Các khái niệm cốt lõi về PCB: Bảng mạch in là gì và chúng hoạt động như thế nào

Hình ảnh nhân bản của khách hàng

Các bảng mạch in (PCB) là xương sống của mọi thiết bị điện tử hiện đại từ điện thoại thông minh trong túi đến radar trong xe tự lái.các tấm lớp thay thế các sợi dây lộn xộn bằng các dấu vết đồng chính xác, tổ chức các thành phần và đảm bảo kết nối điện đáng tin cậy.Hãy tưởng tượng một chiếc điện thoại thông minh với hàng trăm sợi dây lỏng lẻo, hoặc một màn hình y tế bị hỏng do kết nối rối loạn.

Khi ngành công nghiệp điện tử toàn cầu phát triển, nhu cầu về PCB cũng tăng.được điều khiển bởi xe điện (EVs) sử dụng PCB nhiều hơn 3×5 lần so với xe truyền thống và sự gia tăng 5GHướng dẫn này chia nhỏ các khái niệm cốt lõi của PCB: chúng là gì, cấu trúc của chúng, các thành phần chính, ứng dụng và cách chúng cung cấp năng lượng cho các thiết bị mà chúng ta dựa vào hàng ngày.Cho dù bạn là một người có sở thích xây dựng một dự án DIY hoặc một kỹ sư thiết kế thiết bị công nghiệp, hiểu những điều cơ bản này sẽ giúp bạn làm việc với PCB hiệu quả hơn.

Những điểm quan trọng
1Định nghĩa: PCB là một bảng lớp sử dụng các dấu vết đồng dẫn để kết nối các thành phần điện tử, thay thế các dây cáp cồng kềnh và cho phép thu nhỏ.
2Các loại: PCB được phân loại theo độ phức tạp (một mặt, hai mặt, nhiều lớp) và độ tin cậy (Lớp 1 cho đồ chơi, Lớp 3 cho các thiết bị y tế / hàng không vũ trụ).
3Cấu trúc: Các lớp cốt lõi bao gồm chất nền (ví dụ: FR4), dấu vết đồng, mặt nạ hàn (mảng phủ bảo vệ) và mực lụa (tiêu đề).
4Các vật liệu: FR4 là chất nền tiêu chuẩn cho hầu hết các thiết bị điện tử; PCB linh hoạt sử dụng polyimide, trong khi các thiết kế tần số cao dựa trên PTFE.
5Ứng dụng: PCB cung cấp năng lượng cho các thiết bị tiêu dùng, EV, thiết bị y tế và hệ thống hàng không vũ trụ với các thiết kế chuyên biệt cho từng nhu cầu của ngành.
6Chi phí và hiệu quả: PCB đa lớp tốn kém hơn nhưng tiết kiệm không gian; sản xuất khối lượng lớn làm giảm chi phí mỗi đơn vị 30~50%.

PCB là gì?
A Printed Circuit Board (PCB) is a rigid or flexible board that mechanically supports and electrically connects electronic components using conductive pathways (called “traces”) etched into copper layersKhông giống như hệ thống dây chuyền point-to-point cũ hơn (được sử dụng dây lỏng để kết nối các bộ phận), PCB nhỏ gọn, bền và dễ sản xuất hàng loạt.

Mục đích chính của PCB
PCB giải quyết ba vấn đề quan trọng trong điện tử:

1.Miniaturization: Các dấu vết đồng (mỏng đến 0,1mm) cho phép các nhà thiết kế lắp hàng trăm thành phần trên một bảng nhỏ hơn một thẻ tín dụng (ví dụ: PCB chính của điện thoại thông minh).
2Độ tin cậy: Các dấu vết cố định loại bỏ các kết nối lỏng lẻo, giảm tỷ lệ thất bại 70% so với các mạch có dây.
3.Khả năng sản xuất: Lắp ráp tự động (máy chọn và đặt) có thể lấp đầy 1.000+ PCB mỗi giờ, làm cho sản xuất khối lượng lớn trở nên giá cả phải chăng.

