Hướng dẫn lựa chọn vật liệu PCB

Phần quan trọng nhất của thiết bị điện tử là bảng mạch in (PCB). Ngoài ra, từ viết tắt này cũng được dùng để chỉ bảng mạch in và thẻ mạch in, về cơ bản là giống nhau. Do vai trò quan trọng của các bảng mạch này trong mọi thứ, từ máy tính đến máy tính bỏ túi, nên việc lựa chọn vật liệu bảng mạch PCB phải được thực hiện một cách cẩn thận và có hiểu biết về nhu cầu điện của một thiết bị nhất định.

Trước khi PCB ra đời, vật liệu bảng mạch chủ yếu được bao phủ bởi các tổ dây rối, chồng chéo nhau có thể dễ dàng hỏng ở một số điểm nối. Chúng cũng có thể bị đoản mạch khi tuổi tác bắt đầu và một số dây bắt đầu nứt. Như có thể mong đợi, quy trình thủ công trong việc đi dây của những bảng mạch đầu tiên này rất khó hiểu và tỉ mỉ.

Khi ngày càng nhiều linh kiện điện tử hàng ngày bắt đầu dựa vào bảng mạch, cuộc đua phát triển các giải pháp thay thế đơn giản hơn, nhỏ gọn hơn đã diễn ra và điều này dẫn đến sự phát triển của vật liệu, PCB. Với vật liệu PCB, mạch có thể được định tuyến giữa nhiều thành phần khác nhau. Kim loại tạo điều kiện cho việc truyền dòng điện giữa bảng mạch và bất kỳ thành phần nào được gắn vào được gọi là chất hàn, cũng có chức năng kép với chất lượng kết dính của nó.

Thành phần vật liệu PCB

Cấu tạo của PCB thường bao gồm bốn lớp, được ép nhiệt với nhau thành một lớp duy nhất. Vật liệu sử dụng trong PCB bao gồm các lớp sau từ trên xuống dưới:

• In lụa

• Mặt nạ hàn

• Đồng

• Chất nền

Lớp cuối cùng trong số các lớp đó, lớp nền, được làm bằng sợi thủy tinh và còn được gọi là FR4, trong đó chữ FR là viết tắt của “chất chống cháy”. Lớp nền này cung cấp một nền tảng vững chắc cho PCB, mặc dù độ dày có thể thay đổi tùy theo mục đích sử dụng của từng bảng mạch.

Một loạt các bo mạch rẻ hơn cũng có trên thị trường không sử dụng cùng loại vật liệu PCB đã đề cập ở trên mà thay vào đó bao gồm phenolic hoặc epoxy. Do độ nhạy nhiệt của các bo mạch này, chúng có xu hướng dễ bị mất lớp phủ. Những bo mạch rẻ hơn này thường dễ nhận biết bằng mùi chúng tỏa ra khi hàn.

Lớp thứ hai của PCB là đồng, được ép lên chất nền bằng hỗn hợp nhiệt và keo dán. Lớp đồng mỏng và trên một số bo mạch, có hai lớp như vậy — một lớp ở trên và một lớp ở dưới chất nền. PCB chỉ có một lớp đồng có xu hướng được sử dụng cho các thiết bị điện tử rẻ hơn.

Tấm phủ đồng (CCL) được sử dụng rộng rãi có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau theo các tiêu chuẩn phân loại khác nhau bao gồm vật liệu gia cố, chất kết dính nhựa được sử dụng, khả năng bắt lửa, hiệu suất CCL.

Phía trên lớp mặt nạ hàn màu xanh lá cây là lớp lưới lụa, lớp này thêm các chữ cái và chỉ báo số giúp lập trình viên kỹ thuật có thể đọc được PCB. Đổi lại, lớp này giúp thợ lắp ráp điện tử dễ dàng đặt từng PCB vào đúng vị trí và đúng hướng trên từng linh kiện. Lớp lưới lụa thường có màu trắng, mặc dù đôi khi cũng sử dụng các màu như đỏ, vàng, xám và đen.

Thuật ngữ kỹ thuật lớp PCB

Cùng với việc hiểu cách PCB được phân lớp, điều quan trọng là phải biết các thuật ngữ kỹ thuật sau đây đi kèm với việc sử dụng PCB:

• Vòng khuyên. Vòng đồng bao quanh các lỗ trên PCB.

• DRC. Từ viết tắt của kiểm tra quy tắc thiết kế. Về cơ bản, DRC là một hoạt động trong đó thiết kế của PCB được kiểm tra về chức năng của nó. Các chi tiết được kiểm tra bao gồm chiều rộng của các vết và lỗ khoan.

