Mạch in

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Bước tới: menu, tìm kiếm
Các giai đoạn chính chế tạo bảng mạch điện tử.

Bảng mạch in hay bo mạch in (tiếng Anh: printed circuit board - PCB) [note 1], đôi khi gọi tắt là mạch in, là bảng mạch điện dùng phương pháp in để tạo hình các đường mạch dẫn điện và điểm nối linh kiện trên tấm nền cách điện [1].

Chế tạo bảng mạch in là công đoạn quan trọng trong quá trình chế tạo bảng mạch điện tử. Trước đây việc làm bảng mạch in tách rời với công đoạn lập sơ đồ mạch điện. Ngày nay hệ thống thiết kế và sản xuất hỗ trợ bằng máy tính (CAD-CAM) đảm bảo tự động liên hoàn từ thiết kế sơ đồ mạch điện đến lắp ráp, giảm nhẹ sự can thiệp của con người và cho ra sản phẩm giá thành hạ.

Hiện nay có 2 công nghệ tạo mạch in.

  1. Công nghệ phổ biến nhất và thướng gắn với tên PCB, là chế tạo bảng có các đường mạch dẫn điện bằng đồng trên tấm nền cứng cách điện bằng bakelit, hoặc nền chất lượng cao FR-4 (Flame Retardant 4) thường gọi thông tục là "gỗ fip". Tấm mạch ban đầu là tấm nền cách điện có phủ lớp đồng. Hình ảnh đường mạch được vẽ trước, và được đưa lên mặt lớp đồng bằng công đoạn in, theo kiểu in ảnh hoặc in lưới, tạo ra lớp phủ cách nước. Sau đó cho ăn mòn hoặc bóc phá phần lớp đồng không dùng đến, và phần còn lại là các đường mạch. [1].
  2. Công nghệ mới là điện tử in (Printed electronics) dùng in phun và/hoặc in laser, in khắc với đầu in và vật liệu thích hợp, để tạo các lớp, các đường mạch dẫn điện, điện trở, tụ điện, tranzito,... trên nền cứng hoặc tấm film. Quá trình in phun có thể gồm cả công đoạn phun chất cách điện để ngăn cách các đường dẫn điện ở vị trí chúng vắt qua nhau. Đây là công nghệ in thật sự hơn nhưng lại không coi là tiêu biểu cho mạch in. Công nghệ này được sử dụng trong chế tạo nhiều dạng bàn phím, và đôi khi nó cũng được thực hiện trên bảng mạch bán thành phẩm kiểu PCB để tạo ra đường nối mạch hoặc linh kiện. Công nghệ này được tự động hóa cao và cho ra sản phẩm có giá thành hạ.
Bảng mạch chế tạo năm 1967, dùng vẽ tay ra các đường mạch.
Bảng mạch 3 lớp phủ lăc chưa hàn linh kiện.
Bảng mạch hai lớp của chuột: Mặt linh kiện (component) và mặt hàn (solder hay printed side).

Lịch sử[sửa | sửa mã nguồn]

Trước thập niên 1950 các thiết bị điện tử dùng đèn điện tử chân không. Đèn và các linh kiện trong mạch tiêu thụ công suất lớn, có kích thước to và tỏa nhiều nhiệt. Để lắp ráp chúng người ta đặt các chốt được gá cách điện lên khung kim loại, làm nơi hàn chân linh kiện. Những radioti vi như vậy tồn tại đến thập niên 1970, và tại Việt Nam thì đến đầu thập niên 1990.

