Multilayer PCB

Multilayer PCB

Bạn từng tự hỏi về việc kích thước của điện thoại thông minh, laptop hoặc máy tính để bàn của bạn trở nên nhỏ gọn với mỗi mẫu mới?

Sức mạnh ẩn sau điều này là gì?

Một trong những lý do khiến thiết bị điện tử của bạn trở nên mảnh mai là bo mạch in (PCB). Cùng với bán dẫn và các thiết bị điện tử công suất khác, PCB đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.

Muốn biết PCB là gì không? Tiếp tục đọc để khám phá ý nghĩa của PCB và cách nó hoạt động.

Hãy nhớ đến những chiếc máy tính có kích thước bàn hoặc phòng? Lý do khiến chúng lớn hơn không chỉ giới hạn ở kích thước của các thành phần bán dẫn. Cáp nối cũng đóng góp vào cấu trúc lớn và nặng nề của chúng.

PCB là gì?

PCB hoặc Bảng Mạch In, xuất hiện khoảng một thế kỷ trước như một ý tưởng để loại bỏ những sợi dây phức tạp này.

PCB kết nối điện từ các thành phần điện tử thông qua các dẫn đồng được vẽ bằng tay hoặc thiết kế trên máy tính bằng cách sử dụng các phương pháp khác nhau. Nó cũng cung cấp hỗ trợ cơ khí cho các thành phần và cung cấp cách ly giữa các lớp. Chúng ta sẽ thảo luận ý nghĩa của các lớp một cách chi tiết trong phần sau của bài viết này.

PCB sử dụng một chất cách điện không dẫn nhiệt đối làm cách ly giữa hai hoặc nhiều tấm đồng được ets và lớp phủ. Chúng thường được phân loại thành PCB một lớp, PCB hai lớp và PCB đa lớp.

Trong bài viết này, bạn sẽ tìm hiểu về:

Các loại PCB
Hiểu về PCB đa lớp
Hướng dẫn thiết kế PCB đa lớp
Quy trình sản xuất PCB đa lớp
Ưu điểm và Nhược điểm của PCB đa lớp
Ứng dụng của PCB đa lớp

Các loại PCB:

PCB đa dạng và phục vụ nhiều mục đích trong các thiết bị điện tử khác nhau ở nhiều lĩnh vực công nghiệp. Phân loại dựa trên ứng dụng, quy trình sản xuất và các vật liệu sử dụng. Các loại chính bao gồm:

PCB một lớp
PCB hai lớp
PCB đa lớp
PCB cứng
PCB linh hoạt
PCB lưng nhôm
PCB cứng linh hoạt

Bài viết này tập trung đặc biệt vào PCB đa lớp.

Bảng mạch in đa lớp (Multilayer PCB) là một phần quan trọng trong việc tích hợp các thành phần bán dẫn với vi mạch (ICs), giúp chứa đựng nhiều tính năng trong một thiết bị nhỏ gọn. Kích thước của PCB cùng với kích thước bộ xử lý đóng vai trò quan trọng trong việc làm cho các sản phẩm điện tử trở nên mảnh mai hơn với mỗi mô hình mới. Tuy nhiên, việc giảm kích thước của PCB mang theo một số ảnh hưởng tiêu cực như Nhiễu, giao cắt tín hiệu, không phù hợp về ngăn đoạn, v.v., phụ thuộc vào hai yếu tố: chất liệu của đa lớp và khoảng cách đường đi giữa các đường dẫn tín hiệu tốc độ cao.

Bảng mạch in đa lớp, như tên gọi, bao gồm hơn 3 lớp đối diện kép của đồng. Các lớp được làm từ vật liệu dẫn như đồng và được kết nối thông qua lỗ (Vias). Số lớp được quyết định bởi kỹ sư thiết kế PCB dựa trên ứng dụng cụ thể và các tín hiệu được gán (nguồn, đất, tín hiệu tốc độ cao, v.v.) cho từng lớp.

Đối với sự mảnh mai cao hơn, số lượng lớp được tăng lên. Điều này giúp giảm kích thước tổng thể của bảng mạch in. Hãy đọc tiếp đến phần tiếp theo để biết cách kỹ sư thiết kế bảng mạch in đa lớp này.

