Mạch PCB là gì? Cấu tạo, ứng dụng & nguyên lý hoạt động (2024)

PCB đang trở nên rất phổ biến nhất là hiện nay, là phần không thể thiếu trong các linh kiện, thiết bị điện tử. Chúng ta có thể bắt gặp thuật ngữ này ở trên các loại bảng điện, thiết bị điện tử,... Vậy PCB là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ra sao? Chúng ta cùng đến với bài viết để tìm hiểu các thông tin về PCB nhé.

Mạch PCB là gì?

→ Khái niệm

Mạch, hay bản mạch PCB là viết tắt của một cụm từ tiếng anh là Printed Circuit Board, được dịch nôm na là bản mạch in. Các thành phần và dây dẫn trong PCB được chứa trong một cấu trúc cơ khí, trong đó các linh kiện điện tử sẽ được kết nối với nhau trên cùng một bảng mạch.

Bên trong mạch PCB thì các linh kiện điện từ sẽ được kết nối không thông qua các dây dẫn ngoài và các đường dẫn sẽ được tích hợp ngay trên bề mặt của mạch, do đó sẽ giúp mạch được gọn gàng, giảm thiểu độ chồng chéo phức tạp mà gây ra những vấn đề không mong muốn.

Anh em có thể gặp những PCB trong các thiết bị hay linh kiện điện tử xung quanh mình như điện thoại, TV, các thiết bị điện tử gia dụng, thiết bị y tế,... và thậm chí là các tên lửa. Trong đó, mạch PCB có tác dụng cung cấp điện và kết nối điện giữa các linh kiện để thiết bị có thể hoạt động.

→ Lịch sử hình thành

Giờ thì có lẽ anh em đã biết được PCB là gì rồi đúng không, vậy thì thứ được gọi là PCB này đến từ đâu? Đây sẽ là phần trả lời cho câu hỏi đó.

Được bắt đầu từ những bản mạch đơn giản không được gọn gàng thời xưa, nay những bản mạch ấy đã được cải tiến và phát triển để trở nên gọn gàng và hiệu quả hơn rất nhiều.

Trước khi trở thành các PCB như thế này, mạch điện khi xưa chỉ là các dây riêng lẻ được gắn vào các bộ phận và những đường dẫn điện được thực hiện bằng cách hàn các thành phần kim loại cùng với dây, các mạch lớn hơn chứa nhiều linh kiện điện tử hơn sẽ chứa nhiều dây hơn. Đối với các mạch phức tạp hơn, chúng có thể bị rối vào nhau do số lượng dây quá lớn, qua đó sẽ chiếm nhiều không gian hơn.

Qua đó anh em có thể thấy quá trình làm ra chúng rất vất vả, tiến độ chậm, đòi hỏi anh em phải hàn thủ công nhiều thành phần kết nối có dây trong mạch điện. Chính vì thế cũng rất khó khăn để tìm lỗi và sửa chữa, qua đó độ chính xác của chúng khi hoạt động cũng không cao.

→ PCBA là gì?

PCBA là một loại bản mạch in khác với PCB, nhưng vẫn là loại bản mạch phổ biến như PCB. PCBA là viết tắt từ Printed Circuit Board Assembly, chỉ loại bản mạch in PCB đã hoàn thiện, đã được gắn đầy đủ các linh kiện điện tử cần thiết như điện trở, IC, tụ điện, trong khi đó PCB chỉ mạch in chưa được lắp linh kiện.

PCBA thường đã trải qua quá trình hàn, có thể được làm thủ công hoặc qua công nghệ gắn bề mặt (SMT) và hàn reflow để tạo kết nối hoàn thiện giữa linh kiện và mạch in.

→ Cấu tạo PCB gồm những gì?

Là một linh kiện điện tử phức tạp, PCB được cấu tạo từ nhiều vật liệu dẫn điện khác nhau được sắp xếp hợp lý bao gồm:

• Chất nền: Được làm từ thủy tinh FR4, cũng có thể làm từ vật liệu đắt tiền hơn như nhôm, polymer hoặc RO4350B tùy loại bản mạch. Có tác dụng đảm bảo tính cách điện trong bản mạch. Thông thường chiều dày kích thước của mạch in là 0,063 inch, tương đương 1,6mm nhưng có thể biến đổi tùy theo bản mạch.
• Copper: Là lớp vật liệu thứ 2 của mạch in, là một lớp đồng mỏng có vai trò dẫn điện, có thể có nhiều lớp khác nhau tùy vào chức năng và thiết kế của mạch. Chiều dày lớp đồng có thể thay đổi và được xác định bằng tham số khối lượng/ diện tích, đơn vị tính là oz.
• Solder mask: đây là lớp mặt nạ hàn được gắn phía trên copper. Lớp này sẽ che phủ toàn bộ mạch trừ phần chân linh kiện để hàn. Có tác dụng cách biệt phần chân linh kiện cần hàn và các đường mạch xung quanh, chống oxy hóa đường mạch và điều hướng linh kiện kích thước nhỏ SMD vào đúng vị trí.
• Silk screen: là lớp màu trắng trên cùng của mạch in, có vai trò biểu thị giá trị, vị trí linh kiện hay bất cứ biểu tượng nào mà người thiết kế muốn thể hiện.

Ứng dụng bảng mạch PCB trong cuộc sống

Bản mạch PCB hiện tại đang được ứng dụng trong hầu hết các thiết bị điện trong cuộc sống từ lớn đến nhỏ, như công nghiệp (ô tô, máy móc,...), thiết bị y tế, máy tính, TV, điện thoại di động,...

Chúng ta cùng điểm qua một số lĩnh vực nổi bật nhé:

→ Y khoa

ngành y khoa ngày càng tiên tiến nhờ vào những thiết bị công nghệ dùng trong ngành y khoa ngày phát triển. PCB là thành phần chiếm không ít sự quan trọng, khả năng của PCB đã phần nào nâng cấp các hệ thống của thiết bị đó.

Nhờ kích thước nhỏ gọn và hiệu quả đáng nể, các thiết bị được nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ hơn, loại bỏ sự phức tạp của dây dẫn và các đầu nối trong hệ thống.

→ Không gian vũ trụ

Các PCB được sử dụng trong ngành này thường là loại cứng và linh hoạt, thường sử dụng trong các bảng, thiết bị điều khiển, hệ thống điều hành, hệ thống an toàn…

Về các máy bay do thám, vệ tinh và các thiết bị vũ trụ khác người ta sẽ sử dụng PCBs phức tạp hơn, có tuổi thọ dài hơn. Các PCB cần phải đáp ứng đủ nhu cầu như thiết kế mỏng nhẹ, chịu độ rung cao, giảm tiêu thụ nhiên liệu.

→ Quân sự

Trong lĩnh vực này, cá PCB được sử dụng đòi hỏi phải tiếp xúc thường xuyên với va đập, rung sốc. Vì công nghệ quân sự cũng ngày càng tiên tiến nên các PCB được dùng để điều khiển robot, hệ thống tự động hướng dẫn lộ trình và ngắm của tên lửa, hệ thống định vị,...

Các PCB này yêu cầu cần phải có hiệu suất cao, độ dẻo dai tốt và có thể chịu được lực hàng nghìn pound mà không hỏng hóc.

→ Công nghiệp

Nhờ có PCB mà ngày nay, mà các hoạt động từ sản xuất đến quản lý các chuỗi cung ứng - thông tin, tự động hóa, đã tăng cường độ hiệu quả đáng kể. Việc này dẫn đến tăng cường sản xuất mà giảm được chi phí lao động.

Nhờ có hệ thống tự động hóa máy móc mà có thể nói là toàn bộ ngành công nghiệp đều đạt được năng suất và hiệu quả công việc cao hơn so với trước kia.

Thuật ngữ nào nên biết trong mạch PCB?

