Chế tạo bảng mạch in là quy trình quan trọng trong quy trình sản xuất mạch điện tử. Trước đây, việc sản xuất bảng mạch in diễn ra một cách thủ công bằng tay, rời rạc. Tất cả những quy trình đều được làm bằng tay, từ khâu lập sơ đồ mạch điện cho đến khâu lắp ráp. Ngày nay, những mạng lưới hệ thống tương hỗ phong cách thiết kế và sản xuất bằng máy tính ( CAD – CAM ) cùng những máy CNC đã bảo vệ quy trình sản xuất mạch in diễn ra một cách liên tục, khép kín ; giảm nhẹ sự can thiệp của con người, qua đó giảm sai sót gây ra trong những khâu trung gian ; tiết kiệm ngân sách và chi phí thời hạn và chi phí sản xuất cũng như cho ra loại sản phẩm giá tiền hạ .Việc sản xuất mạch in thường sử dụng một trong hai chiêu thức sau đây :
Trước thập niên 1950, cách duy nhất để người ta kết nối các linh kiện điện tử trong một thiết bị điện tử là sử dụng phương pháp nối dây “điểm-điểm” (point-to-point). Phương pháp này sử dụng rất nhiều dây dẫn với nhiều độ dài khác nhau nối vào 2 cực của các linh kiện làm cho các mạch điện có cấu trúc rất phức tạp, tốn nhiều thời gian sản xuất, giá cả cũng rất đắt tiền cũng như tuổi thọ sử dụng của các mạch nối dây không được cao do các chân nối sẽ bị hoen rỉ sau một thời gian sử dụng. Việc sửa chữa các mạch điện này cũng rất khó khăn và tốn kém do cấu tạo của chúng quá phức tạp. Các mạch nối dây vẫn được sử dụng rộng rãi cho đến thập niên 1980 trên các ti vi và radio.
Khi transistor sinh ra năm 1947 tại phòng thí nghiệm Bell ( Bell Lab ) [ 2 ], người ta đã nhận thấy rằng đây chính là giải pháp hiệu suất cao nhất để sửa chữa thay thế cho những đèn điện tử chân không to, nặng, kém bền, tiêu thụ nhiều điện, hiệu suất thấp và tỏa rất nhiều nhiệt. Các transistor được nhìn nhận là nhỏ, tiêu thụ ít điện năng, hiệu suất cao và bền hơn rất nhiều so với đèn chân không nên nó đã nhanh gọn len lỏi vào hầu hết những thiết bị điện tử kể từ giữa thập niên 1950. Kể từ đây, nhu yếu thu nhỏ và đơn giản hóa cấu trúc mạch điện đã phát sinh làm cho những đơn vị sản xuất mạch điện gặp rất nhiều khó khăn vất vả. Họ đã thử qua nhiều cách khác nhau nhưng đều thất bại cho đến khi họ chú ý tới một ý tưởng quân sự chiến lược đã được nhà nước Hoa Kỳ kinh doanh thương mại hóa dân sự vào năm 1948, đó chính là bảng mạch in. Trước đó, ý tưởng này đóng vai trò quan trọng trong những ngòi nổ cận đích ( proximity fuze ) của Quân đội Hoa Kỳ trong Thế chiến 2. Bài toán thu nhỏ và đơn giản hóa mạch điện đã được xử lý một cách đáng kể và bảng mạch in đã mở ra thời kì ” bùng nổ ” của những thiết bị điện tử mái ấm gia đình ở Mỹ rồi sau đó lan nhanh sang Canada, những vương quốc Tây Âu ( Anh, Pháp, Đức, … ), Nhật Bản và những vương quốc khác trong từ cuối thập niên 50 – đầu thập niên 60 của thế kỉ XX .Lúc sinh ra thì in mạch là công nghệ tiên tiến tiêu biểu vượt trội, dẫn đến tên gọi ” bảng mạch in ” hay PCB [ 1 ]. Sự tăng trưởng của công nghệ mạch in dẫn đến, tùy theo nhu yếu làm mạch mà lúc bấy giờ bảng mạch in được đặc trưng với số lớp khác nhau :
- Mạch in hai lớp có một mặt đồng, được dùng phổ biến ở chuột máy tính, một phần các ti vi, các thiết bị âm thanh dân dụng, mạch điều khiển của quạt điện, lò vi sóng,…
- Mạch in ba lớp có hai mặt đồng, dùng trong các thiết bị điện tử phức tạp (như các đồng hồ đo lường điện tử)
- Mạch in năm lớp, tương đương với ép hai loại kể trên, có ba lớp đồng và hai lớp cách điện, được dùng trong các hệ phức tạp cao (như máy tính cá nhân).
