CÔNG NGHỆ MẠCH IN

ba191992

Phần 1: Tổng quan về PCB Chương 1 : Giới thiệu về mạch in 1.1. Một PCB là gì ? Một PCB (Printed Circuit Board) là một bảng mạch in điện tử có vai trò chính là để tạo ra một kết nối giữa các thành phần, như là các điện trở, các mạch tích hợp, và các connector. Nó có thể được dùng trong các thiết bị sau: • Một bàn phím. Khi một nút được ấn, có một miếng nhựa đàn hồi sẽ tiếp xúc với một miếng kim loại ở dưới, và khi nút được giải phóng sẽ tạo ra ngắn mạch giữa hai đường mạch tại tiếp điểm, bởi vậy tạo ra một mạch. • Một đồng hồ đo đa chức năng có một PCB được sắp theo hàng lối với một công tắc, như hình 1-1. Nó cũng có các lỗ và các đệm cho các chân linh kiện, sử dụng các miếng lót cho pin, chúng phải được bố trí phù hợp với kích thước/hình dạng của vỏ, sử dụng một linh kiện cắm qua bảng mạch và có thể được điều chỉnh từ bên ngoài vỏ. Hình 1-1:Đồng hồ đa chức năng • Một máy tính. Là một trong số những bảng mạch phức tạp có hỗ trợ các vi xử lý, các IC, cũng như các cổng kết nối cho các bảng mạch khác (hình1-2 và 1-3). Hình 1-2: PCB bên trong một máy tính Hình 1-3: Máy tính tự động 1.2 Một PCB được làm bằng gì Một PCB cơ bản bắt đầu bằng một vật liệu sợi thuỷ tinh được phủ đồng (copper- clad fiberglass material) hoặc có các mặt đồng mỏng dán vào hai mặt bảng mạch, như hình 1-4 Hình 1-4: Vật liệu lõi (Core Material) Với bảng mạch nhiều lớp (một bảng với nhiều hơn hai lớp đồng), một lớp Pre-Preg (hình 1-5) có thể được đặt giữa các lõi để tạo một bảng mạch cứng với nhiều lớp đồng (hình 1-6). Pre-Preg được làm bằng các vật liệu tương tự với vật liệu lõi có thêm chất kết dính để dính các lớp ở mặt trên và dưới. Hình 1-5: Vật liệu Pre-Preg (Pre-Preg material) Hình 1-6: Vật liệu lõi và vật liệu Pre-Preg tạo ra một bảng mạch đơn Phần tiếp theo sẽ giải thích về các vật liệu và các phần tử tạo nêu các vật liệu. Lõi/Vật liệu lõi (Core/Core Material) Vật liệu lõi (nhìn hình 1-4) là một miếng nhựa thông trong cứng với hai mặt đồng dán vào hai mặt. Một số vật liệu có thể chỉ có một mặt đồng dán vào một mặt. Đồng được đo bằng ounces (oz). Thông thường có các độ dày chuẩn sau: • 1/2 oz (0.0007"[0.01778]) • 1 oz (0.0014"[0.03556]) • 2 oz (0.0028"[0.07112]) • 3 oz (0.0042"[0.10668]) Các nhà sản xuất sẽ quy đổi độ dày lớp đồng theo ounce, nhưng khi sắp xếp các lớp, độ dày theo inch/mm sẽ được dùng. Pre-Preg Vật liệu Pre-Preg được sản xuất tương tự như vật liệu lõi nhưng nó ở dạng mềm và dễ uốn và chúng có các độ dày chuẩn. Các mảnh vật liệu sẽ được xếp chồng để tạo ra độ dày theo mong muốn (hình 1-5)  0.002" [0.0508]  0.003" [0.0762]  0.004" [0.1016] Khi tính toán độ dày được tạo, bội lần của 0.002 hoặc sự tổ hợp các độ dày sẽ được dùng. Lớp đồng (Copper Foil) Lớp đồng (hình 1-7) là một lớp đồng mỏng được đặt phủ hoặc nằm giữa các vật liệu Pre-Preg. Các vật liệu này có các độ dày sau: Hình 1-7: Lớp đồng • 1/2 oz (.0007"[0.01778]) • 1 oz (.0014"[0.03556]) • 2 oz (.0028"[0.07112]) Mạ đồng (Copper Plating) Mạ đồng chủ yếu được dùng riêng cho các bảng mạch đã hoàn thành, ở lớp bên ngoài, và làm dày thêm lớp đồng trên cùng trong khi mạ lên thành của các lỗ khoan trên bảng mạch. Các