PCB là gì? Cấu tạo, phân loại và ứng dụng

Bảng mạch in (PCB) là nền tảng xây dựng nên hầu hết các thiết bị điện tử hiện đại. Cho dù các bảng mạch đơn lớp đơn giản được sử dụng trong thiết bị mở cửa cuốn, bảng mạch sáu lớp trong đồng hồ thông minh của bạn, đến bảng mạch 60 lớp, mật độ rất cao và tốc độ cao được sử dụng trong siêu máy tính và máy chủ, bảng mạch in PCB là nền tảng mà tất cả các thành phần điện tử khác được lắp ráp vào.

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.

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, màn hình LED, 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

Phân theo ứng dụng

PCB 1 lớp

PCB một lớp 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 thời 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,…và 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.

PCB 2 lớp

PCB hai lớp còn được gọi là PCB hai mặt. Loại PCB này khá linh hoạt, 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.

PCB nhiều lớp

PCB nhiều lớp là loại PCB 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.

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. 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.

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. 

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 theo hệ thống lắp ghép

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.

PCB xuyên lỗ

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.

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.

• Ví dụ: Card màn hình LED là một PCB gắn bề bặt.

Cấu tạo bảng mạch điện tử PCB

Một bảng mạch điện tử PCB được cấu tạo từ nhiều vật liệu dẫn điện. Cách điện sắp xếp hợp lí với nhau sẽ tạo thành bảng mạch nhỏ. Các vật liệu tạo nên bảng mạch PCB bao gồm:

• Chất nền
• Copper
• Solder mask
• Silk screen.

Chất nền

Được làm từ thủy tinh FR4, nó sẽ đảm bảo tính cách điện, chắc chắn và nhỏ gọn. Về kích thước, tùy từng vị trí và bộ phận lắp đặt mà có các kích thước khác nhau. Kích thước thông thường của mạch in có chiều dày 1,6mm tương đương với 0,063 inch.

Bên cạnh đó, một số mạch in có chức năng đặc biệt thì chất nền làm bằng các chất liệu đắt tiền hơn như nhôm, polyme hoặc RO4350B.

Copper

Đây là lớp vật liệu thứ 2, là lớp đồng mỏng có vai trò dẫn điện. Thông thường copper sẽ có nhiều lớp khác nhau tùy vào ứng dụng và yêu cầu thiết kế. Thực tế, nó có thể có 1 lớp, 2 lớp, 3 lớp, 4 lớp,…

Lớp đồng copper là lớp dẫn điện

Solder mask

Ngay phía trên copper là lớp mặt nạ hàn solder mask. Với đặc điểm của lớp này là che phủ toàn bộ mạch từ phần chân linh kiện để hàn. Nó có tác dụng như việc cách cách ly giữa phần chân linh kiện cần hàn và các đường mạch xung quanh. Cách ly giữa các đường mạch với nhau, chống oxy hóa đường mạch. Điều hướng linh kiện SMD kích thước nhỏ vào đúng vị trí khi hàn.

Lớp solder mask màu xanh lá cây

Silk screen

Là lớp trên cùng, thường có màu trắng. Nó được dùng để biểu diễn giá trị và vị trí linh kiện hoặc bất kỳ biểu tượng nào mà người thiết kế muốn thể hiện.

Phân loại công nghệ tạo mạch in

Công nghệ phổ biến nhất

Thường được gọi là PCB, chế tạo bảng có các đường mạch dẫn điện bằng đồng trên tấm nền cứng bằng vật liệu Bakelite hoặc nền chất lượng cao FR4 (Flame Retardant 4).

Tấm mạch ban đầu sẽ là tấm cách điện có lớp vật liệu dẫn điện. Các hình ảnh được vẽ trước sẽ đưa đến các mặt lớp đồng để in theo mẫu hình ảnh đó và thành quả tạo ra lớp phủ cách nước. Tiếp tục công đoạn này sẽ là công đoạn cho lớp in bị ăn mòn hoặc lớp đồng bên ngoài bị “bong” ra. Phần còn lại trên mặt đó là các đường mạch.

Công nghệ điện tử in

Dùng để in phun hoặc in laser và vật liệu thích hợp để tạo các lớp, các đường mạch điện dẫn, tụ điện hoặc điện trở,…trên các tấm nền cứng. Quá trình in phun có thể gồm cả công đoạn phun luôn chất cách điện.

Công dụng là để ngăn cách các đường dân điện ở vị trí chúng đi qua. Nó được sử dụng trong hầu hết các dạng mạch, công nghệ này còn có khả năng thực hiện bảng mạch bán thành phẩm kiểu PCB để tạo ra đường nối mạch hoặc linh kiện. Dựa vào tính tự động hóa cao nên thành phẩm cho ra có giá thành thấp.

