Thông tin PCB - PCB là gì và quy trình thiết kế PCB

PCB là gì? PCB, bảng mạch in tên đầy đủ, là nền tảng và dòng máu của việc xây dựng các sản phẩm điện tử hiện đại, đóng một vai trò không thể thiếu. Từ việc mặc đồng hồ điện tử hàng ngày, sinh viên không thể làm mà không có máy tính, đến văn phòng của máy tính không thể thiếu, và sau đó kết nối với thế giới của thiết bị điện tử truyền thông, và thậm chí là một biểu tượng của sức mạnh quân sự của đất nước của hệ thống vũ khí quân sự, những chức năng dường như khác nhau, khác nhau của thiết bị điện tử, trong cấu trúc nội bộ của họ, luôn được nhúng trong một bảng PCB tinh vi và phức tạp.

Bảng mạch in có thể được chia thành ba loại chính: mạch in linh hoạt (FPC), bảng mạch cứng và PCB cứng-linh hoạt (PCB cứng-linh hoạt).

FPC, hoặc mạch in linh hoạt, được công nhận rộng rãi vì dây mật độ cao, trọng lượng nhẹ, độ mỏng siêu và đặc tính uốn cong tuyệt vời. Ví dụ, một trong những sản phẩm hiện tại của chúng tôi sử dụng FPC làm dây, được đánh giá cao vì trọng lượng nhẹ và đặc điểm uốn cong dễ dàng.

Rigid-Flex PCBs (bảng mạch in Rigid-Flex) được làm bằng cách kết hợp một pcb linh hoạt với một bảng mạch cứng thông qua một loạt các quy trình như lamination. Lợi thế của bảng điện tử này là nó kết hợp các lợi thế tương ứng của bảng FPC và PCB, tuy nhiên, bất lợi của nó là rõ ràng như nhau: quy trình sản xuất phức tạp, năng suất tương đối thấp, khó khăn sản xuất và chu kỳ sản xuất tương đối dài.

Phân loại PCB

Phân loại theo số lớp và phân phối lá đồng

Theo số lớp lá đồng, bảng mạch có thể được chia thành bảng đơn mặt, bảng hai mặt và bảng đa lớp.

Bảng đơn lớp: Dây chỉ được cung cấp ở một bên. Vì dây chỉ giới hạn ở một bên, có nhiều hạn chế thiết kế. Các tấm này phổ biến hơn trong các mạch đầu tiên, nhưng bây giờ chủ yếu được sử dụng trong các sản phẩm có cấu trúc đơn giản và yêu cầu chi phí nghiêm ngặt.

Bảng hai lớp: Dây được cung cấp ở cả hai bên của bảng. Nhờ dây hai mặt, có thể giải quyết các vấn đề gây ra bởi dây chậm trong một bảng điều khiển duy nhất, do đó đạt được bố trí tối ưu hơn. Các bảng hai mặt thường được sử dụng trong các mạch tương đối đơn giản, phân phối pin chip không dày đặc.

Ban đa lớp (Ban đa lớp): Để mở rộng khu vực dây, các bảng đa lớp sử dụng nhiều lớp của các bảng đơn hoặc hai mặt, và liên kết qua vật liệu cách nhiệt. Các tấm đa lớp thường được sử dụng thường là từ 4 đến 8 lớp.

Phân loại theo chất nền

Các phân loại phổ biến theo chất nền bao gồm: laminate giấy phenolic, laminate giấy epoxy, laminate thảm thủy tinh polyester và laminate vải thủy tinh epoxy.

Dựa trên loại lỗ thông qua, bảng mạch PCB có thể được phân loại như:

Thông qua lỗ: Loại lỗ này thâm nhập hoàn toàn toàn bộ bảng mạch điện tử, với mỗi đầu nằm ở lớp bên ngoài nhất của bảng.

Lỗ mù: Một lỗ mù bắt đầu trên một trong những bề mặt bên ngoài của bảng mạch điện tử, nhưng không thâm nhập toàn bộ bảng, nhưng kết thúc ở đâu đó trên lớp bên trong.

Đường chôn: Đường chôn nằm hoàn toàn bên trong bảng mạch điện tử, không chạm vào lớp bên ngoài của bảng, và chỉ được sử dụng để kết nối các lớp khác nhau bên trong bảng.

