Board mạch PCB – Mẹ của các linh kiện điện tử

Kể từ khi được kỹ sư Paul Eisler làm việc tại Anh quốc dùng PCB như một linh kiện để làm ra chiếc radio lần đầu tiên, PCB đã được coi là một linh kiện quan trọng bậc nhất trong lắp ráp điện tử. Tuy nhiên, sau khi được thương mại hóa PCB mới chính thức lên ngôi “Mẹ của các linh kiện điện tử”. Và cho đến nay PCB vẫn chưa có một khả năng bị thay thế, nên nó xứng đáng hơn với tên linh kiện “Mẫu vương các linh kiện điện tử” hơn.

Tại sao PCB lại được ví với danh hiệu vững vàng và hay đến như thế?

Dựa trên tài liệu hướng dẫn thiết kế PCB trên cơ sở hằng số điện môi các nguyên vật liệu dùng để cán làm nền tảng PCB và bản chất việc thi công mạch điện tử trên PCB là có mục đích truyền đi một tín hiệu nào đó hoặc xử lý tín hiệu rồi truyền đi. Việc hiểu về hằng số điện môi của PCB luôn là một ẩn số và hầu như là nguồn thông tin mơ hồ nhất của các nhà chế tạo PCB khi cung cấp cho người mua hàng, nên có thể gây nhầm lẫn cũng như có thể áp dụng không đúng gây nhiều sai lệch theo thiết kế, qua đó có thể dẫn đến những sai lầm khi chọn loại PCB cho sản phẩm và làm tăng giá thành vì chọn quá an toàn.

Việc chọn lựa loại PCB (tức là chọn hằng số điện môi cho mạch thiết kế) ngày nay càng trở nên khó khăn phức tạp do tần số xung số (clock) này càng cao và chưa hề có dấu hiệu sẽ dừng. Câu hỏi thường trực là liệu nguyên liệu phổ biến của PCB là FR-4 liệu có thể đáp ứng yêu cầu tần số cao như thế, câu trả lời có trong phần tiếp theo sẽ làm sáng tỏ vấn đề này.

Mạch điện tử hoạt động với 2 ứng dụng chính: RF/analog (kỹ thuật tương tự/tần số cao) và kỹ thuật số

Thành phẩm điện tử được chia thành hai lĩnh vực ứng dụng chính, mỗi một lĩnh vực đều có  những yêu cầu mang tính độc đáo riêng. Các yêu cầu của hai loại vật liệu cho mỗi lĩnh vực đều có những phát triển để đáp ứng, hiểu biết lĩnh vực và yêu cầu cơ bản của chúng là cơ sở để chọn lựa nguyên liệu cho lắp ráp mạch sau này.

Hai ứng dụng chủ yếu  lĩnh vực là kỹ thuật tương tự tần số cao  kỹ thuật số. Sự khác biệt chính giữa hai lĩnh vực này là khả  năng của cácmạch liên quan đến chịu sự tổn thất tín hiệu và sự phức tạp của mạch.

Mạch kỹ thuật tương tự tần số cao (RF/analog)

Mạch kỹ thuật tương tự tần số cao thường là mạch xử lý tín hiệu nhỏ hoặc tín hiệu có độ chính xác. Độ chính xác mà mà 1 mạch thực hiện thành công (hoặc khả năng thành công) là khi xử lý tín hiệu nhỏ mạch đó có tổn hao tín hiệu thấp nhất cho phép, méo dạng tín hiệu bé nhất và tạp nhiễu tín hiệu càng nhỏ càng tốt. Tổn hao tín hiệu xảy ra là do phản xạ với trở kháng thay đổi và từ sự hấp thụ một số tín hiệu vào trong các vật liệu điện môi, đồng thời việc xuyên thấm tín hiệu qua các lớp điện môi gây nhiễu loạn tín hiệu cần xử lý là điều không hề mong muốn. Đây là một yếu tố quan trọng có thể xem xét khi lựa chọn một loại điện môi cho mạch này.