- Mạch in nhiều lớp (số lớp mạch dao động từ 6 đến 40 lớp, thậm chí 50 lớp) được dùng trong thiết bị lớn có kết nối phức tạp với nhiều linh kiện (như các siêu máy tính, máy chủ, các thiết bị điện tử dùng cho các hoạt động thám hiểm không gian,…)
Từ những năm 1970 các bảng mạch được phủ sơn chống ẩm và ăn mòn, có màu xanh lục sẫm, gọi là “phủ lăc”. Lúc đầu các đường mạch được vẽ bằng tay, sau chuyển sang in ảnh hoặc in lưới lên mặt lớp đồng. Những bảng mạch in thời đầu được thiết kế ở dạng bản vẽ kỹ thuật với tỷ lệ lớn hơn cỡ thật, sau đó được thu về kích cỡ thật, đưa bản các lỗ lên máy khoan bảng mạch theo tọa độ, rồi in và gia công mạch. Về sau xuất hiện in chỉ dẫn gồm chữ và hình vẽ (legend hay silkscreen) bằng mực sơn lên hai mặt bảng mạch bán thành phẩm, để chỉ dẫn cho lắp ráp và sửa chữa.
Mạch in khi thiết kế trên máy tính và thành phẩm có hàn dán hai mặt.
Từ cỡ năm 1975, thời kỳ khởi đầu của phong cách thiết kế và sản xuất tương hỗ bằng máy tính ( CAD – CAM ), phong cách thiết kế bảng mạch in thực thi trên máy tính nhưng tách rời với phong cách thiết kế sơ đồ mạch điện. Lúc những máy tính cá thể sinh ra thì Open những trình tương hỗ vẽ bảng mạch, thao tác trong môi trường tự nhiên PC-DOS. Trình có thư viện chỉnh sửa và biên tập được, chứa kích cỡ và sắp xếp chân của những linh phụ kiện nhiều chân cơ bản, tuy nhiên người dùng phải nắm chắc sơ đồ mạch để sắp xếp vị trí linh phụ kiện và chạy đường mạch hài hòa và hợp lý. Các trình PC-DOS thường quản trị 3 lớp vẽ là mặt linh phụ kiện ( component ), mặt hàn ( solder ), và lớp hướng dẫn ( silkscreen ). Kết quả được xuất ra bản ảnh PCX hoặc BMP cho những lớp để đưa lên film hoặc lưới in, và bản lỗ để đưa lên máy khoan bảng mạch theo tọa đô .Từ năm 1981 ” tự động hóa thiết kế điện tử ” ( EDA, Electronic design automation ), còn gọi là ” phong cách thiết kế điện tử tương hỗ bằng máy tính ” ( ECAD, electronic computer-aided design ) sinh ra, với những ứng dụng tương hỗ phong cách thiết kế được tăng trưởng riêng cho mạch điện tử. Ban đầu những ứng dụng hoạt động giải trí ở những máy tính trạm, và khi Microsoft Windows cho máy tính cá thể sinh ra thì có những phiên bản cho PC. Các quy trình được tích hợp trong những gói ứng dụng, đảm nhiệm từ phong cách thiết kế sơ đồ mạch điện, phong cách thiết kế bảng mạch in và sau đó điều khiển và tinh chỉnh gia công bảng mạch, trong đó máy khoan lỗ hoạt động giải trí như một plotter đặc chủng [ 3 ] .
Một cordwood module.
Bên cạnh cách lắp ráp lên một tấm PCB, thì khi cần tiết kiệm không gian người ta lắp các mạch với nhiều bảng PCB nhỏ theo khối tạo thành module, như cordwood module. Các bảng PCB có dạng chữ nhật, tròn, tam giác hay đa giác tùy theo không gian đặt module đó.
Các module này được dùng trong mạch điều khiển ở các thiết bị vũ trụ, tên lửa, máy bay xe cộ, đầu đạn, đầu dò, ống đo đạc trong các ngành khoa học kỹ thuật và y tế,… Nó cũng được áp dụng trong việc chế ra các module có chức năng xác định nhưng hay dùng đến, chuẩn hóa thành thương phẩm, thường gọi là “pack”.
Ngày nay mạch in hiện được phong cách thiết kế trên máy tính bằng những ứng dụng chuyên sử dụng phong cách thiết kế mạch điện tử, như Orcad, Altium ( trước kia là Protel ), Fritzing, … Các ứng dụng này tương hỗ phong cách thiết kế từ lập sơ đồ mạch nguyên tắc đến làm mạch in, trong đó phong cách thiết kế mạch in là quy trình sau cuối. Những bước chính trong phong cách thiết kế trên máy tính có [ 4 ] :
- Thiết kế sơ đồ mạch điện thông qua công cụ tự động hóa thiết kế điện tử (EDA, Electronic design automation).
- Xác định kích thước và hình mẫu bảng PCB và vỏ hộp phù hợp cho hệ mạch.
- Xác định vị trí các linh kiện có tính đến kích thước và mức tỏa nhiệt của chúng, và các tản nhiệt nếu có.
