Mạch in

.]]
Bảng mạch in hay bo mạch in (tiếng Anh: printed circuit board - PCB), đôi khi gọi tắt là mạch in, là phương tiện được sử dụng để kết nối các linh kiện điện tử với nhau thành một mạch điện tử hoàn chỉnh nhờ các đường dẫn điện được "in" trên một tấm vật liệu cách điện. Chúng xuất hiện và đóng một vai trò quan trọng ở hầu hết các thiết bị điện tử ngày nay.

Chế tạo bảng mạch in là một trong những công đoạn quan trọng nhất trong quá trình chế tạo mạch điện tử. Trước đây, việc sản xuất bảng mạch in diễn ra một cách thủ công và rời rạc. Tất cả các công đoạn đều được làm bằng tay, từ khâu lập sơ đồ mạch điện cho đến khâu lắp ráp hoàn chỉnh. Ngày nay, các hệ thống hỗ trợ thiết kế và sản xuất tự động bằng máy tính (CAD-CAM) cùng các máy CNC đã đảm bảo quá trình sản xuất mạch in diễn ra một cách tự động, liên tục và khép kín; qua đó giảm sự can thiệp của con người, giảm sai sót gây ra bởi các khâu trung gian; tiết kiệm thời gian và chi phí sản xuất cũng như cho ra sản phẩm giá thành hạ.

Việc chế tạo mạch in thường sử dụng một trong hai phương pháp sau đây:

Phương pháp truyền thống để chế tạo PCB, là chế tạo bảng có các đường dẫn điện bằng đồng trên tấm nền cứng (một số có thể là nền dẻo) được làm bằng nhựa bakelit (trước đây) hoặc bằng FR-4 (Flame Retardant 4, Vật liệu chống cháy 4) (hiện nay). Tấm nền được làm bằng vật liệu FR-4 thường được gọi thông tục là "gỗ fip". Tấm mạch ban đầu gồm tối thiểu một lớp cách điện và một lớp đồng (đây chính là mạch in 2 lớp, loại mạch in cơ bản nhất của lĩnh vực điện tử). Số lớp của một bảng mạch in thì tùy thuộc vào số lượng linh kiện, kích thước thiết bị và độ phức tạp của mạch điện. Sơ đồ mạch điện được vẽ sẵn và được in (theo kiểu in ảnh hoặc in lưới) lên mặt lớp đồng. Sau đó, người ta tiến hành loại bỏ phần đồng thừa bằng hóa chất (hoặc bằng máy phay) theo vết ảnh được in trên tấm mạch để tạo thành các đường dẫn điện. người ta đã nhận thấy rằng đây chính là giải pháp hiệu quả nhất để thay thế cho các đèn điện tử chân không to, nặng, kém bền, tiêu thụ nhiều điện, hiệu suất thấp và toả rất nhiều nhiệt. Các transistor được đánh giá là nhỏ, tiêu thụ ít điện năng, hiệu suất cao và bền hơn rất nhiều so với đèn chân không nên nó đã nhanh chóng len lỏi vào hầu hết các thiết bị điện tử kể từ giữa thập niên 1950. Kể từ đây, nhu cầu thu nhỏ và đơn giản hóa cấu trúc mạch điện đã phát sinh làm cho các nhà sản xuất mạch điện gặp rất nhiều khó khăn. Họ đã thử qua nhiều cách khác nhau nhưng đều thất bại cho đến khi họ để ý tới một phát minh quân sự đã được Chính phủ Hoa Kỳ thương mại hóa dân sự vào năm 1948, đó chính là bảng mạch in. Trước đó, phát minh này đóng vai trò quan trọng trong các ngòi nổ cận đích (proximity fuze) của Quân đội Hoa Kỳ trong Thế chiến 2. Bài toán thu nhỏ và đơn giản hóa mạch điện đã được giải quyết một cách đáng kể và bảng mạch in đã mở ra thời kì "bùng nổ" của các thiết bị điện tử gia đình ở Mỹ rồi sau đó lan nhanh sang Canada, các quốc gia Tây Âu (Anh, Pháp, Đức,...), Nhật Bản và các quốc gia khác trong từ cuối thập niên 50-đầu thập niên 60 của thế kỉ XX.

Lúc ra đời thì in mạch là công nghệ vượt trội, dẫn đến tên gọi "bảng mạch in" hay PCB.

Các module
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

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 có:
Thiết kế sơ đồ mạch điện thông qua công cụ tự động hóa thiết kế điện tử (EDA, Electronic design automation).
Xác định kích thước và hình mẫu bảng PCB và vỏ hộp phù hợp cho hệ mạch.
Xác định vị trí các linh kiện có tính đến kích thước và mức tỏa nhiệt của chúng, và các tản nhiệt nếu có.
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.
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.
Xuất ra các tệp Gerber để điều khiển máy gia công bảng mạch.

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.

Các phần mềm thiết kế

Chỉ dẫn

Chú thích

Liên kết ngoài

A collection of board & module construction techniques (Italian, 2 pp.)
PCB Fabrication Data - A Guide
The Gerber Format Specification