Để hiểu biết hơn về PCB, chúng ta cần phải biết các thuật ngữ của nó ra sao. Và sau đây là các thuật ngữ phổ biến:

• Vòng khuyên (Annular ring): là những vòng đồng được mạ xung quanh một lỗ nằm trong PCB.
• DRC (Design Rule Check): kiểm tra quy tắc thiết kế. Đây là quá trình kiểm tra bằng phần mềm sau khi thiết kế xong board mạch trên file để đảm bảo thiết kế không có lỗi như việc chạm, hở, đi dây không chính xác, vết quá mỏng hoặc lỗ khoan quá nhỏ.
• Lỗ khan (Drill): lỗ khoan trên bề mặt PCB đóng vai trò là nơi bắt vít hoặc định vị connector. Lỗi thường thấy ở các lỗ khoan là do mũi khoan không chính xác gây ra bởi các mũi khoan bị mòn là một vấn đề sản xuất phổ biến.
• Finger: là những miếng kim loại tiếp xúc dọc theo cạnh của mạch in, được sử dụng để tạo kết nối giữa hai bảng mạch, đây được xem là một dạng tấm pad đặc biệt. Ví dụ phổ biến là khe cắm thẻ ram của máy tính hoặc trên các băng game thời xưa.
• Panel: một bảng mạch lớn hơn bao gồm nhiều PCB nhỏ nằm bên trong, thông thường những bảng lớn này sẽ được tạo ra từ những máy làm boarch mạch sau đó bằng những Mouse Bites hoặc V-Scope ta có thể tách những bản con ra và tiếp tục sử dụng. Panel thường thấy trong các quy trình sản xuất hàng loạt PCB.
• Chuột cắn (Mouse bites) – một giải pháp thay thế cho V-Scope để tách các mạch in ra khỏi bảng lớn (Panel). Đây là, tập hợp một số mũi khoan nằm gần nhau nhằm tạo ra một điểm yếu để bạn có thể tác dụng một lực nhẹ cũng có thể tách được PCB ra khỏi Panel mà không sợ hư hỏng, gãy mạch (như đồ chơi xếp hình ngày xưa).
• Tấm đệm (Pad ): là phần tiếp xúc kim loại trên bề mặt của PCB, đây là nơi mà linh kiện sẽ được hàn vào.
• Paste stencil: có thể là một loại giấy nến mỏng, bằng kim loại (hoặc đôi khi bằng nhựa) được thiết kế theo các đường dẫn của PCB nhiệm vụ của nó là cố định kem hàn nằm đúng như vị trí đã thiết kế. Khi đặt stencil lên bề mặt P.CB, bạn chỉ cần quét kem hàn lên, lúc này kem hàn sẽ nằm đúng vị trí mà bạn muốn hàn
• Mặt phẳng (Plane): một khối đồng liên tục trên bảng mạch, xác định bằng đường viền chứ không phải bằng đường dẫn (trace).
• Mạ xuyên lỗ (Plated through hole): một lỗ trên bảng được phủ một lớp mạ từ mặt này sang mặt kia của PCB. Lỗ mạ này có thể là điểm kết nối cho linh kiện xuyên lỗ thông qua để truyền tín hiệu.
• Pogo pin: là một công cụ có gắn lò xo, được sử dụng để kiểm tra các điểm pad trên bề mặt PCB xem có đúng như thiết kế và có ăn điện hay chưa. Có thể dùng kiểm tra thủ công thông qua fixture hoặc qua máy để kiểm tra tự động.
• Silkscreen (Silkscreen): các chữ cái, số, ký hiệu và hình ảnh trên bảng mạch. Thường chỉ có một màu và độ phân giải thường khá thấp.