Bảng PCB có thể được phân loại theo liệu lỗ thông qua có chứa đồng hay không, và được chia thành hai loại lỗ: lỗ mạ đồng và lỗ không có đồng.

Mạ thông qua lỗ (PTH): Loại lỗ thông qua này được mạ bằng đồng và phục vụ như một chất dẫn, và là một loại lỗ phổ biến được sử dụng cho định tuyến PCB.

Không mạ thông qua lỗ (NPTH): NPTH có nghĩa là không có kết nối đồng bên trong lỗ, thường được sử dụng để sửa chữa vị trí của bảng mạch PCB.

Trong thực tế, hầu hết các bảng mạch chứa cả đồng và lỗ không đồng.

Phân loại theo chức năng

Các bảng trở kháng có đặc điểm trở kháng ổn định, cho họ một lợi thế trong truyền tín hiệu tốc độ cao và các ứng dụng tần số cao.

Mặt khác, PCB vi sóng nổi bật vì hiệu suất vi sóng tuyệt vời của họ, làm cho chúng đặc biệt phù hợp với các ứng dụng truyền thông RF và vi sóng.

Flex PCB, với đặc tính uốn cong tuyệt vời và khả năng chống mệt mỏi, là lý tưởng cho thiết bị chịu căng thẳng uốn cong và kéo dài.

Phân loại theo xử lý bề mặt

Vì đồng dễ bị oxy hóa trong môi trường tự nhiên của nó, có thể dẫn đến kết quả hàn kém, một lớp phủ bảo vệ thường được áp dụng trên bề mặt đồng. Sau đây là một vài loại điều trị bề mặt phổ biến:

Chì (HASL: Hàn bằng không khí nóng): Bề mặt đồng được đóng hộp trong môi trường chì bằng cách sử dụng công nghệ làm bằng không khí nóng.

Hàn không chì (HASL / LF: Hàn không khí nóng không chì): Công nghệ làm bằng không khí nóng tương tự được sử dụng, nhưng trong môi trường không chì.

Immersion Gold (ENIG: Electroless Nickel / Immersion Gold): Một lớp niken không điện được lắng xuống trên bề mặt đồng, sau đó được nhúng vàng.

Nhúng thiếc / Hóa học Sn: Một lớp thiếc được lắng xuống hóa học trên bề mặt đồng.

Immersion Silver / Chemical Ag: Một lớp bạc được lắng xuống hóa học trên bề mặt đồng.

Bảo vệ oxy hóa (OSP: Chất bảo quản hàn hữu cơ / Entek / Đồng thụ động): Lớp phủ một bộ phim bảo vệ hữu cơ trên bề mặt đồng để ngăn chặn oxy hóa.

Mạ vàng / vàng flash: Mạ một lớp vàng trên bề mặt đồng bằng cách mạ điện.

Dầu carbon: Một lớp dầu carbon được phủ trên bề mặt của bảng mạch PCB cho các ứng dụng cụ thể.

Mặt nạ hàn có thể vỏ: Mặt nạ hàn có thể vỏ được sử dụng để bảo vệ một số khu vực của bảng PCB khỏi hàn.

Mạ vàng ngón tay / cạnh tiếp xúc / kết nối ngón tay: Một lớp vàng mạ trên các cạnh hoặc các khu vực cụ thể của một bảng mạch PCB để tăng cường khả năng dẫn điện và chống ăn mòn. Theo tiêu chuẩn IPC-6012 CLASS 2, độ dày vàng tối thiểu của ngón tay vàng là 0,80UM (30U ") và độ dày niken tối thiểu (NI) là 2UM.

Chức năng của bảng PCB

Kết nối điện

Các dấu vết đồng trên bảng PCB được đặt cẩn thận để kết nối các thành phần điện tử khác nhau, chẳng hạn như điện trở, tụ điện và mạch tích hợp, cùng nhau để xây dựng một hệ thống mạch hoàn chỉnh. Loại kết nối này không chỉ đơn giản hóa quá trình thiết kế mạch, mà còn cải thiện đáng kể độ tin cậy mạch.

