Thiết kế mạch in PCB (Printed Circuit Board) là quá trình căn bản trong ngành điện tử. Nó đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối và điều khiển các linh kiện điện tử. Từ việc sắp xếp các linh kiện đến việc vẽ các đường dẫn dẫn điện, mỗi bước đều ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tin cậy của mạch điện tử. Để đạt được hiệu quả cao, việc lựa chọn và thiết kế PCB cần được thực hiện cẩn thận và có kế hoạch.
Thiết kế mạch in PCB là gì?
Thiết kế mạch in PCB (Printed Circuit Board) là quá trình tạo ra bản thiết kế của một mạch in điện tử trên một tấm substrate cách điện, thường được làm bằng sợi thủy tinh hoặc nhựa epoxy được phủ bởi một lớp đồng dẻo. Mục tiêu của thiết kế PCB là sắp xếp và kết nối các thành phần điện tử một cách hiệu quả trên một bề mặt phẳng để tạo ra một hệ thống hoạt động theo yêu cầu. Quá trình này bao gồm việc đặt các linh kiện, vẽ các đường dẫn dẫn điện và định vị lỗ khoan, đảm bảo tính liên kết chặt chẽ và hiệu suất ổn định của mạch in điện tử.
Các bước thiết kế mạch in PCB cho dự án điện tử
Bước 1 – Chi tiết lựa chọn thành phần
Các yếu tố như độ tin cậy cũng đóng vai trò quan trọng trong quyết định về tuổi thọ của các thiết bị. Do đó, việc thiết kế trước để đảm bảo độ tin cậy trở thành yếu tố không thể bỏ qua. Những yếu tố bên ngoài gồm: mức độ nhạy cảm với độ ẩm (MSL), mức độ nhạy cảm với nhiệt độ (TSL), độ nhạy cảm với tĩnh điện (ESD), khả năng sản xuất phức tạp, tình trạng hỏng vật liệu mạ.
Tất cả những yếu tố này đều ảnh hưởng đến tuổi thọ của các bộ phận và có thể dẫn đến hỏng hóc sớm nếu môi trường vận hành không tuân thủ các tiêu chuẩn nghiêm ngặt. Có nhiều yếu tố thúc đẩy các vấn đề này, và dưới đây là một số điểm được đề cập để tạo ra một tác động nhất định, mặc dù danh sách này không thể nào là đầy đủ.
Ví dụ, chúng ta có thể xem xét Mức độ nhạy cảm với độ ẩm (MSL). Mặc dù có các tiêu chuẩn như J-STD-020D, nhưng chúng chỉ áp dụng cho các gói công nghệ lắp bề mặt (SMT). Điều này không bao gồm các thành phần thụ động hoặc các kỹ thuật hàn sóng. Nếu nhà sản xuất không cung cấp MSL cho thành phần đó, việc tự mô tả nó trở thành điều cần thiết. Điều này liên quan đến quá trình vật lý của sự thất bại (PoF). Hầu hết các thành phần tiêu chuẩn chỉ có MSL tối đa là ba.
Thiệt hại tiềm ẩn khi vượt quá giới hạn MSL được gọi là bỏng ngô, vì sẽ có nguy cơ nứt và bong lớp PCB do độ ẩm được hấp thụ trong vật liệu điện cách. Thiệt hại này giống như bỏng ngô bùng cháy. Thường, điều này xảy ra khi PCB không được đóng gói và bảo quản đúng cách.
Bước 2 – Quy tắc ngón tay cái thay thế cho PoF
Tuổi thọ của tụ điện trở thành một vấn đề khi nhiệt độ môi trường liên tục vượt quá 40°C. Đánh giá theo định mức 85°C/2000 giờ có vẻ không đủ cho tuổi thọ lâu dài hơn 5 năm.
Nhiều công ty áp đặt giới hạn nhiệt độ tối đa cho mối hàn và điểm nối IC là 75°C – 85°C.
Trong các môi trường được xem xét như có công suất thấp, chu kỳ ngày hoặc nơi có nhiệt độ xung quanh 25°C, không gây ra sự mòn của mối hàn.
Môi trường khắc nghiệt hơn, chẳng hạn như nhiệt độ dao động trên 40°C, có thể gây ra mòn mối hàn trong vòng 10 năm.
