Cấu trúc mạch in PCB thông dụng

Mạch in PCB là một trong những thành phần rất phổ biến trong các thiết bị điện tử từ gia dụng, công nghiệp đến quân sự. PCB là bệ đỡ cho linh kiện, giúp kết nối tín hiệu giữa các linh kiện cũng như thiết bị. Elecfern xin giới thiệu cấu trức cơ bản của một PCB thông dụng.

1. Cấu tạo của mạch in (PCB) thông dụng

Một mạch in (PCB – Printed circuit board) được cấu tạo từ nhiều lớp vật liệu dẫn điện và cách điện sắp xếp với nhau tạo thành một bảng nhỏ gọn.

Cấu trúc PCB 2 lớp

1.1. Chất nền của PCB

Chất nền của một mạch in PCB thông dụng được làm từ vật liệu sợi thủy tinh FR4. Vật liệu này đảm bảo tính chất cách điện, chắc chắn, nhỏ gọn.

Ngoài ra, một số mạch in có chức năng đặc biệt thì chất nền có thể là nhôm, polyme, RO4350B (dùng cho mạch cao tần, anten),… sẽ được trình bày sau.

Tùy theo yêu cầu thiết kế mà mạch in có chiều dày khác nhau. Tuy nhiên, với mạch in thông thường thì chiều dày là 1.6mm (0.063 inch hay 63 mil).

1.2. Lớp Copper

Lớp tiếp theo là lớp đồng mỏng có vai trò dẫn điện. Số lớp phụ thuộc vào ứng dụng và yêu cầu kĩ thuật của mạch. Hình 1 minh họa cho mạch in có 2 lớp (2 phần màu cam). Trên thực tế, mạch có thể có 1 lớp, 2 lớp, 4 lớp hoặc nhiều hơn.

Chiều dày lớp copper trên PCB

Chiều dày lớp đồng có thể thay đổi và thường được xác định bằng tham số khối lượng/diện tích. Đơn vị thường dùng là oz được hiểu là ounces per square foot (khối lượng 1 ounce trên 1 foot vuông).

Đơn vị quy đổi như sau:

• Khối lượng: 1 oz = 28,35 g
• Độ dài: 1 ft = 30,48 cm
• Diện tích: 1 ft² = 0,093 m² = 930 cm²

Khối lượng riêng của đồng là 8,9 g/cm³

Từ đó, với các tham số thông thường của nhà sản xuất mạch là 1oz tương đương với chiều dày lớp đồng là 35 µm hay 1.37 mil.

Với các mạch cần công suất cao thì chiều dày lớp đồng có thể là 2 oz hoặc 3oz.

1.3. Lớp Solder mask

Trên lớp đồng là lớp soldermask, tạm dịch là mặt nạ hàn. Tên gọi này xuất phát từ việc lớp này che phủ toàn bộ mạch trừ phần chân linh kiện (pad) để hàn.

Lớp solder mask của PCB

Lớp này có tác dụng:

– Cách ly giữa phần chân linh kiện cần hàn và các đường mạch xung quanh. Điều này dễ xảy ra với trường hợp làm mạch thủ công như hình 4, khi hàn thiếc rất dễ bị tràn ra ngoài.

– Cách ly giữa các đường mạch với nhau trong quá trình sử dụng. Khi mảnh kim loại rơi vào mạch hoặc có bụi bẩn, thời tiết ẩm dễ gây chập mạch.

– Chống oxy hóa đường mạch.

– Điều hướng linh kiện SMD kích thước nhỏ (tụ, trở) vào đúng vị trí khi hàn. Tác dụng này lợi dụng hiện tượng dính ướt của chất lỏng (thiếc lỏng).

Ví dụ minh họa PCB không có lớp solder mask

Lớp này thường có màu xanh lá, nhưng cũng có thể có màu khác như đen, đỏ, xanh lam, vàng, trắng.

Các màu thông dụng của lớp solder mask PCB

1.4. Lớp Silkscreen

Lớp silkscreen là lớp trên cùng, thường có màu trắng. Nó được dùng để biểu diễn giá trị, vị trí linh kiện, biểu tượng, hay bất kì hình thù, kí tự gì mà người thiết kế muốn với mục đích tạo thuận lợi cho việc lắp ráp, hiểu chức năng của mạch, ý nghĩa, thứ tự các chân connector,….