Làm thế nào để Thiết kế Bảng mạch in Đa lớp( Multilayer PCB )

Thiết kế một bảng mạch in đơn hoặc đôi lớp là dễ dàng và có thể được thực hiện bởi bất kỳ người làm thủ công nào với một số linh kiện, mà dễ dàng có sẵn trên thị trường. Một bài viết tự làm để thiết kế một bảng mạch in đơn sẽ sớm được cung cấp.

Tuy nhiên, bảng mạch in đa lớp đòi hỏi sự kỹ năng của các kỹ sư. Họ sử dụng các phần mềm khác nhau, có thể miễn phí hoặc có giá cao, và tạo ra nhiều quy tắc được xác định trước trong phần quy tắc của công cụ đã chọn. Một công cụ thiết kế PCB tốt mà chúng tôi thường sử dụng là Altium Designer, mà là dễ sử dụng và thuận tiện.

Yêu cầu đầu tiên và quan trọng nhất để thiết kế PCB là bố cục mạch của dự án. Khi nó đã sẵn sàng, một sơ đồ được vẽ bằng thư viện biểu tượng của phần mềm PCB, nơi các thành phần có thể được tìm thấy với mô tả chân tương tự như trong các bảng dữ liệu của chúng. Sơ đồ mạch này mang lại sự hiểu biết dễ dàng về các thành phần và kết nối của chúng.

Là một nhà thiết kế PCB chuyên nghiệp, tôi có một số gợi ý cho bạn, sẽ giúp bạn thiết kế bảng mạch in đa lớp một cách hiệu quả.

Luôn cố gắng thêm một số lớp chẵn vào Bảng mạch in. Vì cả hai lớp đều mang theo tín hiệu, sự khác biệt về đoạn giá cho các lớp lẻ không nhiều. Bạn cũng hiếm khi gặp nhà sản xuất sản xuất các lớp lẻ với giá thấp hơn nhiều.
Chọn đúng độ dày PCB, đồng thời xem xét số lượng linh kiện nặng trên bảng mạch in. Ví dụ, bạn có thể xem xét PCB với độ dày 0.8 nếu tất cả các linh kiện đều nhẹ. Hỗ trợ độ dày trong thiết kế bảng mạch in đa lớp thay đổi tùy theo các nhà cung cấp khác nhau. Tuy nhiên, một số kích thước độ dày PCB tiêu chuẩn là 0.8mm, 1mm, 1.2mm, 1.6mm.
Chọn gói PCB, theo yêu cầu thiết kế. Kỹ sư PCB chọn phương pháp mặt đất và mặt nguồn dựa hoàn toàn vào thiết kế mạch.
Giao tiếp hiệu quả với nhà sản xuất và hiểu rõ khả năng của quá trình sản xuất PCB.
Kiểm tra lại kết nối Schematic với thiết kế PCB và ký hiệu Footprints với biểu tượng schematic.

Có nhiều nhà sản xuất PCB có sẵn trên thị trường. Một trong số nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chi phí sản xuất PCB là số lượng lớp. Do đó, chi phí sản xuất cho một bảng mạch in đa lớp cao hơn so với một bảng mạch in đơn hoặc đôi lớp. Chi phí này tăng lên khi chúng ta thêm nhiều lớp vào bảng mạch đa lớp.

Quy trình Sản xuất Bảng mạch in Đa lớp

Khi quá trình thiết kế hoàn tất, Bảng mạch in (PCB) đã sẵn sàng để sản xuất.

Điều này làm tôi nhớ lại thời điểm tôi thiết kế Bảng mạch in đa lớp đầu tiên của mình (4 lớp) và gửi nó đến một nhà sản xuất địa phương. Tôi đợi nó như một đứa trẻ đi học đang chờ kết quả. Tôi rất tò mò về cách thiết kế sẽ trở nên như thế nào!

Vậy nên, giai đoạn Sản xuất PCB là một phần quan trọng của toàn bộ quy trình. Đây là thời điểm khi thiết kế của bạn nhận được hình thể vật lý.

Để gửi PCB của bạn đến nhà sản xuất, bạn sẽ cần có tệp Gerber của PCB. Tệp Gerber là tệp đầu ra tiêu chuẩn cho một bảng mạch in đa lớp, tích hợp trong bất kỳ phần mềm nào bạn chọn cho thiết kế của mình.

Kiểm tra xem có vấn đề nào về độ rộng dẫn nhỏ nhất hoặc khoảng trống đồng tối thiểu hoặc tiêu chí kích thước lỗ tối thiểu có phù hợp không. Nếu bạn phát hiện bất kỳ vấn đề nào như vậy, bạn có thể cần phải chỉnh sửa nó để tái tạo lại PCB.