thành lỗ mạ là mục đích chính của việc mạ đồng nhưng nó vẫn làm dày thêm toàn bộ bảng mạch. Độ dày trung bình của lớp mạ là 0.0014”[0.0356], khoảng xê dịch từ 0.0012” tới 0.0014”[0.0304-0.0356]. Thông thường lớp mạ ngoài được thêm sau khi bảng mạch được khoan và lớp đồng ngoài trên bảng được ăn mòn, để lại đường mạch dày hơn, như hình 1-8 và 1-9 Hình 1-8: Mạ ngoài Hình 1-9: Mạ sau khi ăn mòn Hàn trảy (Solder Flow) Hàn trảy là một quá trình mà việc hàn chỉ thực hiện trên mặt ngoài bảng mạch ở vùng đồng lộ ra (hình 1-10). Nó giúp ích cho việc chuẩn bị hàn bảng mạch và chống lại quá trình oxi hoá đồng. Vùng đồng trên toàn bộ bảng mạch có thể được hàn chảy, hoặc một quá trình được gọi là SMOBC (Solder Mask Over Bare Copper – Hàn che phủ lên toàn bộ lớp đồng trần) sẽ được dùng. Quá trình SMOBC được thực hiện khi bảng mạch đã được che phủ và chỉ vùng để hở (thường là các đệm hay vùng nơi sẽ được hàn) sẽ được bao phủ bởi hàn trẩy. Hình 1-10: Hàn trẩy Hàn mặt nạ (Solder Mask) Hàn mặt nạ (hình 1-11) là một vật liệu dùng để bao phủ bảng mạch nhằm mục đích:  Bảo vệ khỏi môi trường bề mặt  Bảo vệ bảng mạch về mặt điện học  Bảo vệ các mối hàn cầu nối  Bảo vệ các thành phần được gắn lên trên bảng mạch  Bảo vệ bảng mạch khỏi sự toả nhiệt của các thành phần được gắn lên đó Hình 1-11: Hàn mặt nạ Một số chẩn không coi hàn che phủ là sự bảo vệ tốt bởi vì sự khác nhau giữa các hãng về kiểu loại và sự khác nhau về độ dày theo từng ứng dụng. Đường mạch (The Trace) Một đường mạch trên hay trong một PCB tương tự như một đường dây. Nó có cùng chức năng chuyền tín hiệu điện từ nơi này tới nơi khác. Lớp đồng, như đã nói ở trên, sẽ được thực hiện quá trình ăn mòn axít để loại đi những phần không cần thiết, chỉ giữ lại các đường mạch và các đệm theo yêu cầu. Một đặc điểm của đường mạch là độ rộng và độ dày của nó. Có một số giá trị để xác định cường độ dòng điện cái mà một đường mạch có thể tải được, điều này tương tự như đường dây. Luật ngón tay cho độ rộng đường mạch là 0.010"[.0254] với mỗi Amp ở lớp ngoài (thường với lớp đồng dày 1.5oz hay 0.0021”[0.0533]) và 0.040”[0.1016] mỗi Amp cho lớp trong (1/2oz lớp đồng). Các thông số trên chỉ là một gợi ý. Trên thực tế công thức sẽ rất phức tạp bởi vì nó không tuân theo cấp số nhân thông thường. Giá trị đưa ra là một tham khảo nhưng nó chưa quan tâm tới nhiệt độ và độ dày lớp đồng. Dưới đây là những vấn đề cần quan tâm tới:  Nhiệt độ (tăng hơn nhiệt độ phòng)  Dòng điện  Độ rộng đường mạch  Lớp trong hay lớp ngoài Đệm (The Pad) Một đệm có thể gồm nhiều hình dạng và kiểu dáng khác nhau. Thông thường có hai loại đệm được sử dụng, đó là đệm cho bề mặt gắn linh kiện được hàn (soldered surface-mount pad) và đệm cho lỗ xuyên được hàn (soldered thru-hole pad ) (hình 1-12) Hình 1-12: Chân linh kiện được hàn vào một bảng mạch Đệm cho bề mặt gắn linh kiện thực ra chỉ là các vùng đồng hình vuông hoặc chữ nhật nơi để gắn vừa các linh kiện vào. Kích thước và hình dạng của đệm phụ thuộc vào linh kiện cái được gắn hay hàn vào. Hầu hết các nhà sản xuất linh kiện thường đưa ra kích thước đệm cho các linh kiện của họ. Đệm được hàn có thể gồm một đệm cho lỗ xuyên được mạ (PLTH) hoặc một đệm cho lỗ xuyên không được mạ (NPTH). Cả hai loại này chỉ có các hình là tròn vuông và chữ nhật với một lỗ xuyên qua đệm. Cái này cho phép chân cắm linh kiện có thể cắm vào bảng mạch bằng cách đặt chân xuyên qua lỗ và hàn chân ở quanh vùng đệm. Lỗ xuyên được mạ (The Plated Hole) Lỗ được mạ, như hình 1-13, gồm có một đệm với một lỗ được xuyên qua đệm. Thành của lỗ được bao phủ hoặc được bọc bằng đồng, và trong một số trường hợp chúng được hàn hoặc bọc bảo vệ. Việc mạ lỗ được thực hiện từ vùng ngoài cho tới phần thành trong của lỗ. Hình 1-13: Lỗ được mạ cắt ngang Việc mạ thành lỗ nhằm các mục đích sau:  Hỗ trợ đệm ngoài, phù hợp với đệm nhỏ  Tản nhiệt trong quá trình hàn, phù hợp với đệm nhỏ  Nối từ lớp trên cùng tới lớp dưới cùng mà không cần quan tâm tới linh kiện gắn vào  Hỗ trợ hàn chảy từ đỉnh tới đáy, không cần phải hàn ở cả hai mặt  Cần thiết đối với bảng mạch nhiều lớp cho kết nối đệm trong Lỗ xuyên không được mạ (The Non-Plated Thru-Hole) Lỗ xuyên không được mạ (NPTH) thực chất là một đệm mà lỗ xuyên không được mạ. Thông thường đệm này được dùng cho bảng mạch một mặt hoặc là cho các lỗ để cắm các linh kiện. Hình 1-14 là một lỗ không mạ, vùng quanh lỗ không có đồng (tương tự như cạnh bảng mạch). Nếu như một bảng mạch không có lỗ được mạ thì không cần quá trình mạ. Điều này làm giảm giá sản xuất (nhưng làm tăng kích thước đệm), làm giảm diện tích bề mặt sử dụng, và không hỗ trợ bảng mạch nhiều lớp. Hình 1-14: Lỗ không được mạ cắt ngang Các khe (Slots) Các khe tương tự như các lỗ có bọc hoặc không bọc nhưng chúng vẫn là một khái niệm riêng bởi vì hình dáng và tính chất của chúng. PLTH/NPTH thường có các lỗ tròn nhưng các đệm thì không phải luôn tròn. Một khe được đục lên bảng mạch bằng một mũi khoan có thể là hình bầu dục, chữ nhật hoặc hình vuông cạnh tròn. Góc của khe không phải là hình vuông trừ khi sử dụng một cái rùi đặc biệt. Các khe được đục bằng một mũi khoan tròn; bởi vậy góc phải bằng bán kính của mũi khoan, hoặc là lớn hơn. Kích thước mũi khoan phụ thuộc vào độ dày bảng mạch và khả năng của nhà sản xuất. Một mũi khoan nhỏ có thể được dùng với một bảng mạch dày nhưng phải đục lâu hơn để tránh việc nứt, làm tăng giá thành và thời gian. Cạnh (Edge) Cạnh của bảng mạch là tất cả các phần của bảng mà lộ ra phần cắt ngang của nó, gồm các khe, rãnh, và cạnh ngoài cua bảng mạch. 1.3 Một bức phác hoạ của quá trình thiết kế Toàn bộ quá trình thiết kế được xác định bởi ứng dụng và vai trò của người thiết kế. Quá trình thiết kế có rất nhiều khía cạnh cần quan tâm và phần này định nghĩa một số thông tin nên được thu thập. Đầu tiên, ta cần xác định chức năng hoặc hình dạng được làm. Có rằng buộc gì về kích thước bảng mạch hay không? Nếu không có ràng buộc gì thì kích thước bảng mạch được xác định bởi các thành phần trên bảng mạch và vùng mà chúng chiếm giữ. Cái này tạo cho các kỹ sư một ý tưởng về cái họ phải làm việc với. Người kỹ sư sẽ tạo ra một mạch hoặc là nhiều mạch và đưa chúng vào một chương trình gọi là intelligent schematic capture (sơ đồ nguyên lý) như trong hình 1-15. Còn bảng mạch hoàn thiện của nó được biểu diễn trong hình 1-16: Hình 1-15: Sơ đồ nguyên lý