Lớp Silkscreen trên PCB

Thuật ngữ cơ bản trong thiết kế PCB

Một PCB có rất nhiều thành phần với tác dụng khác nhau. Để thiết kế mạch in hiệu quả và chính xác, ta cần nắm được một số thuật ngữ cơ bản trong thiết kế PCB được giới thiệu dưới đây.

1. Một số thuật ngữ

1.1. DRC

DRC (Design Rule Check) là chức năng kiểm tra mạch in sau khi được thiết kế. Khi thiết kế một PCB phức tạp thì việc kiểm tra lỗi thiết kế nghiêm trọng như hở mạch (chưa đi hết dây kết nối), ngắn mạch, linh kiện đè lên nhau,… không thể kiểm tra hết bằng mắt thường mà cần sự hỗ trợ của chức năng này.

Design Rule Check (DRC) phát hiện lỗi ngắn mạch

1.2. Annular ring

Annular ring là vòng tròn đồng xung quanh một lỗ trên mạch in, có thể là chân linh kiện hoặc lỗ via.

Annular ring trên mạch in PCB

1.3. Drill

Lỗ khoan trên mạch in thường đi kèm với pad và via, đôi khi đóng vai trò cơ khí trên mạch dùng để bắt vít, định vị connector.

Drill trên mạch in PCB

1.4. Pad trên PCB

Phần kim loại lộ ra trên lớp soldermask để đặt chân linh kiện vào đó và hàn.

Pad dành cho linh kiện cắm gồm lỗ khoan và có annular ring bao quanh.

Pad through hole của linh kiện cắm

Với một số mạch có chức năng đặc biệt (cao tần, anten,…), pad còn có thể được mạ vàng hoặc tráng thiếc.

Pad của linh kiện SMD

1.5. Finger

Đây là pad đặc biệt, nằm trên cạnh của mạch, dùng để kết nối 2 mạch với nhau. Finger thường được sử dụng trong các mạch như RAM, card trên máy tính PC, máy tính công nghiệp,….

Finger trên mạch in PCB

1.6. Trace

Trace là đường mạch kết nối các linh kiện với nhau hoặc trường hợp đặc biệt trace có thể đóng vai trò là anten trên mạch.

Trace trên PCB có matching length

1.7. Via

Via là lỗ khoan trên mạch giúp kết nối các trace (tín hiệu, công suất) nằm trên các lớp khác nhau.

Via trên PCB kết nối trace ở các lớp khác nhau

1.8. Slot

Các phần bị khoét trên mạch in mà không phải lỗ thì được coi là slot. Slot trên mạch in có tác dụng khác nhau, tùy vào thiết kế, ví dụ: cách ly, phù hợp với yêu cầu cơ khí, tách mạch sau khi gia công,…

Slot trên một panel PCB

1.9. Panel

Panel là một mạch lớn bao gồm nhiều mạch nhỏ có thể được tách ra dễ dàng nhờ V-score hoặc mouse bits. Sở dĩ nhà sản xuất phải sắp xếp các mạch nhỏ lên một panel để thuận tiện, tiết kiệm cho quá trình chế tạo mạch in và lắp ráp linh kiện.

Lắp ráp linh kiện trên một panel gồm nhiều mạch nhỏ

1.10. V-score

Để phân tách các mạch in từ panel, ta có thể sử dụng V-score. Đường V-score thực chất là một đường cắt sẵn nhưng chưa đứt hẳn, mà nhà sản xuất chỉ tạo ra một đường rãnh đánh dấu. Cách cắt này khá giống như thợ xây cắt gạch men, cắt kính.

Vết cắt V-score trên PCB

1.11. Mouse bites

Nếu không muốn sử dụng V-score để phân tách các mạch thì người ta có thể dùng mouse bites – vết chuột gặm. Bằng cách kết hợp các slot cùng với tổ hợp các lỗ khoan giúp cho việc tách các mạch nhỏ sau khi gia công được dễ dàng.

Ví dụ về mouse bites

Sau khi gia công xong ta có thể dễ dàng tách phần mép mạch thừa ra.

Bỏ phần mạch thừa trên panel một cách dễ dàng nhờ mouse bites

Nhìn vào sản phẩm sau khi được loại bỏ phần mép thừa này ta có thể hiểu tại sao kĩ thuật này lại có tên như vậy.