Quy trình sản xuất bao gồm việc laminate các lớp đồng khác nhau bên trong với prepreg và vật liệu cách điện. Quy trình làm laminate được thực hiện dưới nhiệt độ cao và rất quan trọng vì các lỗ trên PCB cần phải khớp nhau. Một sự chênh lệch nhỏ về vị trí lớp trong quá trình sản xuất có thể gây ra nhiễu loạn hoặc thậm chí là ngắn mạch trong PCB, do đó, quy trình này cần phải được thực hiện với độ chính xác cao. Nó cũng chú ý tới việc loại bỏ bọt khí để các lớp PCB được kết dính chặt với hóa chất epoxy (keo công nghiệp). Các vật liệu phổ biến được sử dụng cho quy trình làm laminate bao gồm thủy tinh epoxy cơ bản, gốm tiên tiến và vật liệu Teflon.

Hai hình ảnh dưới đây sẽ mang lại cho bạn ý tưởng rõ ràng hơn về lớp che phủ của PCB. Lớp che phủ có thể có bất kỳ màu nào tùy thuộc vào sự chọn lựa của nhà sản xuất PCB. Màu xanh là màu phổ biến cho hầu hết các PCB

Lớp silk được viết lên lớp che phủ trên bảng PCB đa lớp. Nó hữu ích để đánh dấu hoặc đặt tên cho các thành phần để xác định vị trí của chúng trên mạch. Nó cũng được sử dụng để đặt "LOGO" của bất kỳ công ty nào trên bảng, đánh dấu nhận biết chân IC và nhiều ứng dụng khác.

Ưu điểm và Nhược điểm của Bảng mạch in Đa lớp

Ưu điểm

Kích thước Nhỏ Gọn: Một trong những lợi ích chính của việc sử dụng bảng mạch in đa lớp là sản phẩm/dự án trở nên nhỏ gọn về kích thước. Nếu bạn đang tận hưởng chiếc điện thoại thông minh của mình hoặc đang theo dõi lượng calo trên dây đeo thông minh hoặc đồng hồ thông minh của mình, đó là nhờ vào thiết kế bảng mạch in đa lớp giúp nó trở nên thực sự nhỏ gọn.

Tăng tính Linh hoạt: Bảng mạch in đa lớp có thể linh hoạt, điều này tăng sự hài lòng của người dùng đối với sản phẩm cuối cùng. Có nhiều ứng dụng của bảng mạch in linh hoạt như đồng hồ thông minh và dây đeo thông minh. Điều này thực sự hữu ích khi

Ít Nhiễu: Các thiết kế RF bao gồm anten từ 433MHz đến 2.4GHz, tín hiệu tần số cao và tín hiệu tốc độ cao (tín hiệu đồng hồ) yêu cầu một tấm chắn đất tốt. Tuy nhiên, một bảng mạch in hai lớp với một số lượng lớn các thành phần trên bo mạch thường không cung cấp tấm chắn đất tốt cho hầu hết các thiết kế dựa trên RF. Bảng mạch in đa lớp, åoan ta khác, cho phép người dùng đặt các lớp đất và nguồn điện riêng biệt để các thành phần RF có thể có một tấm chắn đất tốt. Ngoài ra, các thành phần khác có đường trả về đất ít hơn, dẫn đến ít nhiễu hoặc bảng mạch không nhiễu.

Chất Lượng Cao: Bảng mạch in đa lớp sử dụng các vật liệu chất lượng cao trong quá trình sản xuất. Do đó, PCB được gia công hoạt động an toàn ở điều kiện nhiệt độ cao.

Kiểm soát Điện trở: Nhiều giao thức truyền thông như USB, SPI cần được định tuyến đến các dây với điện trở tương đối của dây. Ví dụ, các đường USB D+ và D- cần được kiểm soát với 90 OHM điện trở đối với đất, đồng bằng chiều dài cho tất cả các dây của SPI cũng cần thiết. Để kiểm soát điện trở, mặt đất được định rõ riêng biệt trong bảng mạch in đa lớp rất hữu ích. Đối với đường dẫn ăn tần số của anten, cần kiểm soát điện trở 50 OHM. Điều này cũng có thể dễ dàng đạt được thông qua thiết kế bảng mạch in đa lớp.

