Bảng mạch in – Printed Circit Board (PCB) là một thành phần quan trọng được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các thiết bị điện tử hiện đại, từ smartphone, máy tính, đến các hệ thống công nghiệp và ô tô. Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của các loại hình công nghệ, trong đó sự phát triển của các ứng dụng đòi hỏi sự đáp ứng ở tốc độ cao  với mật độ linh kiện lớn đã khiến bảng mạch in ngày càng phức tạp.

 Việc kiểm thử PCB là một quá trình vô cùng quan trọng. Việc kiểm thử này nhằm đảm bảo chất lượng, hiệu suất và độ tin cậy của các sản phẩm. Ngoài ra, trong quá trình kiểm thử, việc phát hiện sớm các lỗi trong thiết kế hoặc sản xuất cũng sẽ giúp giảm chi phí và thời gian phát triển của PCB.

• Chính vì vậy, để đáp ứng các nhu cầu phát triển tốc độ cao và mật độ của PCB thì việc kiểm thử là vô cùng quan trọng. Bài báo này đưa ra các phân tích và các giải pháp trong quá trình kiểm thử PCB hiện đại mà các kỹ sư đang sử dụng. 

1. Thế nào là một bảng mạch in (PCB) có mật độ linh kiện dày đặc và tốc độ cao? 

Trước khi đi sâu vào các công nghệ tiến tiến trong kiểm thử PCB, chúng ta cần hiểu rõ PCB có mật độ linh kiện dày và tốc độ cao là gì.

1. PCB có mật độ linh kiện dày đặc (Dense PCB): 

• Một PCB có mật độ dày đặc thường có những đặc điểm sau: Số lượng lớn linh kiện trên diện tích nhỏ, cùng với các lớp mạch chồng lên nhau nhiều hơn ( từ 4  đến hơn 20 lớp).
• Các loại PCB này thường được ứng dụng trong các thiết bị quen thuộc như điện thoại thông minh, thiết bị IoT, thiết bị y tế, ô tô.
• Tuy nhiên, nhà sản xuất PCB này cũng có rất nhiều thách thức, như độ phức tạp trong thiết kế khiến việc kiểm tra lỗi trở lên khó khăn hơn.

2. PCB có tốc độ cao (High-Speech PCBs)

• Một PCB tốc độ cao thường có các đặc điểm như tín hiệu truyền qua mạch với tốc độ cao (từ tốc độ ở đơn vị GHz) và vô cùng nhạy cảm với nhiễu điện từ (EMI), tín hiệu xuyên âm.
• Các loại PCB này thường được ứng dụng trong các thiết bị như router, các hệ thống máy chủ, thiết bị viễn thông và mạng 5G.
• Để thiết kế được một PCB có tốc độ cao đòi hỏi các kỹ sư cần kiểm tra khả năng truyền tín hiệu, độ trễ, và tính toàn vẹn tín hiệu.

2. Các thách thức trong việc kiểm thử PCB

Như đã đề cập ở trên, bảng mạch in PCB có vai trò vô cùng quan trọng trong quá trình phát triển của nền công nghiệp 4.0. Nó đóng vai trò cực kỳ lớn trong quá trình thiết kế và nâng cao chất lượng của các thiết bị tiên tiến. Tuy nhiên, để sản xuất và thiết kế được một bảng mạch in PCB hoàn chỉnh, các bảng mạch in này cần phải trải qua một quá trình kiểm thử vô cùng chặt chẽ và gắt gao. Quá trình kiểm thử này sẽ dần được phát triển để nó diễn ra nhanh chóng và chuẩn xác hơn. Trong thời điểm hiện nay, quá trình kiểm thử này đang có một số thách thức nhất định được phân tích cụ thể dưới đây.

1. Đối với PCB có mật độ linh kiện dày đặc:

• Khó khăn trong tiếp cận điểm kiểm tra bời vì số lượng điểm kiểm tra giảm do diện tích hạn chế. Điều này cũng gây khó khăn trong việc sử dụng các công cụ kiểm tra truyền thống như ICT….
• PCB thường có mức độ thiết kế vô cùng phức tạp, nhiều lớp mạch hơn so với PCB bình thường. Điều này dẫn đến việc khó phát hiện lỗi giữa các lớp với nhau.

2. Đối với PCB có tốc độ cao:

• PCB có tốc độ cao thường gặp khó khăn trong quá trình kiểm thử về tính toàn vẹn của tín hiệu. Điều này xuất phát từ việc tín hiệu tốc độ cao sẽ bị suy hao hoặc méo dạng khi truyền qua PCB. Từ đó xuất hiện nhiễu xuyên âm và nhiễu điện từ.
• Cùng với đó, các tín hiệu tốc độ cao cần các yêu cầu kiểm tra về độ trễ để đảm bảo không có sai lệch về việc đồng bộ hóa các tin hiệu với nhau.
• Cuối cùng, đối với PCB được sản xuất với vật liệu không đồng nhất hoặc nhiệt độ cao sẽ làm thay đổi đặc tính của các tín hiệu được truyền đi.