- Xác định số lớp PCB tùy theo độ phức tạp của mạch, bố trí mảng đất (Ground), màng đường nguồn (Power) và mảng đường truyền tín hiệu. Để làm giảm tối đa nhiễu điện từ giữa các linh kiện và đường tín hiệu thì các tín hiệu tần cao cần được định tuyến trong các lớp bên trong giữa mảng đất và/hoặc mảng nguồn [5].
- Xác định trở kháng đường truyền bằng sử dụng độ dày lớp điện môi, chiều dày và chiều rộng vết đồng. Trong trường hợp tín hiệu khác biệt thì cần tính đến tách đường. Các dạng microstrip, stripline hoặc stripline kép có thể được sử dụng để định tuyến các tín hiệu. Các công cụ tự động hóa thiết kế điện tử thường cho phép tự động làm rõ kết nối tín hiệu, kết nối đất và nguồn.
- Xuất ra các tệp Gerber để điều khiển máy gia công bảng mạch.
Nếu quy trình lập sơ đồ mạch điện thực thi đúng với cú pháp nhu yếu, thì người dùng hoàn toàn có thể chạy mô phỏng kiểm tra lỗi, cũng như dùng nó cho việc tự động hóa sắp xếp đường mạch trong bảng mạch in .Khi phong cách thiết kế bảng mạch in thì người phong cách thiết kế cần phải hiểu biết về kích cỡ những đối tượng người tiêu dùng, sắp xếp và sắp xếp những linh phụ kiện sao cho tương thích nhất trên một bảng mạch, đồng thời tránh nhiễu lẫn nhau giữa chúng. Hỗ trợ cho việc phong cách thiết kế mạch in là thư viện những linh phụ kiện, gồm những kích cỡ, sắp xếp chân, … để người dùng gọi ra trong sắp xếp khoảng trống trên bảng mạch. Thành công của một phong cách thiết kế tùy thuộc kinh nghiệm tay nghề người dùng, và trong nhiều trường hợp phải làm nhiều phiên bản mới đạt được bản suôn sẻ .
Các ứng dụng phong cách thiết kế[sửa|sửa mã nguồn]
| Tên |
Hãng và Ghi chú
|
| Altium |
Altium Designer (trước năm 2001 tên là Protel) và P-CAD, Cty có trụ sở tại Tasmania, Australia [6].
|
| Autotrax |
Phần mềm EDA/DEX của DEX 2020 Ltd. chạy trên Windows XP/Vista/7, gồm thiết kế sơ đồ mạch, thiết kế mạch in với giả lập Spice và phần ảo hóa 3D cho bảng mạch.
|
| DipTrace |
Phần mềm tầm trung DipTrace cho thiết kế sơ đồ mạch và mạch in, có một phiên bản miễn phí.
|
| Edwinxp |
Phần mềm của Visionics tích hợp hoàn toàn thiết kế sơ đồ mạch, mô phỏng và thiết kế mạch in.
|
| Electronics Workbench |
Thiết kế sơ đồ mạch, mô phỏng, thiết kế mạch in.
|
| NI Multisim |
Thiết kế sơ đồ mạch, mô phỏng SPICE.
|
| EasyEDA |
Phần mềm miễn phí trực tuyến thiết kế sơ đồ mạch, mô phỏng Spice, thiết kế mạch in.
|
| CadSoft EAGLE |
Phần mềm tầm trung cho thiết kế sơ đồ mạch và thiết kế mạch in, có một phiên bản miễn phí.
|
| KiCad |
Phần mềm mã nguồn mở thiết kế sơ đồ mạch và mạch in.
|
| OrCAD |
Phần mềm đầy đủ OrCAD cho thiết kế sơ đồ mạch và mạch in. Phiên bản cập nhật 16.x về sau đã thay đổi thành Cadence Allegro
|
| TARGET 3001! |
Phần mềm thiết kế sơ đồ mạch tầm trung, có phiên bản miễn phí.
|
| gEDA |
Phần mềm mã nguồn mở thiết kế sơ đồ mạch bằng cách sử dụng gschem, mô phỏng, và thiết kế mạch in.
|
| Mentor Graphics |
PADs, phần mềm đầy đủ cho thiết kế sơ đồ mạch và mạch in của Mentor Graphics.
|
| Electric VLSI Design System |
Phần mềm EDA do Steven M. Rubin phát triển hồi đầu những năm 1980.
|
- ^ Bo là từ được Việt hóa gần đây từ board .
là từ được Việt hóa gần đây từ tiếng Anh
Liên kết ngoài[sửa|sửa mã nguồn]
Các giai đoạn chính chế tạo bảng mạch điện tử.
Một bảng mạch được chế tạo từ năm 1967, dùng tay vẽ ra các đường mạch rồi in ảnh lên bảng mạch
Bảng mạch 3 lớp phủ lắc chưa hàn linh kiện.
Bảng mạch hai lớp của chuột gồm mặt linh kiện (component) và mặt hàn (solder hay printed side).