• Khoan trúng. Dùng để mô tả tất cả các lỗ trên PCB, cho dù đúng hay sai vị trí. Trong một số trường hợp, một lỗ có thể hơi không đúng do thiết bị khoan cùn được sử dụng trong quá trình sản xuất.

• Ngón tay. Kim loại lộ ra dọc theo cạnh bảng mạch đóng vai trò là điểm kết nối giữa hai PCB. Ngón tay thường được tìm thấy trên các trò chơi điện tử cũ và thẻ nhớ.

• Bit chuột. Một phần của bảng mạch bị khoan quá mức đến mức đe dọa đến tính toàn vẹn về mặt cấu trúc của PCB.

• Miếng đệm. Một vùng kim loại lộ ra trên PCB, thường được gắn một miếng hàn.

• Bảng mạch. Một bảng mạch lớn bao gồm các bảng mạch nhỏ hơn, cuối cùng được tách ra để sử dụng riêng lẻ. Lý do cho việc thực hành này là để loại bỏ khó khăn mà người xử lý gặp phải khi xử lý các bảng mạch nhỏ hơn.

• Khuôn dán. Khuôn kim loại trên bảng, trên đó dán keo để hàn.

• Mặt phẳng. Một phần lớn hơn của đồng lộ ra trên PCB, được đánh dấu bằng các đường viền nhưng không có đường dẫn.

• Mạ xuyên qua lỗ. Một lỗ đi thẳng qua PCB, thường là để kết nối một thành phần khác. Lỗ được mạ và thường có một vòng khuyên.

• Khe. Bất kỳ lỗ nào không tròn. PCB có khe thường có giá cao do chi phí sản xuất để tạo ra các lỗ có hình dạng kỳ lạ trên bảng mạch. Khe thường không được mạ.

• Lắp trên bề mặt. Một phương pháp trong đó các thành phần bên ngoài được lắp trực tiếp vào bảng mà không cần sử dụng lỗ xuyên qua.

• Dấu vết. Một đường đồng liên tục chạy qua PCB.

• Điểm V. Nơi mà bo mạch đã bị cắt một phần. Điều này có thể khiến PCB dễ bị gãy.

• Via. Một lỗ mà tín hiệu đi qua giữa các lớp. Via được nhìn thấy trong các phiên bản có lều và không có lều. Các phiên bản có lều được phủ bằng mặt nạ hàn bảo vệ, trong khi các via không có lều được sử dụng để gắn đầu nối.

Số đứng trước một lớp ám chỉ số lượng chính xác các lớp dẫn, có thể là lớp định tuyến hoặc lớp mặt phẳng — hai loại lớp. Các lớp có xu hướng có số 1 hoặc bất kỳ số chẵn nào trong bốn số tiếp theo: 2, 4, 6, 8. Các bảng lớp đôi khi có số lẻ, nhưng chúng rất hiếm và hầu như không tạo ra sự khác biệt. Ví dụ, vật liệu PCB trong bảng 5 lớp hoặc 6 lớp sẽ gần như giống hệt nhau.

Hai loại lớp có chức năng khác nhau. Lớp định tuyến có các đường ray. Lớp mặt phẳng đóng vai trò là đầu nối nguồn và có các mặt phẳng bằng đồng. Lớp mặt phẳng cũng có các đảo xác định mục đích truyền tín hiệu của bảng, có thể là 3.3 V hoặc 5 V.

FR4 là tên mã của tấm ép epoxy gia cường sợi thủy tinh. Do độ bền cũng như khả năng chịu ẩm và cháy, FR4 là một trong những vật liệu PCB phổ biến nhất.

Những cân nhắc bổ sung về thiết kế PCB

Một con số như 1.6 mm được sử dụng để chỉ độ dày của một tấm ván lớp. Trên các tấm ván 4 lớp, 1.6 mm là đơn vị đo tiêu chuẩn. Độ dày là yếu tố cần lưu ý khi chọn ván cho một thiết bị. Ví dụ, các tấm ván có độ dày lớn hơn sẽ hỗ trợ tốt hơn khi cần hỗ trợ các vật thể kết nối nặng.

Mức độ dày đồng tiêu chuẩn trên các lớp phẳng là 35 micron. Ngoài ra, độ dày đồng đôi khi được chỉ định bằng ounce hoặc gram. Tốt nhất là chọn độ dày đồng cao hơn bình thường trên các bảng mạch hỗ trợ nhiều ứng dụng.