Khi tranzito ra đời năm 1947 [2], dẫn đến sự thu nhỏ thiết bị điện tử và công suất tiêu tán giảm rất mạnh. Hầu hết các linh kiện hoạt động hầu như không tỏa nhiệt. Điều này tạo khả năng thu nhỏ kích cỡ linh kiện và sắp đặt chúng sát nhau trong khối mạch. Khoảng năm 1950 bắt đầu đưa các linh kiện lên bảng cách điện có khoan lỗ để cắm chân linh kiện, và thúc đấy tìm kiếm cách nối mạch. Các tấm nguyên liệu cách điện phủ lớp đồng ra đời. Để chế ra bảng mạch, người ta vẽ tay ra ảnh của các đường dẫn điện, khoan các lỗ chân linh kiện lên bảng, và dùng in lưới đưa ảnh lên mặt lớp đồng rồi cho ăn mòn đồng.

Lúc ra đời thì in mạch là công nghệ vượt trội, dẫn đến tên gọi "bảng mạch in" hay PCB [1]. Sự phát triển của công nghệ mạch in dẫn đến, tùy theo nhu cầu làm mạch mà hiện nay bảng mạch in được đặc trưng với số lớp khác nhau:

  1. Mạch in hai lớp có một mặt đồng, dùng phổ biến ở chuột máy tính, một phần các ti vi, các thiết bị âm thanh dân dụng, các điều khiển quạt, lò vi sóng,...
  2. Mạch in ba lớp có hai mặt đồng, dùng trong các thiết bị điện tử phức tạp như hệ thống đo lường,...
  3. Mạch in năm lớp, tương đương với ép hai loại kể trên, có ba lớp đồng và hai lớp cách điện, dùng trong các hệ phức tạp cao như máy tính cá nhân,...
  4. Mạch in nhiều lớp hơn, dùng trong thiết bị có kết nối phức tạp và cần tiết kiệm không gian.

Từ những năm 1970 các bảng mạch được phủ sơn chống ẩm và ăn mòn, có màu xanh lục sẫm, gọi là "phủ lăc". Lúc đầu các đường mạch được vẽ bằng tay, sau chuyển sang in ảnh hoặc in lưới lên mặt lớp đồng. Những bảng mạch in thời đầu được thiết kế ở dạng bản vẽ kỹ thuật với tỷ lệ lớn hơn cỡ thật, sau đó được thu về kích cỡ thật, đưa bản các lỗ lên máy khoan bảng mạch theo tọa độ, rồi in và gia công mạch. Về sau xuất hiện in chỉ dẫn gồm chữ và hình vẽ (legend hay silkscreen) bằng mực sơn lên hai mặt bảng mạch bán thành phẩm, để chỉ dẫn cho lắp ráp và sửa chữa.

Mạch in khi thiết kế trên máy tính và thành phẩm có hàn dán hai mặt.

Từ cỡ năm 1975, thời kỳ khởi đầu của thiết kế và sản xuất hỗ trợ bằng máy tính (CAD-CAM), thiết kế bảng mạch in thực hiện trên máy tính nhưng tách rời với thiết kế sơ đồ mạch điện. Lúc các máy tính cá nhân ra đời thì xuất hiện các trình hỗ trợ vẽ bảng mạch, làm việc trong môi trường PC-DOS. Trình có thư viện biên tập được, chứa kích cỡ và sắp xếp chân của các linh kiện nhiều chân cơ bản, tuy nhiên người dùng phải nắm chắc sơ đồ mạch để bố trí vị trí linh kiện và chạy đường mạch hợp lý. Các trình PC-DOS thường quản lý 3 lớp vẽ là mặt linh kiện (component), mặt hàn (solder), và lớp chỉ dẫn (silkscreen). Kết quả được xuất ra bản ảnh PCX hoặc BMP cho các lớp để đưa lên film hoặc lưới in, và bản lỗ để đưa lên máy khoan bảng mạch theo tọa đô.

Từ năm 1981 "tự động hóa thiết kế điện tử" (EDA, Electronic design automation), còn gọi là "thiết kế điện tử hỗ trợ bằng máy tính" (ECAD, electronic computer-aided design) ra đời, với các phần mềm hỗ trợ thiết kế được phát triển riêng cho mạch điện tử. Ban đầu các phần mềm hoạt động ở các máy tính trạm, và khi Microsoft Windows cho máy tính cá nhân ra đời thì có các phiên bản cho PC. Các công đoạn được tích hợp trong các gói phần mềm, đảm nhận từ thiết kế sơ đồ mạch điện, thiết kế bảng mạch in và sau đó điều khiển gia công bảng mạch, trong đó máy khoan lỗ hoạt động như một plotter đặc chủng [3].