Phân loại PCB: Theo độ tin cậy và phức tạp
PCB được nhóm thành các loại dựa trên mục đích sử dụng của chúng (tin cậy) và số lớp (thật phức tạp) 两项关键因素对于设计师和制造商.
1Các lớp độ tin cậy (Tiêu chuẩn IPC)
IPC (Hiệp hội Công nghiệp Điện tử Kết nối) xác định ba lớp dựa trên mức độ quan trọng của PCB đối với chức năng thiết bị:

Ví dụ: PCB lớp 3 trong bộ tạo nhịp tim phải đáp ứng các thử nghiệm nghiêm ngặt (ví dụ: hơn 1.000 chu kỳ nhiệt) để tránh lỗi, trong khi PCB lớp 1 trong đồ chơi chỉ cần chức năng cơ bản.

2. Các lớp phức tạp (số lớp)
Số lớp xác định số đường dẫn mà một PCB có thể hỗ trợ nhiều lớp hơn có nghĩa là nhiều thành phần hơn và tín hiệu nhanh hơn:

Xu hướng: PCB đa lớp (6 ′′ 12 lớp) hiện là tiêu chuẩn trong điện thoại thông minh và EVs ′′ Apple ′′ iPhone 15 sử dụng PCB 8 lớp để phù hợp với bộ vi xử lý 5nm và modem 5G trong thiết kế mỏng.

PCB so với PCBA: Sự khác biệt là gì?
Một nguồn gây nhầm lẫn phổ biến là sự khác biệt giữa PCB và PCBA (Đội hình bảng mạch in):

a.PCB: Bảng khỏa thân chỉ là cấu trúc nhiều lớp (mảng nền, đồng, mặt nạ hàn) không có thành phần gắn liền.
b.PCBA: Các thành phần của sản phẩm hoàn thành (kháng, IC, đầu nối) được hàn vào PCB, làm cho nó hoạt động.

Ví dụ: Một nhà sản xuất có thể bán một PCB trần cho một người có sở thích, nhưng một nhà máy điện thoại thông minh mua PCBAs sẵn sàng để lắp đặt trong thiết bị.

Cấu trúc PCB: Lớp và vật liệu
Hiệu suất của PCB phụ thuộc vào thiết kế lớp và vật liệu được sử dụng cho mỗi lớp. Ngay cả những thay đổi nhỏ (ví dụ, nền dày hơn) cũng có thể ảnh hưởng đến độ bền, tốc độ tín hiệu và sức đề kháng nhiệt.

4 lớp cốt lõi của PCB tiêu chuẩn
Hầu hết các PCB cứng (ví dụ, dựa trên FR4) có bốn lớp chính, trong khi các thiết kế linh hoạt hoặc nhiều lớp thêm các lớp bổ sung cho các nhu cầu cụ thể:

Lớp tùy chọn cho PCB tiên tiến:

a. Điện lực / mặt đất: Lớp đồng bên trong (trong PCB đa lớp) phân phối điện và giảm tiếng ồn quan trọng đối với các thiết kế tốc độ cao.
b. Thermal Vias: Các lỗ chứa đồng chuyển nhiệt từ các thành phần nóng (ví dụ như IC) sang các lớp bên trong hoặc thùng dissipator nhiệt.

Các vật liệu PCB chính: Làm thế nào để chọn đúng
Lựa chọn vật liệu phụ thuộc vào trường hợp sử dụng PCB, ví dụ, một băng đồng hồ thông minh linh hoạt cần một chất nền khác so với một biến tần EV nhiệt cao. Dưới đây là một so sánh các vật liệu phổ biến nhất:

Xem xét quan trọng: Đối với các thiết kế tần số cao (ví dụ: 5G mmWave), mất điện đệm thấp của PTFE (Df = 0,0002) giảm thiểu sự suy giảm tín hiệu - một cái gì đó mà FR4 (Df = 0,02) không thể phù hợp.

