PCB là gì? Đó chính là câu hỏi mà bất kỳ ai liên quan đến lĩnh vực điện tử hoặc công nghệ đều cần phải tìm hiểu. Bảng mạch in (PCB) không chỉ đơn thuần là một thành phần mà còn là nền tảng cho sự phát triển của hàng triệu thiết bị điện tử hiện đại.

Định nghĩa

Mạch, hay bảng mạch PCB là viết tắt của một cụm từ Printed Circuit Board. PCB là một bảng mạch in gồm nhiều lớp vật liệu cách điện, trên đó cả linh kiện điện tử được kết nối bằng các đường dẫn kim loại. 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.

Khi chưa có PCB thì các linh kiện được nối với nhau bằng dây dẫn làm tăng độ phức tạp và độ tin cậy không cao, vì thế không thể tạo ra được một mạch lớn như bo mạch chủ. Bên trong mạch PCB thì các linh kiện điện tử sẽ được kết nối không thông qua các dây dẫn ngoài mà 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

Các thành phần chính

Chất nền FR4 (Epoxit hoặc Phenolic)

Đây là lớp vật liệu cơ bản nhất có thể được xem là chất nền cho PCB, thường là sợi thủy tinh. Trong lịch sử phát triển, loại vật liệu phổ biến nhất cho chất nền này là sợi thủy tinh "FR4". FR4 sẽ giúp PCB độ cứng và độ dày tốt khó bị gãy, nứt. Ngoài ra, còn có các PCB dẻo được thiết kế dựa trên tấm nền là nhựa dẻo nhiệt độ cao (có thể là Kapton hoặc loại tương đương)

PCB sẽ có độ dày khác nhau tùy theo số lớp của mạch in, một số độ dày phổ biến là 1,6mm (0,063 ") hoặc độ dày 0,8 mm cho các mạch Arduino.

PCB và bo mạch giá rẻ thường được làm bằng các vật liệu khác như epoxit hoặc phenolics. Chúng sẽ không có độ bền bằng FR4 nhưng chi phí sẽ được giảm đi khá nhiều nếu làm bằng những vật liệu này. Bạn có thể nhận biết những loại PCB giá rẻ này khi bạn trực tiếp hàn chúng, thường có mùi hôi rất khó chịu.

Những loại chất nền rẻ này thường được tìm thấy trong các thiết bị điện tử tiêu dùng giá rẻ từ Trung Quốc đó là lý do vì sao một số thiết bị điện tử gia dụng từ Trung Quốc lại rẻ đến thế. Chất nền phenol có nhiệt độ phân hủy nhiệt thấp khiến chúng bị tách lớp, bốc khói và bị cháy đen khi mỏ hàn được giữ quá lâu trên mạch in

Lớp Đồng

Lớp tiếp theo của mạch in PCB là một lá đồng mỏng, được ép lên bằng nhiệt và chất kết dính. Trên các tấm PCB 2 mặt thông thường, đồng được phủ lên cả hai mặt của chất nền. Trong các thiết bị điện tử chi phí thấp hơn, PCB có thể chỉ có đồng ở một mặt. Khi ai đó đề cập đến bảng mạch hai mặt hoặc 2 lớp thường đồng nghĩa với việc họ đang đề cập đến số lớp đồng cấu tạo nên PCB (2).

Cách tính số lượng này đồng nghĩa với việc một mạch PCB có thể có tối thiểu 1 lớp đồng (đối với mạch 1 lớp) hoặc 16 lớp đồng (đối với mạch 16 lớp) hoặc nhiều hơn nữa

Độ dày của đồng có thể thay đổi và được quy định theo trọng lượng, thông thường ở một số nước lượng đồng phủ trên bề mặt sẽ được tính bằng ounce trên foot vuông. Phần lớn PCB sẽ được phủ 1oz đồng trên mỗi foot vuông nhưng một số PCB xử lý công suất rất cao có thể sử dụng 2 hoặc 3oz đồng.

Theo công thức này, cứ mỗi oz trên một feet vuông PCB tương ứng sẽ có độ dày khoảng 35 micromet

Lớp Solder Mask (Mặt nạ hàn)

Lớp trên cùng của lá đồng được gọi là lớp mặt nạ hàn. Đây là lớp đóng vai trò tạo nên màu sắc đặc trưng cho mạch in thường là màu xanh lá cây (đôi khi sẽ có những màu sắc khác như xanh dương, đỏ, tím, trắng tùy vào nhà sản xuất).

Nó được phủ lên lớp đồng với nhiệm vụ cách ly các đường dẫn điện không tiếp xúc ngẫu nhiên nhau hoặc các kim loại, vật hàn hoặc các bit dẫn điện khác ở ngoài bám vào. Ngoài ra, lớp mặt nạ này cũng giúp người sử dụng hàn vào chính xác những vị trí và tránh bị nhảy mối hàn.  