Hình 14: Kết quả của mạch sau khi tách và vết chuột gặm

Một số đối tượng đặc biệt trong PCB

1. Solder jumper

Trong quá trình kiểm thử, cấu hình cho mạch, chúng ta cần nối/tách các trace hoặc pad với nhau. Để việc này được thuận tiện cũng như tiết kiệm chi phí, thu nhỏ mạch. Ví dụ về solder jumper như sau:

Thiết kế sử dụng solder jumper

Thay vì sử dụng shorting jumper để cấu hình mạch, ta có tạo ra một mối hàn trực tiếp trên solder jumper.

Linh kiện shorting jumper

Tuy nhiên, solder jumper có thể gây ra ngắn mạch không mong muốn. Vì vậy việc sử dụng kĩ thuật này cần lưu ý khoảng cách giữa 2 đầu solder jumper, môi trường sử dụng mạch để thiết kế phù hợp.

Cấu hình chức năng của mạch bằng cách hàn solder jumper

2. Thermal (thermal relief pad, thermal pad)

Thermal (thermal relief pad hay thermal pad) là một đường mạch (trace) kết nối pad và lớp đồng của mạch (plane). Thông thường, pad được kết nối với plane bằng vài đường mạch nhỏ như hình dưới đây.

Thermal relief pad trên mạch

Tuy nhiên, nếu plane phủ toàn bộ pad thì việc hàn thiếc tại pad này sẽ gặp khó khăn. Do nhiệt độ từ mũi hàn nhanh chóng thoát ra lớp đồng xung quanh pad. Đồng có độ dẫn nhiệt tốt, do đó làm điểm hàn tại pad không đủ nhiệt. Kết nối thermal pad giúp hạn chế sự dẫn nhiệt này giúp cho việc hàn được dễ dàng.

Với lỗ via, chúng ta có thể đổ đồng tràn toàn bộ via, không cần sử dụng thermal do không cần hàn thiếc tại via.

Pad có sử dụng thermal relief pad và via không sử dụng thermal relief pad

3. Thieving

Thieving là phần đồng dạng lưới, dấu chấm, mảng lớn bao quanh mạch. Những vị trí này không có các đường mạch hay linh kiện.

PCB chứa thieving dạng mảng

Chúng ta có thể thêm thieving copper dạng lưới như sau:

PCB chứa thieving dạng lưới

PCB chứa thieving dạng chấm

Cái tên này có lẽ xuất phát từ chính mục đích “ăn cắp” của nhà sản xuất. Do cách chế tạo mạch in bằng cách ăn mòn lớp đồng vốn có bám trên bảng mạch. Quá trình ăn mòn này tốn thời gian và hóa chất. Vì vậy, ở phần bao quanh mạch, nếu sự tồn tại phần đồng này không ảnh hưởng đến hoạt động của mạch thì người ta sẽ giữ lại để tiết kiệm chi phí gia công.

Các Loại Via Trong PCB

Via là một trong những thành phần quan trọng trong PCB nhiều lớp. Nó có tác dụng liên kết các trace giữa các lớp với nhau. Ngoài ra, via còn dùng để tản nhiệt cho IC công suất cao, cần giải tỏa năng lượng.

1. Via trong PCB

Ở bài Cấu trúc PCB thông dụng thì ta đã biết PCB có thể có một hoặc nhiều lớp. Để liên kết nối các đường mạch (trace) ở các lớp khác nhau, người ta sử dụng via. Via có cấu tạo tương tự như  Plated through hole (Pad cho linh kiện cắm) nhưng kích thước nhỏ hơn và có nhiều loại với mục đích sử dụng khác nhau.

Via là một trong những thành phần quan trọng trong PCB nhiều lớp. Khi nói đến mạch nhiều lớp đồng nghĩa với PCB có mật độ linh kiện và trace dày đặc. Trong những mạch như vậy, số lượng via được sử dụng rất lớn. Chính vì vậy, chi phí cho chế tạo via có thể chiếm tới 30% đến 40% giá của mạch in.

Thông thường, via được chia thành 3 loại chính là Through-hole, Blind và Buried.

Ba loại via được sử dụng trong PCB: Through hole, Blind, Buried Via

1.1. Through-hole Via

Through hole via trong PCB

Through-hole Via (via xuyên lỗ) là via mà đi từ mặt trên cùng đến mặt dưới cùng của bảng mạch. Đây là loại via đơn giản và được sử được sử dụng phổ biến nhất. Khi nhắc đến via, người ta thường nghĩ đến loại via này.