Đặc điểm mạch kỹ thuật số

Mạch kỹ thuật số có thể chịu thiệt hại tổn thất tín hiệu chút ít mà vẫn thực hiện thành công nhiệm vụ, mạch kỹ thuật số thường khá là phức tạp với yêu cầu vài hoặc nhiều tín hiệu và nhiều mức nguồn cao thấp khác nhau trong nhiều lớp của PCB. Điều này tạo cho việc cán ra PCB, khoan lỗ hay các xử lý khác dễ dàng và do có nhiều lớp nên PCB khá dày, nhưng việc hàn linh kiện và sửa chữa sau này có thể gây ra nhiều ứng nhiệt/lực tại các mối hàn xuyên thấu giữa các lớp, để đảm bảo PCB không bị hỏng thì PCB sẽ phải có đáp ứng đặc tính nhiệt độ, Tg đủ cao để chịu các công việc này. Kết quả là đặc tính vật liệu quan trọng hơn chuyện tổn thất tín hiệu. Tuy nhiên ngày nay tần số xung clock ngày càng cao thì tổn hao cũng cần quan tâm.

Hai loại vật liệu điện môi chính

Vật liệu điện môi của PCB ngày nay thường có hai loại chính dựa trên kết cấu gia cố độ bền/cứng được cho vào giữa khối vật liệu. Đó là việc gia cố độ bền/cứng bằng sợi thủy tinh và các loại còn lại, loại sợi thủy tinh thì có giá thành rẻ hơn khi cán PCB, khi sản xuất cũng như xử lý, bởi vì lượng thủy tinh trong trường hợp có sợi dệt luôn ít hơn các loại vật liệu khác, do đó hằng số điện môi của PCB có sợi thủy tinh dệt thường cao hơn các loại còn lại.

Những thuộc tính nguyên liệu dùng để cán PCB quan trọng

Một số thuộc tính cán có thể là quan trọng tùy thuộc vào ứng dụng của mạch và hầu hết các vật liệu đã được phát triển để tối ưu hóa một hoặc nhiều các đặc tính này. Trong số này có:

Hằng số điện môi tương đối er Là một thuộc tính chỉ hiệu ứng độ cách điện của vật liệu có giá trị điện dung như một dây dẫn nhúng chìm vào trong hay bao bọc quanh.Chọn hằng số điện môi thấp là gần như luôn là lựa chọn tốt hơn.

Hằng số điện môi tương đối của hầu hết chất điện môi cán thành PCB thay đổi theo tần số và thường giảm xuống khi tần số tăng lên. Điều này thể hiện trên dây dẫn truyền tải điện hai chiều, tốc độ của tín hiệu tăng lên khi tần số tăng lên, dẫn đến biến dạng pha trong các bộ khuếch đại băng thông rộng. Các bộ khuyếch đại băng thông rộng và bộ khuyếch đại vi sóng thường cần phải được làm từ nhiều lớp với các hằng số điện môi tương đối ít thay đổi với tần số càng nhiều càng tốt để giảm thiểu vấn đề này.

Các biến đổi này đã gây ra sai sót trong tính toán trở kháng và đo lường trở kháng. Ví dụ, nếu các hằng số điện môi tương đối đo tại 1 MHz được sử dụng để tính toán trở kháng và dùng một TDR với một thời gian xung 125 pico giây được sử dụng để đo trở kháng ta sẽ có bất đồng trong sử dụng do thực tế là hai tần số là rất khác nhau. Hình bên dưới minh họa hằng số điện môi tương đối thay đổi theo tần số của một vài vật liệu dùng để cán làm PCB.

Một nguồn liên quan khác với hằng số điện môi tương đối là chất tăng độ cứng vững cho PCB được đưa vào resin để cán. Hình dưới là mô tả FR4 cán thành PCB với các tỉ lệ thay đổi % resin và thủy tinh trộn vào, biểu đồ này dựa trên đo đạc tại tần số 1MHz.

Tg chuyển hóa nhiệt thủy tinh (Glass Transition Tempurature)

Hầu hết các loại nguyên liệu cán PCB đều có hệ số dãn nở khi nhiệt độ tăng lên, chuyển hóa nhiệt thủy tinh hay Tg la nhiệt độ mà tại đó giãn nở nhiệt có giá trị tăng lên, đó là pha chuyển hóa của PCB có chứa sợi thủy tinh.

