Bảng mạch in một mặt là gì?

Bảng mạch in một mặt là loại bảng mạch in cơ bản nhất. Tất cả các linh kiện được lắp đặt trên một mặt. Tất cả các đường mạch nằm ở mặt còn lại. Vì chỉ có một mặt có đường mạch, nên chúng ta gọi nó là bảng mạch một mặt. Loại bảng mạch này dễ sản xuất và có chi phí thấp hơn. Chính vì lý do đó, các sản phẩm điện tử đơn giản thường sử dụng bảng mạch in một mặt.

Khi nào nên sử dụng bảng mạch in hai mặt

Bảng mạch in hai mặt là một bước tiến so với bảng mạch in một mặt. Khi một lớp đường dẫn không thể đáp ứng nhu cầu của sản phẩm, các nhà thiết kế sẽ sử dụng bảng mạch in hai mặt. Cả hai mặt đều có lớp đồng và đường dẫn. Hai mặt có thể kết nối với nhau thông qua các lỗ mạ điện được gọi là vias. Các vias cho phép tín hiệu di chuyển từ lớp này sang lớp kia. Nhờ đó, bảng mạch có thể tạo thành mạng mạch cần thiết.

Điểm giống và khác nhau giữa bảng mạch in một mặt và hai mặt

Vật liệu và quy trình cơ bản

Bảng mạch in một mặt và hai mặt đều sử dụng cùng một loại vật liệu cơ bản. Hầu hết các bảng mạch hiện đại đều sử dụng FR4. FR4 là hỗn hợp của sợi thủy tinh và nhựa epoxy. Trong quy trình sản xuất hiện đại, người ta thường mạ đồng lên bề mặt bảng mạch để đảm bảo độ dẫn điện tốt. Sau đó, người ta phủ một lớp màng chống hàn để tạo vẻ ngoài gọn gàng và bảo vệ bảng mạch. Các nhãn và ký hiệu được in lên bằng phương pháp in lụa. Các máy móc in các ký hiệu này thông qua quy trình gọi là in lụa.

Các phương pháp sản xuất cũ và những hạn chế

Quy trình sản xuất bảng mạch hiện đại không phải lúc nào cũng như vậy. Trước đây, các kỹ sư và người đam mê thường vẽ bản thiết kế lên bảng mạch rồi tự tay ăn mòn chúng bằng dung dịch hóa chất. Có rất nhiều phương pháp khác nhau, nhưng hầu hết đều gặp phải những hạn chế tương tự. Người ta không thể dễ dàng ăn mòn nhiều lớp trên cùng một bảng mạch. Điều này buộc các bản thiết kế phải có kích thước lớn hơn và đòi hỏi phải tối ưu hóa kỹ lưỡng.

Vào những năm 1960, điều này hoàn toàn ổn. Các linh kiện lỗ thông lớn là tiêu chuẩn phổ biến. Các chip hình chữ nhật cỡ lớn có chân cắm rộng. Đó là các gói DIP. Các linh kiện rời lỗ thông như điện trở và tụ điện cũng có kích thước lớn. Các linh kiện được bố trí sát nhau nên việc thiết kế các đường dẫn ngắn rất dễ dàng. Điều đó giúp cho việc bố trí mạch một mặt trở nên đơn giản và rõ ràng.

Sự phát triển của các thiết bị gắn bề mặt (SMD)

Thập niên 1980 đã thay đổi toàn bộ lĩnh vực này. Các thiết bị gắn bề mặt (SMD) trở thành linh kiện được các kỹ sư ưa chuộng. Các gói phẳng hình vuông trở nên phổ biến. Các linh kiện rời SMD khiến việc định tuyến dưới các linh kiện trở nên khó khăn. Các bảng mạch phải nhỏ hơn. Các bảng mạch một mặt trở nên khó sử dụng hơn. Điều này đã thúc đẩy sự phát triển của kỹ thuật bảng mạch hai mặt. Với các lỗ vias, bạn không còn phải giữ tất cả đồng ở cùng một mặt nữa. Bạn có thể định tuyến ở cả hai mặt với các lỗ mạ kết nối các lớp.

Bảng mạch in hai mặt

Các kỹ sư chuyển sang sử dụng bảng mạch hai mặt chủ yếu vì tính tiện lợi. Khi các giới hạn thiết kế buộc các linh kiện phải nằm trong một khu vực nhất định, việc bố trí mạch hai mặt sẽ dễ dàng hơn so với mạch một mặt. Bảng mạch hai mặt cũng cho phép tạo ra các vùng nối đất hoặc nguồn điện có diện tích lớn. Nếu quan sát kỹ một bảng mạch, bạn có thể thấy những vùng đồng rộng lớn thay vì nhiều đường dẫn mỏng. Những vùng đồng rộng này giúp cải thiện khả năng chống nhiễu điện từ (EMI), tản nhiệt, khả năng sản xuất, và quan trọng nhất là giúp giảm bớt công việc định tuyến.