Trong tất cả các trường hợp này, rủi ro phải được đánh giá. Khi rủi ro thất bại quá cao, cần xem xét việc bỏ qua các quy tắc kinh nghiệm để tính toán PoF.
Bước 3 – Thiết kế mang lại độ tin cậy ngay từ đầu
Cách tiếp cận tốt nhất là tạo ra một thiết kế đáng tin cậy từ đầu thay vì tập trung mạnh mẽ vào hiệu suất. Trong quá trình này, mục tiêu về hiệu suất sẽ tự nhiên được đạt được vì sự lựa chọn các thành phần đáng tin cậy sẽ đảm bảo hiệu suất ổn định trong thời gian dài. Khách hàng của bạn sẽ hưởng lợi kép từ điều này. Vì sao vậy? Trước hết, bạn sẽ giảm được chi phí sản xuất. Nếu suy nghĩ về mặt lý thuyết, bạn thực sự đang vượt xa được những khía cạnh vật lý của sự thất bại.
Bước 4 – Giao tiếp với nhóm sản xuất trong giai đoạn thiết kế
Từ góc độ thiết kế, có hai vai trò trong nhóm phải được xử lý đúng cách. Vai trò đầu tiên là của kỹ sư điện, người sẽ thiết kế cấu trúc thành phần của mạch điện đặt trên PCB. Công việc của anh ấy/cô ấy là chọn đúng các nguyên liệu từ danh sách nguyên vật liệu (BOM) và chuẩn bị danh sách nhà cung cấp được phê duyệt (AVL). Độ tin cậy và hiệu suất phụ thuộc vào chất lượng công việc.
Vai trò thứ hai là của kỹ sư cơ khí — ngày nay thường do kỹ sư điện đảm nhiệm — người sẽ xác định bố cục của PCB, bao gồm tất cả các đường dẫn điện (định tuyến), vias (các lỗ xuyên bảng) và chuẩn bị bảng mạch để công việc hàn sẽ được thực hiện tốt nhất. Người này cũng sẽ xử lý các yêu cầu đóng gói và lưu trữ.
Tổ chức nhóm sản xuất là thời điểm tốt để tích hợp PoF vào cuộc thảo luận vì nó giải thích tầm quan trọng của bí mật số 1 cũng như cơ chế làm cho bí mật số 2 có giá trị. Độ tin cậy không phải là một lĩnh vực chính xác khoa học, nhưng PoF cung cấp một cách tiếp cận vật lý đo lường về quá trình sản xuất PCB. PoF là thuật ngữ chung bao gồm cả hóa học và vật lý để hiểu về cơ chế hỏng hóc của các linh kiện điện tử, bao gồm cả thiết bị bán dẫn. Kết quả học thuật từ PoF là dự đoán tuổi thọ hữu ích của các thành phần mạch trong điều kiện vận hành thực tế. Điều này cũng làm nổi bật tầm quan trọng của việc hiểu độ tin cậy của các thành phần trong mạch điện.
Rõ ràng, công nghệ hiện đại ngày nay tăng tỷ lệ hao mòn của các bộ phận, đòi hỏi việc lên kế hoạch trước cho những hỏng hóc lâu dài là cần thiết.
Trong thế giới không ngừng biến đổi của công nghệ, việc thiết kế mạch in PCB không chỉ là kỹ thuật mà còn là sự cẩn thận trong các bước thiết kế. Tối ưu hóa từng bước trong quy trình thiết kế là chìa khóa để tạo ra sản phẩm điện tử với độ tin cậy cao và hiệu suất ổn định. Sự kết hợp giữa kiến thức chuyên môn và sáng tạo là điểm mạnh giúp ngành công nghiệp điện tử tiến xa hơn.
Bạn đam mê công nghệ và muốn khám phá về thiết kế mạch in PCB? Tại FPT Jetking, chúng tôi đang tổ chức khóa học chuyên sâu về thiết kế vi mạch bán dẫn. Mạch in PCB, đây là phần nội dung trong kỳ 3 của chương trình đào tạo. Với thời gian kéo dài trong 2 năm, khóa học này phù hợp cho sinh viên, học sinh và người đi làm. Hãy liên hệ ngay với chúng tôi nếu bạn quan tâm đến khóa học này!