Ứng dụng của bảng mạch in PCB

So với các mạch có dây truyền thống, PCB mang lại một số lợi thế. Thiết kế nhỏ và nhẹ của chúng thích hợp để sử dụng trong nhiều thiết bị hiện đại, trong khi độ tin cậy và dễ bảo trì phù hợp với chúng để tích hợp trong các hệ thống phức tạp. Ngoài ra, chi phí sản xuất thấp khiến chúng trở thành một lựa chọn hiệu quả.

Những phẩm chất này là một số lý do khiến PCB được ứng dụng trong các ngành công nghiệp, bao gồm trong các lĩnh vực sau:

Y khoa

Điện tử y tế đã được hưởng lợi đáng kể từ sự ra đời của PCB. Các thiết bị điện tử trong máy tính, hệ thống hình ảnh, máy MRI và thiết bị bức xạ đều tiếp tục tiến bộ về công nghệ từ khả năng điện tử trong PCB.

Kích thước mỏng hơn và nhỏ hơn của PCB uốn dẻo và cứng cho phép sản xuất các thiết bị y tế nhỏ gọn và nhẹ hơn, chẳng hạn như máy trợ thính, máy điều hòa nhịp tim, thiết bị cấy ghép và máy ảnh thực sự nhỏ cho các thủ thuật xâm lấn tối thiểu. 

PCB cứng flex là một giải pháp đặc biệt lý tưởng khi tìm cách giảm kích thước của các thiết bị y tế phức tạp, vì chúng loại bỏ sự cần thiết của cáp uốn và đầu nối chiếm không gian có giá trị trong các hệ thống phức tạp hơn.

Không gian vũ trụ

PCB cứng và linh hoạt được sử dụng phổ biến trong ngành hàng không vũ trụ cho các bảng điều khiển thiết bị, bảng điều khiển, điều khiển chuyến bay, quản lý chuyến bay và hệ thống an toàn. Ngày càng có nhiều tiến bộ trong công nghệ hàng không vũ trụ đã làm tăng nhu cầu về PCB.

PCB nhỏ hơn, phức tạp hơn để sử dụng trong máy bay, vệ tinh, máy bay không người lái và các thiết bị điện tử hàng không vũ trụ khác. Các mạch uốn dẻo và cứng mang lại độ bền đặc biệt và khả năng tồn tại do loại bỏ các đầu nối.

Điều này làm cho chúng phù hợp để sử dụng trong các ứng dụng có độ rung cao, trong khi thiết kế nhỏ và nhẹ của chúng làm giảm trọng lượng thiết bị tổng thể và do đó, yêu cầu tiêu thụ nhiên liệu. Đối với các ứng dụng mà độ tin cậy là tối quan trọng, chúng là một giải pháp có độ tin cậy cao.

Quân sự

Trong lĩnh vực quân sự, PCB được sử dụng trong các thiết bị thường xuyên tiếp xúc với các ứng dụng va đập và rung động nặng, chẳng hạn như xe quân sự, máy tính siêu bền, vũ khí hiện đại và hệ thống điện tử (ví dụ: robot, hệ thống dẫn đường và nhắm mục tiêu).

Khi công nghệ quân sự tiến bộ để đáp ứng nhu cầu thay đổi của khách hàng, nhiều thiết bị hơn tích hợp công nghệ máy tính tiên tiến, đòi hỏi cả hiệu suất điện và cơ học vốn có trong bao bì uốn dẻo và cứng. Những loại bao bì điện tử này có thể chịu được lực hàng nghìn pound mà không hỏng hóc.

Pound là một đơn vị đo khối lượng truyền thống của Đế quốc Anh, Hoa Kỳ và một số quốc gia khác. 1 pound = 453,6 gram.

Công nghiệp thương mại

Việc sử dụng PCB trong thiết bị điện tử công nghiệp và thương mại đã cách mạng hóa mọi thứ từ sản xuất đến quản lý chuỗi cung ứng – tăng cường thông tin, tự động hóa và hiệu quả.

Nói chung, chúng là một phương tiện đáng tin cậy để chỉ đạo thiết bị trong các cơ sở ngày càng tự động hóa, tăng cường sản xuất trong khi giảm chi phí lao động. PCB linh hoạt và cứng cáp cho phép các nhà sản xuất ngày càng sản xuất các sản phẩm nhỏ hơn và nhẹ hơn với chức năng lớn hơn và độ tin cậy cao hơn nhiều, chẳng hạn như máy bay không người lái, máy ảnh, thiết bị điện tử di động và máy tính siêu bền.

Trên đây là những thông tin về bảng mạch in PCB mà chúng tôi mang đến cho bạn.

Tham khảo thêm:

• RGB là gì? Màn hình LED RGB là gì?
• AOI là gì?