Hỗ trợ thành phần

PCB cung cấp một nền tảng hỗ trợ vững chắc cho các thành phần điện tử, đảm bảo rằng chúng được sắp xếp một cách chặt chẽ và có trật tự. Thông qua hàn và các quy trình khác, các thành phần có thể được cố định vững chắc trên PCB, do đó tăng cường sự ổn định cấu trúc và khả năng di động của thiết bị.

Bảo vệ mạch

Vật liệu cách nhiệt được sử dụng trên các tấm PCB có hiệu quả bảo vệ các mạch khỏi nhiễu điện từ và bảo vệ chúng khỏi các yếu tố bên ngoài như độ ẩm và bụi. Bảo vệ này rất quan trọng để kéo dài tuổi thọ của các thiết bị điện tử, đặc biệt là trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt.

Hiệu suất nhiệt

Trong điện tử hiệu suất cao, đói năng lượng, nơi tiêu tan nhiệt là một vấn đề đặc biệt, các lớp kim loại trên bảng PCB, đặc biệt là các tấm đồng, được thiết kế cẩn thận để hoạt động như bể nhiệt hiệu quả. Chúng nhanh chóng hấp thụ và phân tán nhiệt tạo ra bởi mạch và ngăn chặn các thành phần bị hư hại bởi quá nóng. Hiệu quả tiêu tan nhiệt của tấm PCB có thể được cải thiện thêm bằng cách tăng độ dày của lá đồng, tối ưu hóa bố trí và các phương tiện thiết kế khác.

Ngoài ra, các cấu trúc phân tán nhiệt sáng tạo như bồn rửa nhiệt và bồn rửa nhiệt cũng được sử dụng rộng rãi trong thiết kế bảng PCB. Các thiết kế này tăng cường hiệu ứng tiêu tan nhiệt trong khi duy trì độ nhỏ gọn và thẩm mỹ của các bảng PCB, cung cấp hỗ trợ kỹ thuật vững chắc cho việc xây dựng các thiết bị điện tử hiệu suất cao và tuổi thọ dài.

Tối ưu hóa không gian và cấu trúc nhỏ gọn

Thiết kế của bảng PCB không chỉ liên quan đến việc thực hiện các chức năng mạch, mà còn ảnh hưởng sâu sắc đến chi phí sản xuất, hiệu quả sản xuất và bảo trì và thay thế tiếp theo. Trong việc lựa chọn quy trình sản xuất, các công nghệ tiên tiến như quy trình lỗ trong đĩa được sử dụng rộng rãi trong sản xuất bảng PCB. Các quy trình này cho phép bố trí linh hoạt hơn của các thành phần trong không gian bảng PCB hạn chế, tối đa hóa việc sử dụng không gian. Việc sử dụng lỗ cắm nhựa + nắp mạ điện để đạt được quá trình lỗ trong đĩa không chỉ tối ưu hóa bố trí và dây, mà còn tránh các vấn đề như rò rỉ thiếc, làm cho cấu trúc bên trong của các thiết bị điện tử nhỏ gọn và đẹp hơn.

Nguyên liệu thô thường được sử dụng cho bảng PCB

1. vật liệu gốc của bảng mạch pcb là nền phủ đồng, được gọi là nền. Một chất nền về cơ bản là một tấm nhựa với lá đồng được laminated trên cả hai bên. Trong số nhiều nhà sản xuất, bảng FR-4 đã trở thành sự lựa chọn đầu tiên trong lĩnh vực các sản phẩm điện tử chất lượng cao như máy tính và thiết bị truyền thông do hiệu suất tuyệt vời của chúng.

Đối với tấm FR-4, ngành công nghiệp có ba yêu cầu cốt lõi: thứ nhất là khả năng chống ngọn lửa, nghĩa là, bảng phải có thể gặp nhiệt độ cao để duy trì không dễ cháy, chỉ làm mềm; theo sau là điểm Tg (nhiệt độ chuyển tiếp kính), phản ánh sự ổn định của vật liệu ở nhiệt độ cao; và sau đó là hằng số môi điện, một thông số có liên quan trực tiếp đến hiệu quả truyền tín hiệu và chất lượng của bảng mạch. Nói tóm lại, bảng FR-4 được sử dụng trong bảng mạch PCB cần có khả năng chống ngọn lửa tuyệt vời, để có thể duy trì hình thức ở nhiệt độ cụ thể mà không bị cháy, và đồng thời có một điểm Tg phù hợp và hằng số dielectric thấp, để đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của các sản phẩm điện tử hiện đại cho hiệu suất cao và ổn định cao.

Tấm phủ đồng thường được sử dụng trong các loại sau:

FR-1 - giấy bông phenolic (thường được gọi là bakelite, kinh tế cao hơn FR-2)

FR-2 - giấy bông phenolic

FR-3 - giấy bông, nhựa epoxy

FR-4 - vải thủy tinh, nhựa epoxy (nền điện tử Thâm Quyến Qinji thường được sử dụng)

FR-5 - Vải thủy tinh, nhựa epoxy

FR-6 - Thủy tinh thô, polyester

CEM-1 - Giấy bông, nhựa epoxy (chống cháy)

CEM-2 - Giấy bông, nhựa epoxy (không chống cháy)

CEM-3 - Vải thủy tinh, nhựa epoxy

CEM-4 - Vải thủy tinh, nhựa epoxy

CEM-5 - Vải thủy tinh, polyester

AIN - Nhôm nitrit

SIC - Silicon cacbua

G-10 - Vải thủy tinh, nhựa epoxy

Copper Clad Laminate (CCL) là một vật liệu có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau. Tùy thuộc vào vật liệu cách nhiệt, nó có thể được chia thành ba loại chính: giấy, vải thủy tinh và sợi tổng hợp. Tùy thuộc vào loại nhựa kết hợp được sử dụng, các loại laminate phủ đồng có thể được chia thành các loại phenolic, epoxy, polyester và PTFE. Ngoài ra, từ quan điểm ứng dụng, lớp phủ đồng cũng có thể được phân biệt thành hai loại: mục đích chung và mục đích đặc biệt, để đáp ứng nhu cầu cụ thể của các ngành công nghiệp và sản phẩm khác nhau.

2. đồng Foil

Sau một quá trình cụ thể, phần còn lại của lá đồng có thể xây dựng các dây cần thiết cho mạch trên nền. Quá trình sản xuất lá đồng chủ yếu bao gồm lục lịch và điện phân.

3. Tấm bán chữa (PP)

Trong quá trình sản xuất các tấm mạch điện tử, tấm bán cứng (PP) là một vật liệu quan trọng không thể thiếu, chủ yếu chịu trách nhiệm liên kết giữa các lớp. Tóm lại, một tấm bán cứng là một tấm nền mỏng ở giai đoạn B. Đặc điểm của nó được xác định bởi độ dày của nó và lượng nhựa (chất dính) nó chứa.

4. Phim khô (Vật liệu nhạy cảm ánh sáng)

Phim khô, còn được gọi đơn giản là phim khô nhạy cảm ánh sáng, bao gồm một chất giống nhựa đặc biệt ở lõi của nó, trải qua phản ứng quang hóa khi tiếp xúc với một phổ cụ thể. Trong thực tế, phim khô thường bao gồm ba lớp: lớp nhạy cảm ánh sáng được đặt một cách thông minh giữa hai lớp nhựa bảo vệ. Dựa trên các đặc tính hóa học độc đáo của các chất nhạy cảm ánh sáng, phim khô có thể được chia thành hai loại chính: photopolymeric và photodegradable. Phim khô quang polymerized trải qua sự chuyển đổi từ hòa tan trong nước sang không hòa tan trong nước và cứng khi tiếp xúc với một phổ ánh sáng cụ thể, trong khi phim khô quang phân hủy phản ứng theo cách ngược lại.

5. hàn chống mực

Mực chống hàn, về cơ bản là một chống hàn chuyên nghiệp, hoạt động như một vật liệu chụp ảnh lỏng và không có mối quan hệ với hàn lỏng. Tương tự như phim khô nhạy cảm ánh sáng, mực chống hàn cứng khi tiếp xúc với một phổ ánh sáng cụ thể. Khi sử dụng, mực chống hàn cần được trộn tốt với chất làm cứng. Những gì chúng ta thường gọi là mực, còn được gọi là soldermask, cung cấp cho các bảng mạch in phổ biến của chúng tôi màu sắc phong phú của họ.

6. Hình ảnh tiêu cực (Tấm phim)

Chức năng của hình ảnh tiêu cực ở đây tương tự như của phim tiêu cực trong nhiếp ảnh, sử dụng vật liệu nhạy cảm ánh sáng để chụp và ghi lại hình ảnh. Khi khách hàng truyền thiết kế hoàn thành đến nhà máy bảng mạch, trạm làm việc trong trung tâm CAM đầu ra sơ đồ mạch dưới dạng hình ảnh âm bằng cách sử dụng máy vẽ ánh sáng thay vì máy in thông thường. Ảnh âm đóng một vai trò quan trọng trong sản xuất bảng mạch bởi vì tất cả các mẫu hoặc dòng cần được thực hiện trên chất nền bằng công nghệ truyền hình ảnh trước tiên phải được chuyển đổi thành âm.

Quá trình thiết kế PCB

Quá trình thiết kế PCB là một cách tiếp cận có hệ thống để tạo ra các bảng mạch in ổn định về chức năng và đáng tin cậy, nơi mỗi bước là quan trọng, từ khái niệm ban đầu đến sản xuất cuối cùng của sản phẩm hoàn thành. Quá trình bao gồm một số yếu tố cốt lõi, mỗi yếu tố đóng một vai trò quyết định trong sự thành công của dự án.

Quá trình thiết kế PCB bắt đầu với giai đoạn thiết kế khái niệm, nơi nhiệm vụ chính là xác định các yêu cầu tổng thể và thông số kỹ thuật của sản phẩm điện tử. Trong giai đoạn này, nhóm kỹ thuật điện, nhóm kỹ thuật cơ khí và các bên liên quan khác làm việc chặt chẽ với nhau để xác định các tính năng chức năng, kích thước và tiêu chuẩn hiệu suất cần thiết cho PCB.

Một khi giai đoạn thiết kế khái niệm hoàn thành, giai đoạn thiết kế sơ đồ tiếp theo. Trong giai đoạn này, các kỹ sư sử dụng các công cụ chụp sơ đồ để miêu tả chính xác các kết nối điện và các thành phần của mạch. Sơ đồ là nền tảng của bố trí PCB, cung cấp một hướng dẫn rõ ràng về thiết kế của bảng mạch điện tử và chứng minh chức năng điện của mạch.

Một khi thiết kế sơ đồ hoàn thành, giai đoạn bố trí PCB bắt đầu. Trong bước này, các kỹ sư xây dựng hình thức vật lý của mạch bằng cách sắp xếp và định tuyến cẩn thận các thành phần trên bảng. Trong quá trình bố trí, họ phải tuân thủ nghiêm ngặt các hướng dẫn thiết kế khác nhau, chẳng hạn như chiều rộng dòng tối thiểu, khoảng cách và kích thước của đường thông, để đảm bảo khả năng sản xuất và độ tin cậy hoạt động của bảng.

Trong suốt quá trình thiết kế PCB, sự hợp tác giữa các nhóm khác nhau đóng một vai trò quan trọng. Nhóm kỹ thuật điện hợp tác chặt chẽ với nhóm kỹ thuật cơ khí để đảm bảo rằng PCB được thích nghi hoàn hảo với nhà ở cần thiết và đáp ứng tất cả các yêu cầu nhiệt và cấu trúc. Đồng thời, nhóm sản xuất cung cấp hướng dẫn quan trọng về Thiết kế cho Sản xuất (DFM), được thiết kế để giảm thiểu các vấn đề trong quá trình sản xuất và tăng năng suất.

Một khi bố trí PCB đã hoàn thành, thiết kế sau đó phải trải qua một quá trình xác minh và xác nhận nghiêm ngặt bao gồm Kiểm tra quy tắc thiết kế (DRC), Kiểm tra quy tắc điện (ERC) và Mô phỏng tính toàn vẹn tín hiệu. Các quy trình này rất quan trọng để xác định và giải quyết các vấn đề tiềm năng trước khi đi vào sản xuất. Cuối đuôi của quá trình thiết kế PCB là sau đó tạo ra các tệp sản xuất, đặc biệt như tệp Gerber và tệp khoan, cần thiết cho nhà sản xuất PCB để sản xuất bảng vật lý. Các bảng mạch in được sản xuất sau đó phải trải qua một quá trình thử nghiệm và lắp ráp nghiêm ngặt trước khi tích hợp cuối cùng vào thiết bị điện tử.