Các thành phần PCB thiết yếu: Chúng làm gì và tại sao chúng quan trọng
PCB chỉ hoạt động khi các thành phần được hàn vào nó. Mỗi thành phần có một vai trò cụ thể, từ điều khiển dòng điện đến xử lý dữ liệu. Dưới đây là các thành phần phổ biến nhất và chức năng của chúng:
Các thành phần PCB phổ biến và vai trò của chúng

Ví dụ: Trong tai nghe không dây, một IC xử lý tín hiệu âm thanh, tụ điện làm trơn tru nguồn từ pin,và kháng cự bảo vệ loa khỏi quá tải tất cả được kết nối bởi các dấu vết đồng trên một PCB nhỏ.

Làm thế nào các thành phần hoạt động cùng nhau
Các thành phần được sắp xếp trong mạch (series, song song hoặc hỗn hợp) để thực hiện các nhiệm vụ cụ thể. Ví dụ:

a. Dòng điện: Một pin cung cấp điện áp → một đèn LED ngăn chặn dòng ngược → một bộ điện lọc tiếng ồn → một điện trở giới hạn dòng điện cho một đèn LED.
b. Vòng mạch tín hiệu: Một cảm biến phát hiện ánh sáng → một bóng bán dẫn khuếch đại tín hiệu → một IC xử lý dữ liệu → một đầu nối gửi kết quả đến màn hình hiển thị.

Sự hợp tác này đảm bảo PCB hoạt động như một hệ thống duy nhất, gắn kết không cần dây lỏng lẻo.

Các ứng dụng PCB: Chúng được sử dụng ở đâu (và tại sao)
PCB ở khắp mọi nơi, nhưng thiết kế của chúng khác nhau đáng kể theo ngành công nghiệp.và một PCB linh hoạt cho một chiếc đồng hồ thông minh không thể xử lý nhiệt của một biến tần EV.
1Điện tử tiêu dùng: Thị trường lớn nhất
Các thiết bị tiêu dùng phụ thuộc vào các PCB nhỏ, chi phí thấp cân bằng hiệu suất và giá cả phải chăng.

a. Điện thoại thông minh: PCB lớp 612 với các dấu vết nhỏ (0,1mm) để phù hợp với modem, bộ vi xử lý và máy ảnh 5G.
b.Đồ đeo: PCB polyimide linh hoạt có thể uốn cong với đồng hồ thông minh hoặc dây chuyền thể dục Apple Watch sử dụng PCB linh hoạt 4 lớp trong dây đeo của nó.
c. Máy gia dụng: PCB FR4 đơn hoặc hai mặt trong tủ lạnh (kiểm soát nhiệt độ) và lò vi sóng (quản lý năng lượng).

Dữ liệu thị trường: Điện tử tiêu dùng chiếm 40% nhu cầu PCB toàn cầu, được thúc đẩy bởi doanh số bán hàng điện thoại thông minh hàng năm là 1,3 tỷ đơn vị.

2Ô tô: EV và ADAS thúc đẩy tăng trưởng
Xe ô tô sử dụng nhiều PCB hơn bao giờ hết Ứng dụng PCB ô tô quan trọng:

a.ADAS (Hệ thống hỗ trợ lái xe tiên tiến): PCB đa lớp trong radar (77GHz) và hệ thống LiDAR
c. Hệ thống quản lý pin EV (BMS): PCB đồng dày (2oz +) xử lý 400V DC và phân tán nhiệt từ pin pin.
Infotainment: PCB hai mặt cho màn hình cảm ứng và kết nối Bluetooth.

Yêu cầu chính: PCB ô tô phải chịu được nhiệt độ từ -40 °C đến 125 °C và rung động (20G +) vì vậy chúng sử dụng FR4 Tg cao (Tg ≥170 °C) và bảo vệ mặt nạ hàn thêm.

3Các thiết bị y tế: An toàn và chính xác
PCB y tế là lớp 3 (an toàn quan trọng) và yêu cầu tính tương thích sinh học, vô trùng và đáng tin cậy.

a.Được cấy ghép: PCB polyimide linh hoạt trong máy tạo nhịp tim và kích thích thần kinh
b. Chẩn đoán: PCB đa lớp trong máy siêu âm và máy phân tích máu  Thiết kế tiếng ồn thấp đảm bảo đọc chính xác.
c.Đồ đeo: PCB linh hoạt trong máy đo nhịp tim ờ chúng phù hợp với cơ thể và chống mồ hôi.

Tuân thủ: PCB y tế đáp ứng các tiêu chuẩn ISO 13485 và trải qua các thử nghiệm nghiêm ngặt (ví dụ: 1.000 + chu kỳ tự khoanh để khử trùng).

4Không gian và Quốc phòng: Sức bền cực kỳ
PCB hàng không vũ trụ hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (quang xạ, chân không, nhiệt độ cực cao) và phải an toàn.

a. Vệ tinh: PTFE và PCB gốm chống bức xạ (100kRad) và hoạt động ở nhiệt độ từ -55 °C đến 125 °C.
b. Máy bay quân sự: PCB đa lớp trong hệ thống radar và định vị ờ chúng chịu được rung động súng (100G) và tiếp xúc nhiên liệu.
c. Tên lửa: PCB tần số cao hướng dẫn các hệ thống nhắm mục tiêu √ Substrate PTFE giảm thiểu mất tín hiệu ở 100GHz.

Kiểm tra: PCB không gian vượt qua MIL-STD-883H (tiêu chuẩn quân sự) cho chu trình nhiệt, rung động và bức xạ.

PCB hoạt động như thế nào: Kết nối điện và dòng tín hiệu
Công việc của PCB là di chuyển tín hiệu điện và năng lượng giữa các thành phần mà không bị nhiễu hoặc mất mát.
1. Trace Routing: Các "đường" cho tín hiệu
Các dấu vết đồng là những "con đường" mang tín hiệu và năng lượng.

a. Giảm độ dài: Các dấu vết ngắn hơn làm giảm sự chậm trễ tín hiệu quan trọng đối với các thiết kế tốc độ cao (ví dụ, 5G sử dụng dấu vết <5cm để tránh độ trễ).
b. Tránh chéo: Trong PCB một mặt, các dấu vết không thể chéo (chúng ngắn), vì vậy PCB hai mặt / nhiều lớp sử dụng đường (lỗ) để "nhảy" giữa các lớp.
c. Chiều rộng điều khiển: Các dấu vết rộng hơn mang nhiều dòng điện hơn, 1mm rộng, 1oz tay cầm dấu vết đồng ~ 10A, trong khi tay cầm dấu vết 0,2mm ~ 2A (Tiêu chuẩn IPC-2221).

Ví dụ: PCB của điện thoại thông minh 5G sử dụng các dấu vết rộng 0,15mm cho đường dẫn tín hiệu và dấu vết rộng 1mm cho năng lượng (sạc đến IC).

2. Khớp kháng: Giữ tín hiệu rõ ràng
Kháng (kháng đối với tín hiệu AC) phải phù hợp trên các dấu vết để ngăn chặn phản xạ tín hiệu..g., Ethernet). Nguyên nhân cản không phù hợp:

a. Mất tín hiệu: Một sự không phù hợp trở kháng 10% (55Ω thay vì 50Ω) phản ánh 10% tín hiệu, giảm phạm vi.
tiếng ồn: Các tín hiệu phản xạ can thiệp vào các dấu vết khác, gây ra sự cố trong âm thanh hoặc dữ liệu.

Làm thế nào để đạt được sự phù hợp: Điều chỉnh chiều rộng dấu vết và độ dày chất nền, ví dụ, dấu vết rộng 0,15 mm trên kháng cự FR4 dày 0,1 mm = 50Ω.

3. Điền đất và giảm tiếng ồn
Việc nối đất là rất quan trọng để giảm nhiễu điện từ (EMI), có thể làm gián đoạn tín hiệu.

a. Bề mặt đất: Một lớp đồng rắn (trong PCB đa lớp) hoạt động như một “bức chắn” để hấp thụ tiếng ồn.
b. Đường nối đất ở một điểm: Tất cả các kết nối đất gặp nhau ở một điểm để tránh các vòng nối đất (tạo ra tiếng ồn).
c. Capacitors giải ly: Đặt gần IC để lọc tiếng ồn điện ≈ 0,1μF Capacitors là tiêu chuẩn cho hầu hết các thiết kế.

