Trong bất kỳ công việc thiết kế nào, bạn sẽ gặp phải nhiều quy tắc và lựa chọn. Bạn cần xem xét vị trí đặt linh kiện, quy trình bố trí mạch, quản lý lớp chồng, tính toàn vẹn tín hiệu và nguồn điện, và nhiều yếu tố khác. Có thể nói rằng hàng nghìn kỹ sư đang làm việc để đảm bảo các quy trình này diễn ra suôn sẻ.
Một điểm khởi đầu tốt là hướng dẫn lựa chọn vật liệu. Một bảng mạch in (PCB) thông thường có một hoặc nhiều lớp đồng. Các lớp đồng này được ép giữa các lớp nền mỏng, không dẫn điện. PCB là nền tảng vật lý giữ các linh kiện điện tử, đường dẫn dẫn điện, pad và các tính năng chức năng khác. Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét các vật liệu và điểm thiết kế cho từng lớp PCB: lớp in, lớp phủ hàn, lớp đồng và lớp nền.
Lựa chọn vật liệu PCB
Việc xử lý vật liệu PCB khiến bất kỳ kỹ sư nào cũng phải cân nhắc các yếu tố nhiệt, cơ học, điện và hóa học trong quá trình sản xuất.
Đối với hiệu suất nhiệt, bạn cần xem xét mức độ nóng mà các bộ phận có thể đạt được và nhiệt độ làm việc tối đa trong toàn bộ thiết kế. Các đặc điểm cơ khí bao gồm vỏ bảo vệ và yếu tố hình dạng, cũng như mật độ hoặc độ linh hoạt, đặc biệt đối với các bảng mạch cứng-mềm.
Các tính chất điện liên quan đến yêu cầu cách điện, chẳng hạn như trở kháng, tính toàn vẹn tín hiệu và điện trở. Kỹ sư thiết kế phải cân bằng các yếu tố này trên toàn bộ bảng mạch hoặc hệ thống. Đối với tuổi thọ sản phẩm, các tính chất hóa học như khả năng hấp thụ độ ẩm là cần thiết trong môi trường ẩm ướt, ví dụ như cảm biến trong hệ thống IoT nông nghiệp. Tính dễ cháy cũng rất quan trọng. Ngoài ra, các giới hạn về môi trường và bền vững sẽ ảnh hưởng đến lựa chọn vật liệu PCB của bạn.
Các điểm chính cần kiểm tra
- Nhiệt độ: Giới hạn nhiệt độ của các bộ phận và các điểm nóng trên bảng mạch.
- Cơ học: hình dạng, kích thước, độ dày và độ linh hoạt.
- Điện: hằng số điện môi (Dk), hệ số tổn hao, điều khiển trở kháng và điện trở.
- Hóa học: khả năng hấp thụ độ ẩm, hàm lượng halogen và tính dễ cháy.
- Môi trường: Quy định RoHS và các quy định khác, khả năng tái chế.
In lụa
Silkscreen là lớp in logo, chữ cái, ký hiệu, số và các thông tin khác lên bảng mạch. Tên gọi này xuất phát từ phương pháp in lưới. Chức năng chính của silkscreen là cung cấp thông tin cho quá trình lắp ráp PCB và nhận dạng (ID). Các thông tin như cực tính, vị trí linh kiện và các chi tiết khác là rất quan trọng để đảm bảo lắp ráp chính xác.
Hai kỹ thuật in lụa phổ biến nhất là:
- Hình ảnh quang học dạng lỏng (LPI)Một bản in tốn nhiều thời gian, có độ phân giải cao sử dụng mực khô bằng tia UV.
- In ấn trực tiếp (DLP)Inkjet in ấn nhanh hơn và đơn giản hơn sử dụng mực acrylic.
Từ các dấu tham chiếu đến việc áp dụng số chứng nhận UL, quy tắc chung là sử dụng mực có màu tương phản với màu nền. Màu trắng là màu phổ biến nhất, nhưng có nhiều màu khác cũng có sẵn. Hiếm khi sử dụng hơn một màu in lụa trên cùng một bảng mạch.
Mặt nạ hàn
Lớp phủ hàn (soldermask) là lớp polymer phủ lên lớp đồng trên bảng mạch in (PCB), tạo nên vẻ ngoài xanh đặc trưng của PCB, mặc dù cũng có thể có các màu khác. Như tên gọi, nó giúp ngăn chặn hàn di chuyển đến những vị trí không mong muốn. Lớp phủ hàn buộc hàn phải bám vào vị trí mà nhà sản xuất mong muốn, ví dụ như trên các đặc điểm lộ ra như vòng tròn annular và pad SMD. Lớp phủ hàn cũng cách ly các đường dẫn đồng dẫn điện để chúng không tiếp xúc với hàn, kim loại hoặc các bộ phận dẫn điện khác, và nó giúp ngăn chặn quá trình oxy hóa.
Vật liệu che hàn được lựa chọn dựa trên cách chúng được áp dụng lên lớp đồng:
- Epoxy lỏng: Lớp phủ hàn rẻ nhất. Đây là một loại epoxy nhiệt rắn được áp dụng bằng phương pháp in lưới.
- Mặt nạ hàn dạng lỏng có thể in ảnh (LPSM)Đối với các bảng mạch có hình dạng không đều, công nghệ này sử dụng công thức mực UV-curable, được phủ lên bề mặt, sau đó phơi sáng và phát triển. LPSM có thể không tạo ra lớp phủ đồng đều hoàn hảo, nhưng nó che phủ các đặc điểm bề mặt phức tạp tốt hơn và có thể tiếp cận các không gian hẹp gần các đường dẫn đồng.
