa nhiều lớp khác nhau như mạch linh hoạt một mặt, hai mặt và nhiều mặt nên rất phức tạp. PCB dẻo thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp như ô tô, điện tử, máy tính,… và còn được sử dụng trong điốt phát quang hữu cơ, pin mặt trời,…

PCB cứng

Vì là PCB cứng nên vật liệu làm nên nó cũng rất chắc chắn nên không thể bị xoắn hoặc uốn cong.

PCB cứng cũng có các mạch in phức tạp với mạch đơn, đôi hoặc nhiều lớp, nhưng thường được sử dụng và sản xuất ở dạng một mặt. Nhờ tuổi thọ cao, PCB cứng được sử dụng trong nhiều linh kiện máy tính như RAM, GPU và CPU.

PCB dẻo – cứng (flex-rigid PCB)

Đây là loại PCB đặc biệt có sự kết hợp giữa PCB dẻo và PCB cứng, bao gồm các lớp PCB dẻo dẻo được gắn với các lớp PCB cứng nhắc. Loại đặc biệt này thường được sử dụng trong điện thoại di động, ô tô và máy ảnh kỹ thuật số.

Và đó là tất cả những thông tin tôi có thể chia sẻ với các bạn về mạch PCB, bao gồm PCB là gì, ứng dụng, phân loại và nguyên lý hoạt động của nó. Cảm ơn các bạn đã theo dõi bài viết, chúng ta rất thành công và may mắn.