• Nhìn chung, bảng mạch in PCB có mật độ linh kiện dày đặc và tốc độ cao thường có nhiều thách thức trong quá trình kiểm thử. Một số khó khăn chung có thể được nhắc đến  như sự tích hợp giữa kiểm tra phần cứng và phần mềm của PCB. Các kỹ sư cũng cần chú ý về hiệu quả của việc kiểm thử trong xu hướng giảm thời gian và chi phí cho việc kiểm thử hiện nay.

3. Các kỹ thuật kiểm thử tiên tiến đang được áp dụng đối với PCB có độ dày linh kiện và tốc độ cao

Ngoài các phương pháp kiểm thử truyền thống đã được áp dụng cho các PCB, ngày nay để đáp ứng về sự phát triển không ngừng của các PCB, một số các phương pháp kiểm thử đã được áp dụng để theo kịp xu hướng phát triển đó. Trong đó, một số phương pháp tiên tiến có thể được nhắc đến cụ thể như sau:

1. Phân tích giá trị biên (Boundary Scan Testing)

• Nguyên lý: phương pháp này sử dụng JTAG (Joint Test Action Group) để kiểm tra kết nối giữa các linh kiện trong PCB mà không cần tiếp cận vật lý.
• Ưu điểm: Phương pháp này giúp các kỹ sư thực hiện không cần điểm tiếp xúc về mặt vật lý và phù hợp với PCB có mật độ linh kiện cao. Ngoài ra, phương pháp này cũng có khả năng kiểm tra được cả phần cứng và phần mềm.
• Ứng dụng: Với các ưu điểm trên, kỹ thuật này có thể áp dụng trong phát hiện lỗi hàn, kết nối ngắn mạch hoặc đứt mạch.

2. Kiểm tra bằng tia X

• Nguyên lý: phương pháp này sử dụng tia X để kiểm tra các mối hàn và kết nối bên trong PCB, đặc biệt là các linh kiện không thể nhìn thấy bằng mắt thường (ví dụ như BGA, CSP).
• Ưu điểm: Phương pháp này mang lại hiệu quả cao trong phát hiện lỗi hàn và lỗi kết nối ẩn dưới các lớp mạch.
• Ứng dụng: Với các ưu điểm trên, kỹ thuật này có thể áp dụng trong kiểm tra PCB nhiều lớp và mật độ cao.

3. Kiểm tra đầu dò bay (Flying Probe Testing - FPT)

• Nguyên lý: phương pháp này sử dụng các đầu dò tự động di chuyển đến từng điểm kiểm tra trên PCB để đo điện áp, dòng điện, hoặc tín hiệu.
• Ưu điểm: Phương pháp này vô cùng linh hoạt, không cần thiết kế fixture.  Nó phù hợp với các lô sản xuất PCB nhỏ hoặc nguyên mẫu. Tuy nhiên, phương pháp này thường có thời gian kiểm tra lâu hơn so với ICT.

4. Kiểm tra tính toàn vẹn lâu dài của tín hiệu

• Nguyên lý: phương pháp kiểm tra tính toàn vẹn tín hiệu bằng cách sử dụng các công cụ như TDR (Time Domain Reflectometry) và VNA (Vector Network Analyzer).
• Ưu điểm: Phương pháp Đánh giá được suy hao tín hiệu, nhiễu xuyên âm, và độ trễ của PCB.
• Ứng dụng: Phương pháp này bị bắt buộc trong các PCB tốc độ cao dùng cho viễn thông và 5G.

5. Kiểm theo mô hình AI và phương pháp học máy

• Nguyên lý: phương pháp sử dụng AI để phân tích dữ liệu kiểm tra và phát hiện lỗi phức tạp của các PCB.
• Ứng dụng: Phương pháp này giúp tối ưu hóa quy trình kiểm tra và phát hiện lỗi mà con người khó nhận biết.

Kết luận

Nhìn chung, các kỹ thuật kiểm thử truyền thống hay tiên tiến cho PCB đều có vai trò vô cùng quan trọng, đặc biệt với các bảng mạch in PCB có mật độ linh kiện dày đặc và tốc độ cao như hiện nay. Ngày nay, với sự phát triển của các công nghệ kiểm thử tiên tiến như JTAG, AXI và AI đã trở thành một công cụ hữu ích và mở ra các hướng  phát triển trong tương lai, nhằm tự động hóa quá trình kiểm thử để giảm chi phí và tăng tính hiệu quả. Vì vậy, các sự đổi mới trong kiểm thử bảng mạch PCB là một yếu tố cốt lõi để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của các ngành công nghiệp hiện đại.

‍