Rivet để chế tạo via với đường kính trong ID và đường kính ngoài OD khác nhau

Để chế tạo through-hole via, người ta chỉ cần sử dụng khoan hoặc laser để tạo lỗ khoan trên PCB. Tiếp theo, mạch in được mạ hoặc tán đinh (rivet) để liên kết các lớp. Vì gia công tương đối đơn giản nên chi phí cho loại via này khá rẻ.  Tuy nhiên, nhược điểm là chúng chiếm nhiều diện tích trên các lớp mạch.

Mach in PCB được đóng via

1.2. Via dạng Buried

Buried Via trong PCB

Buried via (via chôn) là loại via kết nối các lớp bên trong PCB. Do vậy, loại via này nằm ẩn trong mạch.

Khi mạch trở nên phức tạp, nhiều đường mạch (trace) trên các lớp bên trong chỉ có nhu cầu kết nối riêng với nhau mà không cần xuyên qua tất cả các lớp. Buried via ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu đó.

Via này có vẻ khá tinh tế, chỉ làm đúng chức năng, nhiệm vụ kết nối những gì cần thiết với nhau. Chúng nằm ẩn bên trong giúp tăng không gian sắp xếp linh kiện trên các lớp ngoài cùng (top layer và bottom) cũng như không gian để đi dây trên các lớp mà via này không xuyên qua. Với điểm lợi này mà buried via thường được sử dụng trong các mạch mật độ cao (HDI – high-density circuit board) với các IC dạng BGA.

Mạch mật độ cao (HDI-High Density Interconnect) co rất nhiều buried via

Hiện đại thường đi liền với tốn kém và phức tạp. Người ta không thể xếp tất cả các lớp của mạch rồi khoan lỗ via mà phải tạo lỗ via trên từng lớp rồi sau đó sắp xếp các lớp này lại để tạo thành mạch in. Nghe có vẻ đơn giản nhưng việc căn chỉnh để tất cả các lỗ via, đường mạch ở các lớp khác nhau đúng như thiết kế là vô cùng phức tạp, dễ xảy ra sai lệch. Vì thế, chế tạo mạch in có loại via này rất tốn kém.

1.3. Via dạng Blind

Blind Via trong PCB

Blind via (via mù) giống như Through-hole via nhưng một bên via chỉ liên kết với các lớp bên trong mà không xuyên qua mạch. Vì cấu tạo như vậy, khi cầm mạch, ta không thể nhìn xuyên qua mà via này có tên là blind via – “via mù”.

Blind via có thể nắm cùng một vị trí trên PCB

Chiều dài của via phụ thuộc vào số lớp bên trong mà via kết nối tới. Loại via này có một điểm thú vị là trên PCB có thể có những blind via cùng vị trí nhưng không chạm vào nhau. Điều này dễ bị lầm tưởng via đó là through-hole via, đánh lạc hướng, gây khó khăn trong ăn trộm thiết kế J

Có thể xem blind via là trường hợp đặc biệt của buried via khi có một lớp cần kết nối nằm ở ngoài cùng. Vì vậy, Bline via cũng giúp tiết kiệm không gian trên mạch (ở lớp nó không xuất hiện).

Blind via trên PCB có IC BGA

Lắp Ráp Và Kiểm Tra PCB

Những khái niệm đã được trình bày ở Phần 1 và Phần 2 cho chúng ta những định nghĩa liên quan đến quá trình thiết kế mạch. Một PCB muốn được hiện thực hóa cần được gia công, lắp ráp và kiểm thử. Phần tiếp theo dưới đây giới thiệu một số khái niệm trong quá trình đó.

1. Một số thuật ngữ

1.1. Paste stencil

Là lớp kim loại hoặc nhựa mỏng, được đục lỗ tại các pad của linh kiện dán (SMD).

Tấm paste stencil kim loại

Tấm Paste stencil kim loại này có giá khá cao. Chúng ta có thể sử dụng giấy bóng kính đóng sách (ở cửa hàng phototopy) và cắt laser như hình dưới đây.

Tấm paste stencil nhựa

1.2. Solder paste

Người ta đặt paste stencil lên PCB và trải solder paste (kem hàn). Kem hàn lưu lại trên mạch ở vị trí được đục lỗ. Những vị trí này chính là các pad của linh kiện dán (SMD).

