Mạch in

Bảng mạch in hay bo mạch in (tiếng Anh: printed circuit board - PCB) , đôi khi gọi tắt là mạch in, là bảng được sử dụng để kết nối các linh kiện điện tử với nhau 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 công đoạn quan trọng trong quá trình chế tạo mạch điện tử. Trước đây, việc sản xuất bảng mạch in diễn ra một cách thủ công, rời rạc. Tất cả các công đoạn đều được làm bằng tay, từ khâu lập sơ đồ mạch điện cho đến khâu lắp ráp. Ngày nay, các hệ thống hỗ trợ thiết kế và sản xuất bằng máy tính (CAD-CAM) cùng các máy CNC đã đảm bảo quá trình sản xuất mạch in diễn ra một cách liên tục, khép kín; giảm nhẹ sự can thiệp của con người, qua đó giảm sai sót gây ra trong 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:
Lịch sử.
Trước thập niên 1950, cách duy nhất để người ta kết nối các linh kiện điện tử trong một thiết bị điện tử là sử dụng phương pháp nối dây "điểm-điểm" (point-to-point). Phương pháp này sử dụng rất nhiều dây dẫn với nhiều độ dài khác nhau nối vào 2 cực của các linh kiện làm cho các mạch điện có cấu trúc rất phức tạp, tốn nhiều thời gian sản xuất, giá cả cũng rất đắt tiền cũng như tuổi thọ sử dụng của các mạch nối dây không được cao do các chân nối sẽ bị hoen rỉ sau một thời gian sử dụng. Việc sửa chữa các mạch điện này cũng rất khó khăn và tốn kém do cấu tạo của chúng quá phức tạp. Các mạch nối dây vẫn được sử dụng rộng rãi cho đến thập niên 1980 trên các ti vi và radio.
Khi transistor ra đời năm 1947 tại phòng thí nghiệm Bell (Bell Lab), 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 . 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:
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.
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 .
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 :
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.