• Khe cắm (Slot): bất kỳ những lỗ nào trên bảng không tròn sẽ được gọi là khe. Các khe có thể được mạ hoặc không, các khe cắm đôi khi sẽ làm tăng thêm chi phí cho việc sản xuất PCB vì chúng đòi hỏi thêm thời gian cắt.
• Kem hàn (Solder paste): những tinh thể thiếc hoặc chì hàn được tạo thành dung môi lỏng dạng kem, được gắn lên các miếng gắn bề mặt trên PCB trước khi đặt linh kiện. Sau khi quét kèm hàn lên PCB, sẽ đưa qua lò hàn để nung chảy, chất hàn trong kem sẽ tan chảy, tạo ra các khớp nối điện và cơ học giữa các miếng pad và linh kiện.
• Gắp và đặt (Pick-and-place): là một loại máy thường thấy trong các quy trình sản xuất bo mạch SMT tự động. Với độ chính xác của máy gắp đặt linh kiện, các linh kiện dán nhanh chóng được đặt lên đúng vị trí được lập trình trên mạch PCB.
• Bể hàn nhúng (Solder pot): thiết bị này được sử dụng để hàn nhanh các bo mạch bằng tay với các thành phần có lỗ. Thiết bị sẽ có một bể nhúng, chì hàn sẽ được cho vào bể và nung nóng chảy sau đó chỉ cần nhúng PCB vào chì, các mối hàn sẽ được để lại trên tất cả các pad.
• Mặt nạ hàn (Soldermask ): một lớp vật liệu bảo vệ phủ lên kim loại để ngăn ngừa đoản mạch, ăn mòn và các vấn đề khác. Thường có màu xanh lá cây, có thể có một số màu khác.
• Cầu nối hàn (Solder jumper): là một mối hàn nhỏ trên PCB có công dụng tách hoặc nối trade/pad với nhau. Tuy nhiên, khi sử dụng thủ thuật này cần phải cẩn thận vì có thể gây ra ngắn mạch nếu không đúng kỹ thuật.
• Gắp và đặt (Pick-and-place): là một loại máy thường thấy trong các quy trình sản xuất bo mạch SMT tự động. Với độ chính xác của máy gắp đặt linh kiện, các linh kiện dán nhanh chóng được đặt lên đúng vị trí được lập trình trên mạch PCB.
• Gắn bề mặt (Surface mount): gắn bề mặt hay còn gọi là công nghệ dán bề mặt (SMT) thường được sử dụng với các linh kiện SMD. Một công nghệ rất phổ biến hiện nay.
• Trace: là những đường dẫn trên mạch PCB nối từ điểm này đến điểm kia.
• V-score (V-score): là một đường cắt qua bảng, cho phép dễ dàng cắt bảng theo một đường thẳng (tách bảng ra khỏi panel).
• Via: một lỗ trên bảng dùng để truyền tín hiệu từ lớp này sang lớp khác. Lỗ via có thể được bao phủ bởi chất hàn để bảo vệ chúng khỏi bị hàn vào. Trong khi đó các đầu nối và các linh kiện được gắn vào lỗ via thường không không được phủ lớp hàn để có thể gắn vào dễ dàng hơn.
• Hàn sóng (Wave solder): một phương pháp hàn được sử dụng trên bo mạch có các linh kiện xuyên lỗ. Mạch được hàn theo phương pháp hàn sóng sẽ được đưa vào một nồi hàn nóng chảy, dưới tác động của bơm tạo thành các sóng chì hàn dội vào PCB. Lúc này, chì hàn sẽ dính vào các pad và dây dẫn linh kiện tiếp xúc. Phương pháp này thường được sử dụng ở những xưởng sản xuất bo mạch.