Dễ Thiết kế: Số lượng lớp ít giúp tăng độ phức tạp của thiết kế PCB khi không gian hạn chế cho các mạch yêu cầu nhiều thành phần trên bo mạch. Với bảng mạch đa lớp, có thể thêm số lớp để giảm thiểu quy trình thiết kế và giảm công sức hoàn thiện thiết kế.

Nhược điểm

Bảng mạch in đa lớp cũng có một số nhược điểm. Một số nhược điểm chính đã được thảo luận dưới đây:

Sản Xuất Đắt Đỏ: Từ thiết kế đến sản xuất, bảng mạch in đa lớp đều ở mỗi bước đều đối mặt với các quy trình phức tạp so với thiết kế đơn hoặc đa lớp. Vì nó đòi hỏi một quy trình sản xuất phức tạp và chính xác, thời gian và lao động cũng như máy móc cho quá trình làm mịn và các vật liệu epoxy trở nên đắt đỏ một chút. Việc tích hợp mỗi lớp với độ chính xác là nhiệm vụ lớn phải hoàn thành. Việc sử dụng các via mù và via chôn cũng có thể làm tăng chi phí của nó. (Via mù và Via chôn được sử dụng để định tuyến tín hiệu và phơi "via" thông qua các lớp được chọn).

Kỹ năng Thiết kế: Người thiết kế cần có đủ kiến thức và ý thức về thiết kế đa lớp, cũng như ý tưởng tốt về kiểm soát điện trở, che đậy đất và thiết kế mạch đa lớp tốt. Phí cho một nhà thiết kế bảng mạch đa lớp là cao hơn so với một nhà thiết kế bảng đơn hoặc đa lớp.

Kiểm Tra và Sửa Lỗi: Sự tăng phức tạp đi kèm với sự khó khăn tăng lên trong việc kiểm tra thiết kế đa lớp, vì người dùng không thể cắt dây nếu dây nằm ở một lớp nào đó bên trong bảng mạch đa lớp, khác với bảng mạch đơn hoặc đa lớp.

Thời Gian Sản Xuất: Quy trình sản xuất của Bảng mạch in Đa lớp mất thời gian vì quy trình sản xuất cần phải được thực hiện với độ chính xác đúng.

Hạn chế nhà sản xuất: Quy trình sản xuất đòi hỏi độ chính xác cao và máy móc rất đắt tiền, do đó chỉ có một số nhà sản xuất hỗ trợ quy trình sản xuất bảng mạch đa lớp. Điều này hạn chế khả năng lựa chọn nhà sản xuất để sản xuất bảng mạch đa lớp.

Người dùngỨng dụng PCB đa lớp PCB nhiều lớp được sử dụng trong nhiều ứng dụng. Một số trong số họ được liệt kê dưới đây: Điện tử dân dụng Điện tử tiêu dùng có thị trường lớn nhất về bo mạch PCB nhiều lớp. Một số thiết bị đeo đang thịnh hành như vòng đeo tay thông minh và đồng hồ thông minh, Smart TV, các thiết bị nhận dạng giọng nói như “Amazon Alexa” và “Google home”, các sản phẩm Nhà thông minh, v.v. Chiếc điện thoại thông minh mà bạn đang cầm khi đọc bài viết này cũng có PCB đa lớp được thiết kế và sản xuất chính xác bên trong. Điện tử công nghiệp Các nhà sản xuất hàng loạt nổi tiếng của hầu hết các công ty điện hoặc phi điện đều có máy robot tự động để sản xuất hàng loạt. Họ sử dụng bo mạch PCB nhiều lớp trong máy để làm cho máy nhỏ gọn và bổ sung thêm nhiều tính năng hơn trong một kích thước hạn chế. Điện tử y tế Một ngày không xa khi các robot được lập trình sẽ thực hiện phẫu thuật cho con người, số lượng thiết bị từ theo dõi nhịp tim đến theo dõi HCG và thậm chí cả thiết bị theo dõi huyết áp giờ đây đều được tự động hóa, tất cả đều được ghi công vào bảng nhiều lớp.Ngoài ra, có rất nhiều lĩnh vực mà bo mạch PCB nhiều lớp đang được sử dụng như, Viễn thôngVệ tinhô tôQuân sự và quốc phòngHàng không vũ trụĐiện toán đám mâyTrạm nguyên tử và hạt nhânHệ thống định vị