- Màng hàn có thể in hình bằng phim khô (DPSM)Đối với các bảng mạch phẳng có địa hình đồng nhất, phim khô được ép chân không và sau đó được phơi sáng và phát triển. Phim khô cung cấp độ dày đồng nhất nhưng chỉ có thể sử dụng trên các bảng mạch phẳng.
Lớp phủ đồng (CCL)
Dưới lớp phủ hàn là tấm laminate phủ đồng, hay CCL. CCL có hai phần:
- Tấm đồng: một lớp đồng dẫn điện mỏng. Các loại sản xuất phổ biến bao gồm STD (loại E, mạ điện), ANN (loại E, mạ điện đã ủ), và AR (loại W, cán).
- Chất nềnLớp không dẫn điện cung cấp độ cứng cơ học và hỗ trợ. Vật liệu nền thường được làm từ FR4, một loại composite sợi thủy tinh gia cường epoxy, và chất kết dính epoxy chống cháy. “FR” là viết tắt của "flame retardant" (chống cháy), và có nhiều phân loại dựa trên hiệu suất, khả năng cháy và loại vật liệu gia cường được sử dụng.
Khi người ta nói về bảng mạch hai lớp hoặc hai mặt, họ đang đề cập đến một bảng mạch in (CCL) có lớp đồng ở cả hai mặt của vật liệu nền. Một bảng mạch đa lớp tiêu chuẩn thường được sản xuất bằng cách xếp chồng hai hoặc nhiều bảng mạch hai mặt với các lớp cách điện ở giữa. Đó là lý do tại sao hầu hết các bảng mạch đa lớp tiêu chuẩn đều có số lượng lớp đồng chẵn. Số lượng lớp nhiều hơn cho phép có nhiều mặt đất hơn để phân tán nguồn điện và giảm nhiễu. Nhược điểm duy nhất khi thêm lớp là chi phí.
Tại sao số lớp lại quan trọng?
- Nhiều lớp hơn = phân phối điện năng tốt hơn và kiểm soát nhiễu điện từ (EMI) hiệu quả hơn.
- Nhiều lớp hơn = chi phí cao hơn và quy trình sản xuất phức tạp hơn.
- Sử dụng nhiều lớp hơn khi bạn cần trở kháng được kiểm soát, nhiều lớp đất hơn hoặc đường dẫn chặt chẽ.
Tương lai của vật liệu PCB
Các bo mạch nhỏ gọn, nhẹ dành cho thiết bị di động đang thúc đẩy nhu cầu về việc xếp lớp nhiều hơn và thiết kế dày đặc hơn. Hầu hết các cải tiến hiện nay tập trung vào việc nâng cao chất lượng của CCL (Conductorless Cladding Layer), chứ không phải những thay đổi nhỏ về lớp in mực hoặc lớp phủ hàn.
Các hệ thống epoxy cải tiến như Getek, Megtron, 4000-13 và fr-408 có hiệu suất tốt hơn so với fr4 cơ bản trong việc giảm hệ số điện môi (Dk) và hệ số tổn hao (loss tangent). Các vật liệu cao cấp như Asahi Glass A-PPE, Nelco 600-21 Si và Rogers 4350 cho thấy sự cải thiện rõ rệt về hệ số điện môi thấp hơn, kiểm soát trở kháng tốt hơn và giảm nhiễu jitter cho tín hiệu tốc độ cao.
Vật liệu CCL linh hoạt được làm từ polyimide (PI) hoặc polyester mang lại cho bạn các bảng mạch linh hoạt thực sự. Những vật liệu này rất phù hợp khi bạn cần một mạch điện có thể uốn cong.
Các quy định RoHS nghiêm ngặt đòi hỏi khả năng chịu nhiệt và độ tin cậy cao hơn. Vật liệu CCL không chứa halogen giới hạn hàm lượng clo và brom ở mức 900 ppm hoặc thấp hơn. Vật liệu CCL không chứa chì thay thế hệ thống đóng rắn DICY được sử dụng trong vật liệu FR4 tiêu chuẩn bằng hệ thống đóng rắn PN sử dụng chất đóng rắn phenolic, giúp bảng mạch hoạt động tốt với quy trình lắp ráp không chứa chì.
Ghi chú cuối cùng
Lựa chọn vật liệu PCB đòi hỏi phải cân nhắc giữa các yếu tố. Bạn cần phải lựa chọn vật liệu phù hợp với mục đích sử dụng của sản phẩm, tốc độ tín hiệu, phương pháp sản xuất và các quy định môi trường. Sử dụng FR4 cho nhiều loại bảng mạch thông dụng, nhưng hãy chọn các loại laminate cao cấp khi cần kiểm soát trở kháng tốt hơn hoặc giảm thiểu tổn hao. Đối với thiết kế linh hoạt, hãy chọn CCL linh hoạt dựa trên PI hoặc polyester. Trong quá trình lắp ráp, hãy chọn phương pháp in mực và phủ hàn phù hợp với hình dạng bảng mạch và bố trí pad.
Nếu cần, tôi có thể giúp chuyển đổi nội dung này thành một phần của trang web với các tiêu đề, đoạn văn ngắn và danh sách gạch đầu dòng đơn giản cho trang web nước ngoài của bạn.