Có bao nhiêu loại PCB?

#1 PCB 1 lớp

PCB một mặt (hay một lớp) à loại PCB có một mặt được phủ một lớp vật liệu dẫn điện bất kỳ, vì thế nên nó được sử dụng nhiều nhất nhờ tính đơn giản và dễ thiết kế, chế tạo. Vật liệu dùng để dẫn điện thường sử dụng nhất là đồng vì đồng có tính dẫn điện rất tốt mà lại rẻ nữa.

Để bảo vệ PCB khỏi quá trình oxy hóa, người ta sẽ hàn một lớp phủ lên trên, tiếp theo là lớp in lụa để đánh dấu tất cả các linh kiện của PCB. Ngoài ra còn có một mặt dùng để kết nối các loại linh kiện điện tử như điện trở, tụ điện,..., các linh kiện này sẽ được hàn dính. Các ứng dụng thường thấy của PCB một lớp là các sản phẩm điện tử chi phí thấp và số lượng lớn như máy tính, máy in, ổ cứng, radio.

#2 PCB 2 lớp

Còn được gọi là PCB 2 mặt, loại PCB này chứa một lớp vật liệu dẫn điện mỏng, tuy nhiên khác với PCB 1 lớp là vật liệu nằm cả mặt trên và dưới của bo mạch.

PCB 2 lớp có tính linh hoạt cao và tốn chi phí thấp hơn, kích thước là điểm mạch giúp giảm diện tích mạch làm mạch nhỏ gọn hơn. Loại PCB này thường được sử dụng trong điều khiển công nghiệp và các thiết bị nhỏ gọn như điện thoại, hệ thống UPS, bộ khuếch đại, hệ thống giám sát nguồn,...

#3 PCB nhiều lớp

Khác với 2 loại trên, PCB này có nhiều lớp hơn, ít nhất là 3 lớp cách điện bằng đồng. PCB này còn có lớp keo dán bảng được kẹp giữa các lớp cách nhiệt để bảo vệ các linh kiện khỏi các vấn đề do nhiệt độ lớn phát sinh gây ra.

PCB nhiều lớp thường được sử dụng trong các thiết bị hay ứng dụng phức tạp hơn so với 2 loại trước đó nhờ kích thước nhỏ trong không gian hẹp, cụ thể như là công nghệ GPS, hệ thống vệ tinh, thiết bị y tế, lưu trữ dữ liệu,..

#4 PCB dẻo

Còn được gọi là mạch Flex, sử dụng các vật liệu dẻo như polyamide, PEEK (polyether ether ketone) hoặc màng polyester để dẫn điện trong suốt. Có bản mạch thường được gấp hoặc xoắn.

Loại PCB này chứa nhiều lớp khác nhau như mạch flex một mặt, hai mặt và nhiều mặt, vì thế nó rất phức tạp. PCB dẻo thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp như ô tô, điện tử, máy tính,..., ngoài ra còn được sử dụng trong diode phát sáng hữu cơ, pin mặt trời,...

#5 PCB cứng

Vì là loại PCB cứng nên vật liệu làm nên PCB này cũng có tính rắn chắc, vì thế không xoắn được, đồng thời cũng không thể uốn cong được.

PCB cứng cũng có bản mạch phức tạp với mạch một, hai hoặc nhiều lớp, nhưng được sử dụng và sản xuất nhiều nhất là một mặt. Nhờ tuổi thọ cao của mình, PCB cứng được tin dùng trong nhiều bộ phận của máy tính như RAM, GPU và CPU.

#6 PCB dẻo - cứng (flex-rigid PCB)

Đây là một loại PCB đặc biệt với sự kết hợp giữa PCB dẻo và cứng, bao gồm các lớp dẻo của PCB dẻo gắn với các lớp cứng của PCB cứng. Loại đặc biệt này thường được sử dụng trong điện thoại di động, ô tô và máy ảnh kỹ thuật số, và còn nhiều nữa.

>>> 100+ Mã Sản Phẩm Dây Rút: https://mecsu.vn/san-pham/quat.nKKQ

>>> 1000+ Mã Sản Phẩm Đầu Cosse: https://mecsu.vn/san-pham/dau-cosse.Q1j

Mời anh em xem thêm:

•  IC 555 là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động IC 555
•  GPIO là gì? Cấu hình GPIO Input & Output chuẩn
•  RCA là gì? So sánh giữa RCA với HDMI

Và đó là toàn bộ thông tin mà mình có thể chia sẻ được cho các bạn về mạch PCB bao gồm PCB là gì, ứng dụng, phân loại và nguyên lý hoạt động của PCB. Cảm ơn anh em đã theo dõi bài viết, chúng anh em có nhiều thành công và may mắn.