Tại sao bảng mạch một mặt vẫn còn tồn tại

Mặc dù bảng mạch hai mặt có những lợi ích rõ ràng, nhưng thiết kế một mặt vẫn được sử dụng trong nhiều sản phẩm hiện nay. Chi phí là yếu tố quyết định chính. PCB một mặt thường có giá mua thấp hơn một chút và đôi khi có thời gian giao hàng ngắn hơn. Đối với một thiết kế đơn giản, đó là một lợi thế rõ ràng. Trong sản xuất hàng loạt các sản phẩm đơn giản, việc tiết kiệm được vài xu cho mỗi bảng mạch có thể rất quan trọng. Ngoài ra, đối với các đường dẫn dòng điện cao cần đồng rộng, bố cục một mặt có thể là lựa chọn phù hợp. Chúng cho phép bạn sử dụng các khu vực đồng rộng và định tuyến đơn giản cho các đường dẫn dòng điện mạnh.

Ưu và nhược điểm của bảng mạch in một mặt

Ưu điểm

• Chi phí thấp hơn.

• Thiết kế và sản xuất đơn giản hơn.

• Thời gian thực hiện ngắn hơn trong nhiều trường hợp.

Nhược điểm

• Không phù hợp với các thiết kế phức tạp có nhiều bộ phận.

• Khó đáp ứng nhu cầu về kích thước nhỏ.

• Dung lượng định tuyến thấp hơn.

• Có thể nặng và to hơn dù có cùng chức năng.

Các ứng dụng điển hình của bảng mạch in một mặt

Bảng mạch một mặt thường được sử dụng trong nhiều sản phẩm giá rẻ. Chúng xuất hiện trong các thiết bị có chức năng đơn giản, không cần bộ nhớ lớn hay kết nối mạng. Ví dụ như các thiết bị gia dụng nhỏ như máy pha cà phê. Chúng cũng xuất hiện trong nhiều loại máy tính cầm tay, radio đơn giản, máy in và đèn LED. Các thiết bị lưu trữ đơn giản như ổ cứng thể rắn cơ bản cũng có thể sử dụng bảng mạch một mặt. Bộ nguồn và nhiều loại cảm biến cũng thường sử dụng bảng mạch in một mặt.

Cách phân biệt bảng mạch một mặt, hai mặt và nhiều lớp

1. Giữ tấm mạch gần nguồn sáng. Nếu lõi bên trong hoàn toàn không trong suốt và bạn không thể nhìn thấy ánh sáng xuyên qua các lớp bên trong, đó là tấm mạch nhiều lớp. Nếu bạn chỉ nhìn thấy một lớp đồng, đó là tấm mạch một mặt.

2. Hãy nhìn vào các lỗ. Các bảng mạch một mặt có các lỗ không được mạ. Thành lỗ của chúng không được mạ và quá trình mạ điện cũng được bỏ qua. Các bảng mạch hai mặt có các lỗ xuyên qua được mạ hoặc các lỗ vias. Điều đó có nghĩa là bạn sẽ thấy đồng bên trong lỗ.

3. Sự khác biệt cơ bản nằm ở số lượng lớp đồng: mạch đơn có một lớp đồng, mạch đôi có hai lớp đồng, còn mạch đa lớp có ba lớp trở lên. Trong quá trình sản xuất mạch đa lớp, các lớp bên trong được thêm vào trước, sau đó toàn bộ cấu trúc được ép dính lại với nhau. Nếu cần, bạn có thể cắt một mặt cắt ngang để kiểm tra các lớp.

Cách giảm nhiễu điện từ (EMI) trên bảng mạch in một mặt hoặc hai mặt

Vì lý do chi phí, nhiều thiết bị tiêu dùng sử dụng bảng mạch một mặt hoặc hai mặt. Khi các mạch xung kỹ thuật số ngày càng phổ biến, các vấn đề về nhiễu điện từ (EMI) cũng gia tăng. Nguyên nhân chính là do diện tích vòng lặp tín hiệu lớn. Diện tích vòng lặp lớn không chỉ phát ra bức xạ mạnh hơn mà còn khiến mạch nhạy cảm hơn với nhiễu từ bên ngoài. Để cải thiện khả năng tương thích điện từ (EMC), cách tiếp cận đơn giản nhất là giảm diện tích vòng lặp của các tín hiệu quan trọng.