Trải solder paste bằng tay

Kết quả là solder paste lưu lại trên mạch:

PCB sau khi được trải kem hàn

Nếu muốn tiết kiệm chi phí, các bạn có thể không dùng paste stencil mà bơm kem hàn trực tiếp lên mạch. Kết quả đạt được phụ thuộc vào độ khéo léo của bạn.

Bơm kem hàn không dùng paste stencil

1.3. Pick-and-place

Trong công nghiệp, việc đặt linh kiện dán (SMD) được thực hiện nhờ máy sắp xếp linh kiện (pick and place). Thậm chí, với những máy hiện đại hơn có thể dùng để lắp ráp linh kiện cắm.

Clip sau minh họa cho hoạt động này.

Sau khi sử dụng máy đặt linh kiện, ta có kết quả như hình dưới đây.

Linh kiện được sắp xếp trên PCB sử dụng máy pick and place

1.4. Reflow

Quá trình này làm nóng chảy kem hàn để chân linh kiện liên kết với pad trên mạch.

Nếu bạn làm prototype hoặc số lượng nhỏ thì có thể dùng máy khò. Các linh kiện được khò lần lượt cho đến khi kết thúc.

Lưu ý, quá trình này cần tham khảo thời gian và nhiệt độ cho phép của mỗi linh kiện. Các bạn có thể tra thông số này trong datasheet của từng linh kiện.

Máy khò mini dùng cho việc lắp ráp và sửa chữa mạch prototype

Nếu cần gia công với số lượng lớn hơn (chưa tới mức công nghiệp) thì các bạn có thể sử dụng máy reflow oven dưới đây.

Máy hàn hồng ngoại reflow oven

Hoặc để tiết kiệm chi phí, bạn có thể tận dụng một chiếc lò nướng hồng ngoại, trang bị thêm đồng hồ và cảm biến nhiệt độ.

Máy hàn hồng ngoại reflow oven DIY

1.5. Ghim Pogo

Gim Pogo là một thanh kim loại thiết lập kết nối điện tạm thời, dùng cho đo kiểm PCB. Những tín hiệu vào, ra tuân theo một quy tắc phức tạp, việc kiểm tra hoạt động của mạch cần thực hiện bằng phần mềm kết nối với mạch thông qua Pogo này.

Pogo có cấu tạo đặc biệt:

– Đầu kết nối có nhiều hình dạng khác nhau, phù hợp với các loại pad của từng linh kiện.
– Lò xo giúp Pogo tăng độ tiếp xúc với pad. Do pad có chiều cao khác nhau không nhiều nên độ co dãn của lò xo có thể giải quyết được vấn đề này.

Ta có thể thấy Pogo như một chiếc bút bi.

Cấu tạo ghim pogo được lắp trên jig test

Sự đa dạng của hình dáng và kích thước Pogo được thể hiện qua hình dưới đây.

Các loại ghim pogo được dùng để kiểm tra PCB

Pogo kết hợp với một mạch kiểm tra để kiểm thử mạch điện sản phẩm sau khi gia công.

Jig test sử dụng pogo

1.6. Solder pot

Solder pot (bể hàn) là một bể thiếc dùng để hàn linh kiện bằng cách nhúng bo mạch đã lắp linh kiện. Thông thường, dụng cụ này dùng cho việc hàn linh kiện cắm với số lượng nhỏ.

Bể hàn mini dùng để hàn linh kiện cắm

Video dưới đây minh họa cho quá trình sử dụng Solder pot để hàn linh kiện.

Bể hàn mini:

Bể hàn cho số lượng PCB lớn:

1.7. Wave solder

Wave solder là phương pháp hàn linh kiện cắm một cách nhanh chóng, thường được sử dụng trong dây chuyền công nghiệp.

Các linh kiện dạng cắm được sắp xếp trên mạch, mạch được đưa lên dây chuyền và đi qua một bể thiếc nóng chảy. Nhờ hiện tượng dính ướt của chất lỏng mà thiếc sẽ bám vào chân linh kiện và pad tương ứng.

Quá trình này được thể hiện qua video dưới đây:

https://www.youtube.com/watch?v=VWH58QrprVc

Cám ơn các bạn đã theo dõi.

Nếu thấy bổ ích, các bạn đừng ngại ngần chia sẻ nhé!

Tham khảo: elecfern