Một cordwood module.

Các module[sửa | sửa mã nguồn]

Bên cạnh cách lắp ráp lên một tấm PCB, thì khi cần tiết kiệm không gian người ta lắp các mạch với nhiều bảng PCB nhỏ theo khối tạo thành module, như cordwood module. Các bảng PCB có dạng chữ nhật, tròn, tam giác hay đa giác tùy theo không gian đặt module đó.

Các module này được dùng trong mạch điều khiển ở các thiết bị vũ trụ, tên lửa, máy bay xe cộ, đầu đạn, đầu dò, ống đo đạc trong các ngành khoa học kỹ thuật và y tế,... Nó cũng được áp dụng trong việc chế ra các module có chức năng xác định nhưng hay dùng đến, chuẩn hóa thành thương phẩm, thường gọi là "pack".

Thiết kế[sửa | sửa mã nguồn]

Ngày nay mạch in hiện được thiết kế trên máy tính bằng các phần mềm chuyên dụng thiết kế mạch điện tử, như Orcad, Altium (trước đây là Protel), Fritzing,... Các phần mềm này hỗ trợ thiết kế từ lập sơ đồ mạch nguyên lý đến làm mạch in, trong đó thiết kế mạch in là công đoạn sau cùng. Những bước chính trong thiết kế trên máy tính[4]:

  1. Thiết kế mạch điện tử thông qua công cụ tự động hóa thiết kế điện tử (EDA, Electronic design automation).
  2. Xác định kích thước và hình mẫu bảng PCB và vỏ hộp phù hợp cho hệ mạch.
  3. Xác định vị trí các linh kiện có tính đến kích thước và mức tỏa nhiệt của chúng, và các tản nhiệt nếu có.
  4. Xác định số lớp PCB tùy theo độ phức tạp của mạch, bố trí mảng đất (Ground), màng đường nguồn (Power) và mảng đường truyền tín hiệu. Để làm giảm tối đa nhiễu điện từ giữa các linh kiện và đường tín hiệu thì các tín hiệu tần cao cần được định tuyến trong các lớp bên trong giữa mảng đất và/hoặc mảng nguồn [5].
  5. Xác định trở kháng đường truyền bằng sử dụng độ dày lớp điện môi, chiều dày và chiều rộng vết đồng. Trong trường hợp tín hiệu khác biệt thì cần tính đến tách đường. Các dạng microstrip, stripline hoặc stripline kép có thể được sử dụng để định tuyến các tín hiệu. Các công cụ tự động hóa thiết kế điện tử thường cho phép tự động làm rõ kết nối tín hiệu, kết nối đất và nguồn.
  6. Xuất ra các tệp Gerber để điều khiển máy gia công bảng mạch [6][7][8][9].

Nếu công đoạn lập sơ đồ mạch điện thực hiện đúng với cú pháp yêu cầu, thì người dùng có thể chạy mô phỏng kiểm tra lỗi, cũng như dùng nó cho việc tự động bố trí đường mạch trong bảng mạch in.

Khi thiết kế bảng mạch in thì người thiết kế cần phải hiểu biết về kích thước các đối tượng, bố trí và sắp xếp các linh kiện sao cho phù hợp nhất trên một bảng mạch, đồng thời tránh nhiễu lẫn nhau giữa chúng. Hỗ trợ cho việc thiết kế mạch in là thư viện các linh kiện, gồm các kích cỡ, bố trí chân,... để người dùng gọi ra trong bố trí không gian trên bảng mạch. Thành công của một thiết kế tùy thuộc kinh nghiệm người dùng, và trong nhiều trường hợp phải làm nhiều phiên bản mới đạt được bản như ý [6][7].