Xác định các tín hiệu quan trọng

Từ góc độ EMC, các tín hiệu chính bao gồm những tín hiệu phát ra bức xạ mạnh và những tín hiệu nhạy cảm với nhiễu từ bên ngoài. Các nguồn phát bức xạ mạnh thường là các tín hiệu có tính chu kỳ, chẳng hạn như tín hiệu đồng hồ và các đường địa chỉ bậc thấp. Các tín hiệu nhạy cảm thường là các đường tín hiệu tương tự mức thấp.

Các phương pháp giảm diện tích vòng lặp

Một phương pháp đơn giản là bố trí đường dẫn đất ngay bên cạnh đường dẫn tín hiệu. Hãy đặt đường dẫn đất càng gần càng tốt. Cách bố trí này tạo ra diện tích vòng lặp rất nhỏ, từ đó giảm thiểu bức xạ vi sai và độ nhạy. Khi bạn thêm đường dẫn đất bên cạnh đường dẫn tín hiệu, dòng điện tín hiệu sẽ chủ yếu chạy trong vòng lặp nhỏ đó, chứ không chạy qua các đường dẫn đất khác.

Nếu bạn sử dụng bảng mạch hai mặt, hãy đặt một đường dẫn nối đất ở mặt bên kia, ngay dưới đường tín hiệu. Nếu có thể, hãy làm cho đường dẫn nối đất đó rộng nhất có thể. Khi đó, diện tích vòng lặp sẽ bằng độ dày của bảng mạch nhân với chiều dài của đường tín hiệu. Diện tích này nhỏ hơn nhiều so với một vòng lặp hở dài và giúp giảm thiểu sự bức xạ.

Ngoài ra, hãy luôn sử dụng lưới đồng nối đất trên các bảng mạch hai mặt. Lưới nối đất giúp giảm trở kháng nối đất. Với lưới nối đất, đường tín hiệu hầu như luôn có đường nối đất ở gần và tạo thành một vùng vòng lặp nhỏ hơn. Khi bố trí đường mạch, hãy giữ các đường mạch quan trọng gần với đường nối đất. Chỉ những đường mạch quan trọng nhất mới cần có đường nối đất ngay bên cạnh.

Một số lời khuyên cơ bản khác:

• Nên sử dụng các đường dẫn ngắn cho tín hiệu tốc độ cao.

• Sử dụng tụ điện cách ly phù hợp gần các chân cấp nguồn.

• Hãy giữ cho các đường nối đất analog và kỹ thuật số tách biệt, sau đó nối chúng lại với nhau tại một điểm duy nhất nếu cần thiết.

• Tránh sử dụng các vòng lặp dài. Nên bố trí đường dẫn trở về gần đường dẫn tín hiệu.

Một số ví dụ thực tế

• Đối với đường dẫn tín hiệu đồng hồ trên bảng mạch hai mặt, hãy đặt một đường dẫn nối đất rộng ở phía bên kia. Nếu độ dày bảng mạch là 1,6 mm và đường dẫn tín hiệu đồng hồ dài 50 mm, diện tích vòng lặp sẽ vào khoảng 1,6 mm × 50 mm. Nếu bạn có thể rút ngắn đường dẫn xuống còn 20 mm, diện tích này sẽ giảm đi đáng kể.

• Đối với tín hiệu tương tự nhạy cảm, hãy chạy một đường nối đất ngay bên cạnh nó trên cùng một mặt. Khi đó, cặp dây này sẽ tạo thành một vòng lặp kín và giảm nhiễu thu.

Tóm tắt

Bảng mạch in một mặt (PCB) có cấu tạo đơn giản và giá thành rẻ. Tất cả các linh kiện được bố trí trên một mặt, còn các đường mạch được bố trí trên mặt còn lại. Bảng mạch hai mặt có thêm một lớp thứ hai và sử dụng các lỗ vias để kết nối hai mặt. FR4 là vật liệu phổ biến cho cả hai loại. Sự chuyển đổi từ linh kiện lỗ thông sang linh kiện gắn bề mặt đã thúc đẩy nhu cầu về bảng mạch hai mặt và nhiều lớp. Tuy nhiên, bảng mạch một mặt vẫn là lựa chọn hợp lý cho nhiều sản phẩm đơn giản vì chi phí thấp và dễ sản xuất. Để giảm nhiễu điện từ (EMI) trên bảng mạch một mặt hoặc hai mặt, hãy giảm diện tích vòng lặp, thêm các đường dẫn đất gần đó, sử dụng lưới đất và giữ cho các đường dẫn ngắn.