Kết quả: PCB được đặt đất tốt có EMI ít hơn 50%, làm cho nó phù hợp với các thiết bị nhạy cảm như màn hình y tế.

Câu hỏi thường gặp về PCB: Câu trả lời cho những câu hỏi thường gặp
Q1: Sự khác biệt giữa PCB cứng và linh hoạt là gì?
A: PCB cứng (dựa trên FR4) cứng và được sử dụng trong các thiết bị như máy tính xách tay. PCB linh hoạt (dựa trên polyimide) uốn cong và gấp lý tưởng cho thiết bị đeo hoặc điện thoại gập. PCB cứng-chuyên kết hợp cả hai (ví dụ:một smartwatch PCB với lõi cứng và dây đeo linh hoạt).

Q2: Làm thế nào để tôi chọn đúng vật liệu PCB?
A: Hãy làm theo danh sách kiểm tra này:

1Ứng dụng: Dễ dàng? Sử dụng polyimide. Tần số cao? Sử dụng PTFE.
2.Môi trường: nóng (EVs)? Sử dụng FR4 TG cao.
3Chi phí: ngân sách? sử dụng FR4. cao cấp? sử dụng PTFE hoặc gốm.

Q3: Tại sao PCB đa lớp tốt hơn cho các thiết bị phức tạp?
A: PCB đa lớp:

a. Tiết kiệm không gian (PCB lớp 6 = 1/3 kích thước của PCB một mặt với các thành phần tương tự).
b. Giảm tiếng ồn (độc lập năng lượng / mặt đất).
c. Hỗ trợ tín hiệu nhanh hơn (dấu vết ngắn hơn, trở ngại được kiểm soát).

Q4: PCB có thể được tái chế không?
Đáp: Có Ứng dụng đặc biệt phục hồi đồng (40-60% trọng lượng PCB) và kim loại quý (vàng, bạc) bằng các quy trình hóa học hoặc cơ học.Tái chế làm giảm chất thải điện tử và giảm chi phí nguyên liệu thô.

Q5: Tôi cần công cụ nào để thiết kế PCB?
Đáp: Đối với người mới bắt đầu: Các công cụ miễn phí như KiCad hoặc EasyEDA (hoàn hảo cho các dự án đơn giản).Hầu hết các công cụ bao gồm chụp sơ đồ (khai kết mạch) và bố cục (đặt các thành phần / dấu vết).

Kết luận
PCB là nền tảng của điện tử hiện đại, cho phép thu nhỏ, độ tin cậy và hiệu quả mà chúng ta cho là hiển nhiên.Các thành phần Ứng dụngHiểu các khái niệm cốt lõi PCB - cách chúng được cấu trúc, vật liệu nào nên sử dụng và các thành phần hoạt động cùng nhau - cho phép bạn thiết kế, chế tạo hoặc sửa chữa các thiết bị điện tử hiệu quả hơn.

Khi công nghệ tiến bộ (6G, AI, máy tính lượng tử), PCB cũng sẽ phát triển: các dấu vết mỏng hơn, nhiều lớp hơn và các vật liệu mới (ví dụ, graphene cho tín hiệu nhanh hơn) sẽ đẩy giới hạn của những gì có thể.Cho dù bạn là một người có sở thích hay một kỹ sư, làm quen với những điều cơ bản này sẽ giúp bạn theo kịp với thế giới điện tử nhanh chóng.

Đối với các nhà sản xuất và nhà thiết kế, hợp tác với các nhà cung cấp PCB có kinh nghiệm (như LT CIRCUIT) đảm bảo bảng của bạn đáp ứng các tiêu chuẩn ngành công nghiệp và yêu cầu hiệu suất.bạn có thể biến ngay cả những ý tưởng điện tử phức tạp nhất thành chức năng, các sản phẩm đáng tin cậy.