Mặt nạ hàn sẽ che phủ hầu hết mọi nơi trên bề mặt nhưng sẽ để hở các vòng bạc và miếng pad SMD để người dùng có thể hàn linh kiện vào những vị trí này

Lớp Silkscreen

Lớp Silksreen hay còn gọi là lớp mực in, đây là lớp cuối cùng được phủ lên PCB sau khi các bước trên đã được hoàn thiện. Lớp này thường thêm các chữ cái, số và ký hiệu vào PCB giúp người dùng có thể lắp ráp linh kiện vào dễ dàng hơn, nói cách khác nó sẽ ký hiệu ở từng nơi xem cần gắn loại linh kiện nào, giá trị là bao nhiêu cho phù hợp

Silkscreen phổ biến nhất là màu trắng nhưng cũng có thể sử dụng bất kỳ màu mực nào tùy vào cách phối màu với Solder Mask sao cho nổi bật, dễ nhìn. Lớp mực in này có thể có màu đen, xám, đỏ, và thậm chí vàng. Tuy nhiên, bạn sẽ hiếm khi thấy nhiều hơn một màu trên một bảng vì có thể gây rối mắt người sử dụng

Cấu trúc đường truyền

Đường  truyền là một đường tín hiệu hoàn chỉnh, gồm dây tín hiệu và dây hồi tiếp, trong đó có hai dây dẫn với độ dài xác định: một dây dùng để truyền tín hiệu và dây còn lại làm đường hồi tín hiệu. Trên thực tế, trong mạch điện tử, đường truyền thường chính là các dấu vết (trace) trên bảng mạch PCB.

Khi phân tích đường truyền, cần lưu ý các điểm sau:

1. Luôn xem xét đường hồi tín hiệu cùng với đường tín hiệu. Một dây dẫn đơn lẻ không thể tạo thành một đường truyền hoàn chỉnh.
2. Tương tự như điện trở, tụ điện hay cuộn cảm, đường truyền có thể được coi là một phần tử mạch lý tưởng. Tuy nhiên, đặc tính của đường truyền hoàn toàn khác với các linh kiện rời rạc, và các hiệu ứng của nó thường được mô tả chính xác hơn bằng mô hình truyền sóng, khiến khái niệm mạch điện trở nên phức tạp hơn.
   
   1. Đường truyền có hai đặc tính đặc biệt quan trọng: trở kháng đặc trưng và độ trễ truyền.

Trở kháng đường truyền

Trước hết cần phân biệt một số khái niệm thường dễ gây nhầm lẫn như trở kháng đầu vào, trở kháng tức thời và trở kháng đặc trưng. Về bản chất, tất cả đều liên quan đến sự cản trở mà tín hiệu gặp phải khi đi vào đường truyền. Trở kháng mà tín hiệu “nhìn thấy” tại một thời điểm bất kỳ được gọi là trở kháng tức thời. Nếu trở kháng tức thời này không thay đổi dọc theo đường truyền, nó được gọi là trở kháng đặc trưng.

Trở kháng đặc trưng mô tả mức độ cản trở mà tín hiệu gặp phải khi lan truyền dọc theo đường truyền và là một yếu tố then chốt ảnh hưởng đến chất lượng và tính toàn vẹn của tín hiệu. Trong nhiều tài liệu, nếu không có chú thích đặc biệt, thuật ngữ “trở kháng” thường được dùng để chỉ trở kháng đặc trưng của đường truyền.

Độ trễ truyền

Độ trễ truyền, còn gọi là thời gian trễ (Time Delay – TD) là khoảng thời gian cần thiết để một tín hiệu điện từ hoặc quang học truyền từ đầu này đến đầu kia của đường truyền. Nói cách khác, đây là thời gian tín hiệu cần để đi hết chiều dài của đường truyền.

Khái niệm độ trễ lan truyền (Propagation Delay – PD) thường được dùng để chỉ thời gian trễ trên một đơn vị chiều dài của đường truyền. Đại lượng này tỷ lệ nghịch với tốc độ lan truyền của tín hiệu và thường được biểu diễn bằng các đơn vị như ps/inch hoặc s/m. Tổng độ trễ truyền của đường truyền bằng tích của độ trễ lan truyền và chiều dài đường truyền.

Cấu trúc đường truyền trên bảng mạch PCB

Trong các bảng mạch PCB điển hình, đường truyền được hình thành bởi các dây dẫn kim loại nằm trong hoặc trên vật liệu điện môi và luôn đi kèm với một hoặc nhiều mặt phẳng tham chiếu. Vật liệu dẫn điện phổ biến nhất là đồng, trong khi vật liệu điện môi thường được sử dụng là sợi thủy tinh FR4.

Trong thiết kế mạch số, hai loại cấu trúc đường truyền được sử dụng rộng rãi là microstrip và stripline. Microstrip là các dấu vết nằm trên lớp ngoài của PCB và chỉ có một mặt phẳng tham chiếu. Microstrip có thể ở dạng đặt trực tiếp trên bề mặt hoặc được phủ bởi lớp điện môi.

Stripline là các dấu vết nằm bên trong PCB, được kẹp giữa hai mặt phẳng tham chiếu. Nhìn chung, các dấu vết bên trong (stripline) và dấu vết bên ngoài (microstrip) sẽ có đặc tính truyền dẫn khác nhau và được lựa chọn tùy theo yêu cầu về hiệu suất tín hiệu và cấu trúc PCB.