Các phần mềm thiết kế[sửa | sửa mã nguồn]

Tên Hãng và Ghi chú
Altium Altium Designer (trước năm 2001 tên là Protel) và P-CAD, Cty có trụ sở tại Tasmania, Australia [10].
Autotrax Phần mềm EDA/DEX của DEX 2020 Ltd. chạy trên Windows XP/Vista/7, gồm thiết kế sơ đồ mạch, thiết kế mạch in với giả lập Spice và phần ảo hóa 3D cho bảng mạch.
DipTrace Phần mềm tầm trung DipTrace cho thiết kế sơ đồ mạch và mạch in, có một phiên bản miễn phí.
Edwinxp Phần mềm của Visionics tích hợp hoàn toàn thiết kế sơ đồ mạch, mô phỏng và thiết kế mạch in.
Electronics Workbench Thiết kế sơ đồ mạch, mô phỏng, thiết kế mạch in.
NI Multisim Thiết kế sơ đồ mạch, mô phỏng SPICE.
EasyEDA Phần mềm miễn phí trực tuyến thiết kế sơ đồ mạch, mô phỏng Spice, thiết kế mạch in.
CadSoft EAGLE Phần mềm tầm trung cho thiết kế sơ đồ mạch và thiết kế mạch in, có một phiên bản miễn phí.
KiCad Phần mềm mã nguồn mở thiết kế sơ đồ mạch và mạch in.
OrCAD Phần mềm đầy đủ OrCAD cho thiết kế sơ đồ mạch và mạch in.
TARGET 3001! Phần mềm thiết kế sơ đồ mạch tầm trung, có phiên bản miễn phí.
gEDA Phần mềm mã nguồn mở thiết kế sơ đồ mạch bằng cách sử dụng gschem, mô phỏng, và thiết kế mạch in.
Mentor Graphics PADs, phần mềm đầy đủ cho thiết kế sơ đồ mạch và mạch in của Mentor Graphics.
Electric VLSI Design System Phần mềm EDA do Steven M. Rubin phát triển hồi đầu những năm 1980.

Chỉ dẫn[sửa | sửa mã nguồn]

  1. ^ Bo là từ được Việt hóa gần đây từ tiếng Anh board .

Chú thích[sửa | sửa mã nguồn]

  1. ^ a ă â Clyde F. Coombs. Printed Circuits Handbook. McGraw–Hill Professional, 2007 ISBN 0-07-146734-3.
  2. ^ “Milestones:Invention of the First Transistor at Bell Telephone Laboratories, Inc., 1947”. IEEE Global History Network. IEEE. Truy cập ngày 7 tháng 12 năm 2016. 
  3. ^ “About the EDA Industry”. Electronic Design Automation Consortium. Truy cập ngày 9 tháng 4 năm 2017. 
  4. ^ Printed Circuit Board Design Flow Methodology. Berkeley.
  5. ^ See appendix D of IPC-2251
  6. ^ a ă Tavernier, Karel. “PCB Fabrication Data - A Guide”. Ucamco. Truy cập ngày 8 tháng 1 năm 2015. 
  7. ^ a ă Vermeire, Filip. “PCB Fabrication Data Example 1”. Ucamco. Ucamco. Truy cập ngày 7 tháng 1 năm 2015. 
  8. ^ Vermeire, Filip. “PCB Fabrication Data Example 2”. Ucamco. Ucamco. Truy cập ngày 7 tháng 1 năm 2015. 
  9. ^ “The Gerber File Format Specification”. Ucamco. Truy cập ngày 8 tháng 1 năm 2015. 
  10. ^ Paul Rako. Altium CircuitStudio review: The glory. EDN Network, 30/03/2017. Truy cập 01/04/2017.

Liên kết ngoài[sửa | sửa mã nguồn]