Đường ray không có mục đích truyền tải điện năng, nhưng điều này đôi khi có thể xảy ra khi tín hiệu không xử lý đúng tần số. Nếu vấn đề không được kiểm soát, đường ray có thể mất đi một lượng điện năng lớn. Để có thể truyền tải được nhiều điện năng nhất có thể từ bên này sang bên kia đường ray, cách bố trí đường ray phải tính đến các phương trình truyền tải.

Nhìn chung, hai inch là khoảng cách đường ray phù hợp trên các bảng mạch lớp bao gồm vật liệu PCB FR4 có rãnh đồng, với điều kiện thời gian tín hiệu là một nano giây. Tuy nhiên, bạn cũng phải tính đến các tác động của đường truyền đối với chiều dài đường ray lớn, đặc biệt nếu tính toàn vẹn của tín hiệu là rất quan trọng. Internet có đầy đủ các chương trình và bảng tính được thiết kế để giúp mọi người thực hiện các tính toán trở kháng phù hợp cho các bảng mạch lớp cụ thể.

Trên hầu hết các bo mạch, các lỗ thông đều rỗng và bạn thường có thể nhìn xuyên qua chúng. Tuy nhiên, có nhiều trường hợp khác nhau mà các lỗ thông có thể được lấp đầy. Đầu tiên, cần phải lấp đầy các lỗ thông khi tạo thành các rào cản bảo vệ khỏi bụi và các tạp chất khác. Thứ hai, các lỗ thông có thể được lấp đầy để tăng khả năng dẫn điện của dòng điện, trong trường hợp đó, vật liệu dẫn điện có thể được sử dụng. Một lý do khác khiến các lỗ thông có thể được lấp đầy là để san phẳng một bo mạch.

Các lỗ thông thường được lấp đầy bằng các miếng lưới bi (BGA). Nếu tiếp xúc xảy ra giữa chân BGA và lớp bên trong, chất hàn có thể trượt qua lỗ thông và vào một lớp khác. Do đó, các lỗ thông được lấp đầy để đảm bảo chất hàn không rò rỉ sang lớp khác và tính toàn vẹn của các điểm tiếp xúc được duy trì như mong muốn.

Một trong những sự cố rắc rối hơn trên một bảng mạch là khi một điểm tiếp xúc bị đứt ở một điểm nào đó dọc theo bảng mạch. Điều này xảy ra càng nhiều thì phần đó của bảng mạch càng sớm có khả năng hỏng hoàn toàn. Người dùng thiết bị điện tử gia dụng trung bình sẽ gặp phải sự cố này khi một trong các nút trên máy tính ngừng hoạt động. Mỗi nút nhấn xuống một phần cụ thể của bảng mạch và khi một điểm bị lỗi, nút tương ứng với điểm đó không thể gửi tín hiệu.

Một cách khác để làm mất các điểm tiếp xúc ở một số điểm nhất định là khi khe cắm thẻ phụ được lắp vào bo mạch chủ. Nếu thẻ không được xử lý tốt, một trong những điểm dọc theo thẻ có thể bị hỏng và không hoạt động từ đó trở đi. Cách tốt nhất để bảo vệ các bề mặt của bo mạch tiếp xúc với nhau là sử dụng lớp vàng, đóng vai trò như một rào cản tăng tuổi thọ. Tuy nhiên, vàng có thể tốn kém và việc sử dụng vàng trong các tab sẽ thêm một bước nữa vào quy trình chế tạo PCB.

Mặt nạ hàn PCB

Màu sắc mà hầu hết mọi người đều quen thuộc khi nói đến bo mạch chủ là màu xanh lá cây, màu của soldermask. Mặc dù không phổ biến bằng, soldermask đôi khi cũng xuất hiện ở các màu khác, chẳng hạn như đỏ hoặc xanh lam. Soldermask còn được gọi bằng từ viết tắt LPISM, viết tắt của liquid photo imageable soldermask. Mục đích của soldermask là ngăn ngừa rò rỉ chất hàn lỏng. Trong những năm gần đây, các trường hợp này trở nên phổ biến hơn do thiếu soldermask. Tuy nhiên, theo hầu hết các báo cáo, người dùng thường thích bo mạch có soldermask hơn bo mạch không có.

Sau khi mặt nạ hàn được phủ lên PCB, PCB sẽ được hàn nóng chảy. Khi quá trình này diễn ra, các bề mặt đồng lộ ra sẽ được hàn hóa. Đây là một phần của quá trình được gọi là san phẳng hàn khí nóng (HASL). Khi các chip SMD được hàn, bo mạch sẽ được làm nóng đến mức hàn nóng chảy và các thành phần được đặt vào đúng vị trí của chúng. Khi hàn khô, các thành phần cũng được hàn. HASL thường bao gồm chì như một trong những hợp chất trong hàn, mặc dù cũng có các tùy chọn không chứa chì.