Hãy chú ý rằng giãn nở nhiệt ở nhiệt độ thấp kéo đồng và thủy tinh lại gần nhau hay còn gọi là làm co lại tạo ra hai hướng lực theo hướng X và Y của PCB. Khi nhiệt độ của hỗn hợp trong PCB vượt quá điểm Tg thành phần resin trong đó bắt đầu giãn nở nhiều hơn độ giãn nở của đồng hay thủy tinh. Đến khi không thể giãn nở theo chiều X-Y được nữa, resin bắt đầu giản nở theo chiều dày hay còn gọi là chiều Z, lúc này các mối hàn và các ống xuyên tâm chịu ứng lực theo hướng Z. Sự tổng hợp các độ dày nhiều lớp PCB hay nhiều loại chất hàn có thể tạo ra lỗi trước khi PCB được đưa vào sản xuất vì các giãn nở này, vì thế phải cẩn thận khi chọn PCB có Tgthích hợp với mạch ứng dụng trong môi trương có nhiệt hay mạch sinh ra nhiệt.

Đường tiếp tuyến tổn hao (tan) là đường biểu diễn đo được bao nhiêu trường điện từ bị thấm trong điện môi hay còn gọi là bị mất đi trong điện môi, đây là một thuộc tính nữa cần biết tối thiểu về chất liệu cán PCB. Kết quả là vật liệu siêu ít mất tín hiệu là thường được dùng trong ứng dụng kỹ thuật số, điều này làm tăng giá thành PCB.

Điện áp đánh thủng điện môi (DBV) là điện áp đo được của một chất cách điện chịu dựng đến khi bị điện áp xuyên qua, thông thường 1mil chịu được 1,000V.

Độ thấm ẩm

Tất cả các họ resin đều thấm ẩm và thấm nước khi bị phơi ra trong môi trường ẩm. Nước có hằng số điện môi tương đối khoảng 80.1, nếu một bảng cán có điện môi bị thấm nước sẽ tạo một hằng số điện môi mới cao hơi ví dụ cao hơi giá trị gốc 4.1 dẫn đến tổng trở và phối hợp tổng trở không khớp nhau được.

Một ảnh hưởng khác cũng quan trong không kém là việc thấm ẩm gây ra rò rỉ dòng điện tăng lên, vật liệu với độ thấm ẩm cao có thể gây rò rỉ nhất là những ứng dụng trong gia dụng, với những vật liệu đó do yêu cầu công việc, chúng cần được chặn lại bằng sơn phủ bảo vệ ngay sau khi sấy khô chúng lần đầu. Việc này làm tăng giá và gây khó khăn cho công tác sửa chữa đồng thời cần sơn phủ lại sau khi sửa chữa.

Một số loại PCB có sợi thủy tinh làm cứng và các thông số liên quan

 

Nguyên liệuTgerTan(f)DBV(V/mil)WA(%)
Standard FR-4 Epoxy Glass1254.10.0211000.14
Multifunctional  FR-41454.10.02210500.13
Tetrafunctional FR-41504.10.02210500.13
Nelco N4000-61704.00.01213000.10
GETEK1803.90.00811000.12
BT Proxy Glass1854.10.02313500.20
Cyanate Ester2453.80.0058000.70
Polyimite Glass2854.10.01512000.13
TeflonN/A2.20.00024500.01
_ Đo với DTR dùng phương thức vận tốc (velocity methode)_ tỉ lệ resin là 55%

Một số loại PCB không có và ít sợi thủy tinh làm cứng và các thông số liên quan

Tg(oC): Điểm chuyển hóa nhiệt thủy tinh
er: Hằng số điện môi tương đối
Tan(f): Đường tiếp tuyến tổn hao
DBV(V/mil): Điện áp đánh thủng
WA(%): Độ thấm nước

Nguyên liệuTgerTan(f)DBV(V/mil)WA(%)
Speedboard  N1403.00.02N/AN/A
Speedboard  C2202.70.004N/AN/A
Rogers Ultralam C2802.50.0019N/AN/A
ARogers 50002802.30.001N/AN/A
ARogers 60023503.00.0012N/AN/A
ARogers 60063256-100.0013N/AN/A
ARogers RO300335030.003N/AN/A
ARogers RO30063256-100.0002N/AN/A
TeflonN/A2.2N/A4500.01
Thông tin từ nhà cung cấp không phải dùng máy đo để khảo sát

Trả lời

Thư điện tử của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *