PCB cứng

Vật liệu: Loại cứng sử dụng sợi thủy tinh, loại mềm sử dụng polyimide. Cấu trúc: Loại cứng không thể uốn cong, loại mềm có thể uốn dẻo. Ứng dụng: Loại cứng dùng cho các kết nối ổn định, loại mềm dùng cho không gian nhỏ gọn.

Một lớp, hai lớp, nhiều lớp. Một lớp có mạch điện ở một mặt; hai lớp có mạch ở cả hai mặt; nhiều lớp kết nối các lớp dẫn điện thông qua các lỗ xuyên (ví dụ: bo mạch chủ).

Máy tính để bàn, TV, thiết bị điều khiển công nghiệp, thiết bị điện tử ô tô (máy tính trong xe), linh kiện không rung trong ngành hàng không vũ trụ, v.v.

Chi phí thấp hơn. PCB cứng có quy trình sản xuất hoàn thiện và vật liệu rẻ; PCB mềm đắt tiền hơn do vật liệu và quy trình phức tạp.

Các loại đế FR4 thông dụng: -55°C đến 125°C cho sử dụng thông thường, 260°C trong thời gian ngắn đối với hàn không chì. Các vật liệu đặc biệt có thể chịu được nhiệt độ cao hơn.

Từ vài cm² (các bo mạch điều khiển nhỏ) đến vài m² (các bo mạch chủ máy chủ lớn).

Tùy thuộc vào kích thước, số lớp và vật liệu. Bo mạch đa lớp FR4: ~1-3 kg/m², nặng hơn so với PCB mềm có cùng diện tích.

Tuổi thọ từ 10-20 năm trở lên trong điều kiện bình thường; rút ngắn xuống còn vài năm trong điều kiện khắc nghiệt (nhiệt độ/độ ẩm cao).

Vật liệu FR4 có mô đun uốn khoảng 100-200MPa, thấp hơn nhiều so với các loại PCB mềm. Tăng độ dày sẽ giúp tăng khả năng chịu ứng suất.

FR4 (nhựa epoxy sợi thủy tinh), nhựa phenolic, nhựa epoxy; PTFE cho các ứng dụng tần số cao đặc biệt.

Khả năng cách điện tốt, tính chất cơ học tốt và độ ổn định kích thước cao. Hệ số giãn nở nhiệt (CTE): 13-17 ppm/℃. Chi phí thấp và quy trình sản xuất đã hoàn thiện.

Nhiệt độ phân hủy thấp (120-150°C), dễ bị bong tróc trong quá trình hàn, tính chất điện/cơ học kém, hệ số giãn nở nhiệt cao và có mùi.

Tạo thành các đường dẫn điện cho dòng điện chạy qua. Độ dày thông dụng: 0,5 oz (17 μm), 1 oz (35 μm), 2 oz (70 μm). Lá kim loại dày dùng cho các ứng dụng dòng điện cao.

Nó có chức năng cách điện để ngăn ngừa đoản mạch, bảo vệ đồng khỏi quá trình oxy hóa và hư hỏng vật lý, đồng thời phân biệt các khu vực bằng màu sắc (ví dụ: xanh lá cây, xanh dương).

In các ký tự/biểu tượng để nhận dạng linh kiện trong quá trình sản xuất và gỡ lỗi. Màu phổ biến: trắng; cũng có các màu khác như xám, đỏ, đen, vàng, v.v.

FR4: Chi phí thấp cho mục đích sử dụng chung. Vật liệu tần số cao (ví dụ: PTFE): Giảm thiểu tổn hao tín hiệu cho 5G. Chất nền gốm: Độ dẫn nhiệt cao cho các ứng dụng nhiệt độ cao.

Hãy xem xét các yếu tố về điện (tần số cao/điện áp cao), cơ học (rung động), nhiệt độ và chi phí. Sử dụng FR4 cho thiết bị điện tử tiêu dùng, PTFE cho tần số cao và gốm sứ cho nhiệt độ cao.

RoHS: Hạn chế các chất độc hại (chì, thủy ngân, v.v.). Không chứa halogen: Br/Cl

Vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt thấp giúp cải thiện độ ổn định kích thước. Độ dẫn nhiệt cao giúp tăng cường khả năng tản nhiệt. Vật liệu cách điện hiệu suất cao giúp giảm tổn thất tín hiệu, cho phép thu nhỏ kích thước và đạt hiệu năng cao.

Tính toàn vẹn tín hiệu (phù hợp trở kháng, chống phản xạ/nhiễu xuyên kênh), phân phối điện, nối đất và khả năng chịu tải dòng điện.

Rút ngắn đường dẫn tín hiệu, giảm thiểu số lượng lỗ xuyên mạch. Sử dụng các cặp vi sai cho tín hiệu tốc độ cao và kiểm soát trở kháng. Mặt phẳng nguồn/nối đất bằng đồng nguyên khối. Phân chia các mô-đun để tránh nhiễu. Độ rộng đường dẫn dựa trên dòng điện.

Kích thước lỗ xuyên mạch dựa trên độ dày/dòng điện (bo mạch dày hơn cần lỗ xuyên mạch lớn hơn). Giảm thiểu số lượng lỗ xuyên mạch. Khoan ngược cho các tín hiệu tốc độ cao để loại bỏ các đầu mạch thừa.

Điều chỉnh trở kháng nguồn, đường truyền và tải để giảm phản xạ. Điều này đạt được bằng cách kiểm soát chiều rộng đường dẫn, khoảng cách giữa các đường, độ dày chất điện môi và hằng số điện môi (ví dụ: chiều rộng 0,33mm cho đường vi mạch 50Ω trên FR4).

Phân vùng các linh kiện; giữ các bộ phận nhạy cảm tránh xa nguồn nhiễu. Các mặt phẳng nguồn/nối đất trong bo mạch nhiều lớp để che chắn. Các mặt phẳng nối đất xung quanh các tín hiệu tốc độ cao. Tụ điện tách nhiễu; tối ưu hóa việc nối đất.

Phân vùng chức năng, tách biệt các linh kiện nhạy cảm với nhiệt, đặt các linh kiện tần số cao gần nhau, ưu tiên các linh kiện lớn và đảm bảo dễ dàng lắp đặt/bảo trì.

Các mặt phẳng nguồn và nối đất liền kề để giảm điện cảm. Điện áp được điều chỉnh bằng các kết nối xuyên mạch. Đồng đặc cho các mặt phẳng nguồn; làm dày các đường dẫn dòng điện cao.

Các lỗ dẫn nhiệt và mặt phẳng đồng bên dưới các linh kiện nóng. Chất nền có độ dẫn nhiệt cao. Thiết kế thông gió; bổ sung tản nhiệt/quạt nếu cần.

Vị trí lỗ: ±0,1mm. Lỗ xuyên mạ: ±0,076mm. Lỗ xuyên không mạ: ±0,05mm. Độ rộng đường dẫn: ±10%-20%.

Altium Designer (phù hợp với các thiết kế quy mô nhỏ đến trung bình), Cadence Allegro (đa lớp tốc độ cao), Mentor PADS (thân thiện với người dùng và hiệu quả).

Ghép tấm → Khoan → Mạ đồng → Tạo hình ảnh → Mạ → Khắc axit → Lớp phủ chống hàn → In lụa → Hoàn thiện bề mặt → Tạo hình dạng.

Vấn đề: Thành vách gồ ghề, gờ sắc, mũi khoan bị gãy. Giải pháp: Thay mũi khoan, tối ưu hóa tốc độ/lượng tiến dao, kiểm tra vật liệu.

Vai trò: Dẫn điện cho thành lỗ để kết nối các lớp. Điều kiện kiểm soát: Thành phần dung dịch, nhiệt độ (25-35°C), độ pH (11-12), độ sạch của quá trình tiền xử lý.

Công nghệ quang khắc: Độ chính xác cao cho HDI, chi phí cao và phức tạp. Công nghệ in lụa: Chi phí thấp/thiết bị đơn giản, độ chính xác thấp hơn.

Kiểm soát thông qua mật độ dòng điện, thời gian mạ và nồng độ dung dịch. Ví dụ: 1 oz (35 μm) cần 20-30 phút ở mật độ dòng điện 2-3 A/dm².

Kiểm soát nồng độ dung dịch khắc, nhiệt độ, thời gian và áp suất phun, đồng thời bảo trì thiết bị thường xuyên. Nồng độ cao có thể gây khắc quá mức, trong khi nồng độ thấp dẫn đến khắc không hoàn toàn. Giữ nhiệt độ ở mức 45-55℃, xác định thời gian dựa trên độ dày của bo mạch, v.v., và đảm bảo áp suất đồng đều để tiếp xúc hoàn toàn.

Phủ đều mạch điện mà không bỏ sót chỗ in, lỗ kim hoặc bọt khí. Độ dày lớp dầu trên bề mặt đồng: 10-18μm, lỗ xuyên mạch: 5-8μm. Khoảng cách thích hợp từ các cạnh mạch để tránh phủ quá nhiều lớp lên chân linh kiện hoặc nguy cơ ngắn mạch.

Các ký tự phải rõ ràng, đầy đủ, có độ tương phản màu sắc tốt, được định vị chính xác mà không che khuất các khu vực quan trọng và có độ bám dính cao (chọn loại mực và quy trình sấy phù hợp).

HASL: Chi phí thấp, khả năng hàn tốt, độ phẳng hạn chế. ENIG: Bề mặt nhẵn, khả năng hàn và chống ăn mòn tốt, chi phí cao. Mạ thiếc nhúng: Khả năng hàn tốt, bề mặt nhẵn, thời hạn sử dụng lâu dài. OSP: Chi phí thấp, quy trình đơn giản, khả năng giữ độ hàn ngắn.

Cắt cơ khí (độ chính xác cao, phù hợp với các kích thước lớn phức tạp). Đột dập (hiệu quả cao, phù hợp với sản xuất hàng loạt thường xuyên). Cắt laser (độ chính xác cực cao, chi phí cao, phù hợp với các lô nhỏ cần độ chính xác cao). Lựa chọn dựa trên hình dạng, độ chính xác, số lượng lô và chi phí.

Kiểm tra kích thước/độ dày sau khi cắt. Kiểm tra vị trí, kích thước và thành lỗ sau khi khoan. Kiểm tra độ dày/độ đồng đều của lớp đồng sau khi mạ. Kiểm tra tính toàn vẹn của mạch sau khi khắc. Kiểm tra chất lượng in của lớp phủ chống hàn/ký tự. Kiểm tra độ dày/độ bám dính của lớp phủ sau khi hoàn thiện bề mặt. Kiểm tra hình dạng/các cạnh sau khi đúc.

Sử dụng máy kiểm tra đầu dò di động hoặc thiết bị ICT. Máy kiểm tra đầu dò di động phù hợp với các lô/loại sản phẩm nhỏ, phát hiện hở mạch/ngắn mạch, v.v. Thiết bị ICT dùng cho sản xuất hàng loạt, kiểm tra toàn diện hiệu năng điện với các phụ kiện chuyên dụng.

Phát hiện các khuyết tật về kết nối, khoảng trống, độ nguyên vẹn của lớp đồng trong bo mạch nhiều lớp. Kiểm tra các mối hàn BGA và các khuyết tật bên trong (vật lạ, bong tróc) mà không cần phá hủy.

Thu thập hình ảnh thông qua camera quang học và so sánh với các tiêu chuẩn để phát hiện các khuyết tật như thiếu linh kiện, sai lệch, đoản mạch. Ứng dụng trong kiểm tra thời gian thực sau khi in, đặt linh kiện, hàn chảy để nâng cao hiệu quả và chất lượng.

Thử nghiệm uốn (quan sát vết nứt ở các góc/chu kỳ xác định). Thử nghiệm rơi (mô phỏng va đập). Thử nghiệm rung (mô phỏng rung động để kiểm tra mối hàn và cấu trúc).

Theo tiêu chuẩn IPC-4552, ENIG phù hợp với tần số cao/độ tin cậy cao (Ni: 3-5μm, Au: 0.05-0.1μm). OSP có chi phí thấp (độ dày màng: 0.2-0.5μm, thích hợp cho lưu trữ ngắn hạn). HASL đã hoàn thiện (độ dày Sn >2.5μm, độ phẳng kém).

Điều chỉnh nồng độ dung dịch (chất ăn mòn axit: CuCl₂ 180-220g/L, HCl 1,0-1,5mol/L), nhiệt độ 50-55℃. Đối với hiện tượng ăn mòn không đủ, giảm tốc độ và tăng áp suất phun lên 2-3 bar.

Theo tiêu chuẩn IPC-6012, các bo mạch đa lớp thông thường có độ dày ≤75μm, bo mạch HDI ≤50μm. Độ chính xác định vị khoan laser ±25μm, được điều khiển bằng máy cắt laser độ chính xác cao.

Vật liệu FR-4: độ bền dọc ≥345MPa, độ bền ngang ≥276MPa (ASTM D790). Độ dày 1,6mm ≥300MPa.

Cắt lát mẫu kim loại (IPC-TM-650, lỗ xuyên ≥20μm, lỗ mù/lỗ chìm ≥18μm). Kiểm tra không phá hủy bằng XRF (độ chính xác ±0,5μm).

Nhiệt độ làm nóng sơ bộ: 90-130℃ (60-120 giây). Vùng hàn: 240-260℃ (tiếp xúc 2-4 giây). Tốc độ làm nguội: 3-6℃/giây (J-STD-003).

Phương pháp in thông thường: 15-30μm (IPC-6012), vùng dày đặc ≥20μm. In lụa: 20-25μm, sấy quang hóa: 15-20μm.

Thông thường: 6/6mil (0.1524mm). LDI + khắc hóa học: 3/3mil (0.0762mm). Bo mạch HDI: 1/1mil (0.0254mm).

Để đảm bảo độ dẫn điện, hãy chọn phương pháp trám kín bằng nhựa (độ sâu ≥80% chiều sâu xuyên suốt, sai số độ phẳng ≤10μm). Để chỉ cần cách điện, hãy chọn phương pháp phủ (chiều rộng lớp phủ ≥0,1mm).

Theo tiêu chuẩn IPC-J-STD-033, nung ở 125℃ trong 4-8 giờ (≤1,6mm: 4 giờ, >1,6mm: 8 giờ) để giảm độ ẩm xuống dưới 0,1%.

Độ nhám cao hơn làm tăng hiệu ứng bề mặt và suy hao tín hiệu. Màng RTF Ra＜0,5μm (phù hợp với tần số cao >10GHz). Màng VLP Ra＜0,3μm (giảm suy hao 15%-20%).

Chà nhám bằng máy mài (áp suất 0,3-0,5MPa, tốc độ 2-3m/phút). Khắc vi mô bằng hóa chất (natri persunfat 100-150g/L, 40-50℃, 1-2 phút).

Tổng quát: đơn cực ±10%, vi sai ±8%. Tốc độ cao (>1Gbps): đơn cực ±5%, vi sai ±3%, được điều chỉnh thông qua chiều rộng đường dẫn, độ dày lớp điện môi, độ dày lớp đồng.

Theo tiêu chuẩn UL 796, vật liệu FR-4 có điện trở suất ≥1400V/mm ở 25℃/50% RH. Khoảng cách rò rỉ điện 1mm tương ứng với điện áp 100-200V.

Chiều rộng/khoảng cách tối thiểu của đường kẻ, tỷ lệ đường kính lỗ/đệm (đệm ≥ lỗ + 0,4mm khi lỗ ≥ 0,3mm), tỷ lệ diện tích đồng (30%-70%), tỷ lệ kích thước lỗ khoan (≤ 8:1), chiều rộng cầu nối lớp mặt nạ hàn (≥ 0,1mm).

Nguyên nhân: Hệ số giãn nở nhiệt (CTE) không phù hợp, độ dày không đồng đều, đường cong nhiệt độ không chính xác. Giải pháp: Chọn vật liệu có CTE ≤15ppm/℃, kiểm soát dung sai độ dày ±0,05mm, tối ưu hóa tốc độ gia nhiệt ≤3℃/s.

Theo tiêu chuẩn IPC-TM-650, điện trở suất ≥10¹⁰Ω sau 168 giờ ở 85℃/85% RH, và ≥10¹²Ω đối với các ứng dụng cao cấp, yêu cầu kiểm soát độ sạch bề mặt.

Lỗ mù: Khoan laser/cơ khí + mạ, độ sâu ≤0,5mm, dùng cho kết nối bề mặt. Lỗ chìm: Khoan cơ khí + ghép lớp, yêu cầu căn chỉnh, dùng cho tín hiệu lớp trong để giảm các thông số ký sinh.

Đầu dò di động: Độ phủ >98%, phù hợp cho các lô nhỏ/mật độ cao, tốc độ chậm (3-5 giây/điểm). Đầu dò dạng giường đinh: Nhanh (

Mỗi lần tăng 1oz (35μm) độ dày sẽ làm tăng độ dẫn nhiệt lên 38%. Màng mỏng 3oz trong các ứng dụng công suất cao giúp giảm sự tăng nhiệt độ từ 15% đến 20% nhờ các lỗ dẫn nhiệt.

Thông thường: 0,1mm. Bo mạch mật độ cao với LDI: 0,075mm, ngăn ngừa hiện tượng cầu nối hàn.

Mối hàn không đều trên các chân, hàn lỗ xuyên mạch không đủ, bề mặt không bằng phẳng. Kiểm tra chất lượng mối hàn.