Khoảng cách giữa các chiều rộng rãnh được biểu thị bằng dấu gạch ngang. Ví dụ, khi bạn nhìn thấy con số 6/6 mils, điều đó có nghĩa là 6 mils là chiều rộng rãnh tối thiểu, cũng như khoảng cách rãnh tối thiểu. Do đó, tất cả các khoảng cách trên bảng mạch đang xét phải đáp ứng hoặc vượt quá 6 mils. Đối với những người không quen thuộc, đơn vị mils được sử dụng để xác định khoảng cách trên vật liệu PCB. Chiều rộng và khoảng cách đặc biệt quan trọng khi nói đến các bảng mạch được thiết kế để xử lý lượng dòng điện lớn.

Khi một bảng mạch in nhiều lớp, không thể kiểm tra trực quan các đường ray khác nhau để biết khả năng tiếp cận của chúng. Do đó, một thử nghiệm được thực hiện bằng cách đặt các đầu dò ở cuối các đường ray để xác minh tất cả các tín hiệu đều có thể tiếp cận được. Thử nghiệm được thực hiện bằng cách áp dụng vôn từ một đầu. Nếu các điện áp này được cảm nhận từ phía bên kia, các đường ray được coi là đang hoạt động. Mặc dù thử nghiệm không phải lúc nào cũng cần thiết đối với các bảng mạch chỉ có một hoặc hai lớp, nhưng vẫn được khuyến nghị nếu bạn thực sự quan tâm đến chất lượng.

Các lỗ thông nối các lớp bên trong và bên ngoài được gọi là lỗ thông mù. Tên gọi này xuất phát từ thực tế là các lỗ thông như vậy chỉ có thể được phát hiện từ một phía. Các lỗ thông nối hai hoặc nhiều lớp bên trong được gọi là lỗ thông chôn, không thể được phát hiện từ bên ngoài ở cả hai phía. Trên các bo mạch chứa lỗ thông mù và lỗ thông chôn, thường sử dụng phương pháp lấp đầy lỗ thông. Điều này giúp bề mặt bên ngoài an toàn hơn và giúp giảm khả năng hàn trượt qua và xuyên qua các lỗ thông bên trong.

Lựa chọn vật liệu ảnh hưởng đến chi phí

PCB thường có giá cao hơn khi chứa các tính năng như tab vàng, via ẩn hoặc khuất, hoặc via điền. Tương tự như vậy, PCB có khoảng cách dòng/chiều rộng dưới 6 mils cũng có xu hướng có giá cao hơn. Lý do cho mức giá cao hơn này là quy trình thay thế trong quá trình sản xuất các bảng PCB khác thường. Tương tự như vậy, một số sản phẩm PCB hóa ra không có lợi nhuận hoặc thành công khi có mils thấp hoặc via bên trong và giá cao hơn được thiết lập để bù đắp tổn thất. Có những nhà chế tạo sản xuất PCB với các phép đo dòng/chiều rộng thấp tới 3 mils, nhưng điều này thường không được khuyến khích trừ khi đó là lựa chọn duy nhất của bạn cho một thành phần cụ thể.

Tác động của công suất và nhiệt đến việc lựa chọn vật liệu PCB

Trong số tất cả các yếu tố tác động đến PCB, hai yếu tố mạnh nhất là công suất và nhiệt. Do đó, điều quan trọng là phải xác định ngưỡng cho từng yếu tố, có thể thực hiện bằng cách đánh giá độ dẫn nhiệt của PCB. Điều này xác định cách công suất điện được chuyển thành nhiệt độ thông qua chiều dài của vật liệu. Tuy nhiên, không có giá trị nào được thiết lập cho độ dẫn nhiệt trên toàn ngành.

Ví dụ, Rogers Corp. cung cấp vật liệu PCB, RT/duroid 5880, thường được sử dụng trong EW và truyền thông. Hằng số điện môi của vật liệu này thấp vì đây là vật liệu tổng hợp có chứa các thành phần thủy tinh sợi siêu nhỏ. Các sợi siêu nhỏ này có mục đích tăng cường độ bền của sợi trong vật liệu.

Do hằng số điện môi thấp này, PCB lý tưởng cho các ứng dụng sử dụng tần số cao. Tuy nhiên, do vật liệu có độ dẫn nhiệt thấp nên nó dễ bị nóng, đây có thể là nhược điểm lớn trong các ứng dụng cần nhiều nhiệt.

Vật liệu PCB và ứng dụng công nghiệp

Đối với các ứng dụng trong quân đội và ngành hàng không vũ trụ, ô tô và y tế, PCB được sản xuất theo dạng một mặt cũng như hai mặt, một số được phủ đồng và một số khác sử dụng nhôm. Trong mỗi ngành công nghiệp này, vật liệu được sử dụng để đạt hiệu suất tối đa trong các lĩnh vực cụ thể. Do đó, vật liệu PCB được lựa chọn dựa trên chất lượng nhẹ của chúng trong một số ngành công nghiệp nhất định hoặc khả năng xử lý lượng điện năng lớn trong các ngành khác. Do đó, khi tính đến các khả năng về hiệu suất, điều quan trọng là phải xác định các chức năng nào cần được so sánh với nhau khi lựa chọn vật liệu PCB, vì mức vật liệu tương quan với mức hiệu suất.

Tấm Flex và Rigid-Flex

Trong những năm gần đây, bo mạch flex và bo mạch rigid-flex ngày càng trở nên phổ biến vì các tùy chọn mà chúng cho phép sử dụng trong nhiều mục đích khác nhau. Về cơ bản, chúng có thể uốn cong, gấp lại và thậm chí quấn quanh các vật thể, do đó chúng có thể được sử dụng để đạt được các ứng dụng mà bo mạch phẳng không bao giờ có thể làm được. Ví dụ, bo mạch flex có thể được sử dụng cho một thiết bị đòi hỏi bo mạch phải gập lại theo một góc và vẫn dẫn được dòng điện từ đầu này sang đầu kia mà không cần các tấm kết nối.

Phần lớn các tấm flex trên thị trường đều bao gồm Kapton, một màng polyimide có nguồn gốc từ DuPont Corporation. Màng này có các đặc tính như khả năng chịu nhiệt, tính nhất quán về kích thước và hằng số điện môi chỉ 3.6.

Kapton có ba phiên bản Pyralux:

• Chất chống cháy (FR)

• Không chống cháy (NFR)

• Không cần keo dán / hiệu suất cao (AP)

Lựa chọn vật liệu bảng mạch PCB – Chất lượng là trên hết

Khi nói đến việc lựa chọn vật liệu bảng mạch in, chất lượng là yếu tố quan trọng nhất trong việc chế tạo bất kỳ loại bảng mạch nào, cho dù là thiết bị điện tử gia dụng hay thiết bị công nghiệp. Một linh kiện chứa bảng mạch in có thể lớn hoặc nhỏ, rẻ hoặc đắt, nhưng điều quan trọng nhất là sản phẩm đó phải có hiệu suất vượt trội trong toàn bộ thời gian sử dụng dự kiến.

Mặc dù có nhiều loại vật liệu PCB được đưa vào một bảng mạch nhất định, nhưng độ tin cậy của sản phẩm cuối cùng là điều mà người tiêu dùng và doanh nghiệp tìm kiếm ở các sản phẩm sử dụng bảng mạch. Tất nhiên, điều quan trọng nữa là vật liệu bảng mạch PCB phải đủ chắc để giữ chặt với nhau, ngay cả khi một thành phần vô tình bị rơi hoặc bị va đập sang một bên.

Ví dụ, trên thiết bị vi tính, PCB bền đảm bảo có thể thực hiện cập nhật phần cứng mà không làm hỏng vật liệu bảng PCB có sẵn. Điều tương tự cũng áp dụng cho các thiết bị điện tử, lò vi sóng và các thiết bị gia dụng khác dựa vào công nghệ PCB để duy trì tình trạng hoạt động. Ngay cả tại các cơ sở công cộng điện tử như ATM, PCB phải hoạt động mà không bị lỗi để các nút sẽ hoạt động và các lệnh sẽ được hiểu mà không bị chậm trễ.

At Wonderful PCB, chúng tôi cung cấp đầy đủ các dịch vụ lắp ráp và cung cấp PCB. Nhờ kinh nghiệm kinh doanh hơn 20 năm và công nghệ tiên tiến, Wonderful PCB có khả năng xử lý nhiều loại vật liệu laminate và vật liệu nền khác nhau bao gồm FR4, Rogers, v.v. là những loại phổ biến nhất và được ứng dụng rộng rãi nhất. Các dịch vụ của chúng tôi đã được các kỹ sư trên khắp các lĩnh vực công nghiệp sử dụng, với các mục tiêu riêng biệt khi nói đến hoạt động và chức năng của các thành phần sử dụng PCB. Để tìm hiểu thêm về các dịch vụ của chúng tôi, hãy truy cập trang tổng quan và khả năng lắp ráp của chúng tôi hoặc liên hệ với chúng tôi để được báo giá ngay hôm nay.