1/ Tổng quan về linh kiện điện tử
Linh kiện điện tử là các thành phần cơ bản tạo nên mạch và hệ thống điện tử bao gồm linh kiện thụ động, linh kiện chủ động và cơ cấu gói đóng góp cho chức năng, hiệu năng và độ tin cậy của thiết kế. Chúng xác định đặc tính điện, cơ học, nhiệt và môi trường của sản phẩm cuối cùng, đóng vai trò quyết định trong thiết kế PCB, quy trình sản xuất và bảo trì.
2/ Phân loại chính và chức năng
2.1/ Linh kiện thụ động
- Điện trở: định mức công suất, hệ số nhiệt độ, tiếng ồn, dung sai.
- Tụ điện: điện phân, gốm MLCC, lớp phim, Tantalum; đặc tính ESR, ESL, nhiệt độ và phân cực.
- Cuộn cảm: SMD và through-hole, Q factor, bão hòa từ, tổn hao lõi.
- Mạch lọc thụ động và mạng phân chia tín hiệu.
2.2/ Linh kiện chủ động
- Điốt: diode silicon, Schottky, Zener, TVS; ứng dụng chỉnh lưu, bảo vệ, tham chiếu tham số.
- Transistor: BJT, MOSFET, IGBT; các thông số quan trọng: Beta/hFE, Rds(on), Vth, Qg, thời gian chuyển mạch.
- IC tuyến tính: op-amp, comparator, regulator tuyến tính; thông số: slew rate, bandwidth, PSRR, quiescent current.
- IC số: logic families TTL/CMOS/LVTTL; FPGA, MCU và hệ thống SoC.
2.3/ Cơ cấu và thiết bị phụ trợ
- Các thành phần cơ khí và kết nối: đầu nối, jumper, switch, relay, rơle trạng thái rắn.
- Cảm biến và truyền động: cảm biến nhiệt độ, áp suất, gia tốc; DAC/ADC tích hợp.
- Linh kiện RF và quang điện tử: lọc bandpass, antena, photodiode, LED, laser diode.
3/ Đặc tính điện, cơ bản để thiết kế
3.1/ Thông số điện quan trọng
- Điện trở R, điện dung C, độ tự cảm L; dung sai, hệ số nhiệt độ và dải tần hoạt động.
- Điện áp làm việc tối đa và xung đánh thủng, dòng cho phép, công suất tiêu tán.
- ESR và ESL của tụ điện ảnh hưởng tới hiệu suất ở tần số cao.
- Rds(on), Qg và năng lượng chuyển mạch cho MOSFET; ghép nối nhiệt là yếu tố giới hạn.
3.2/ Mô phỏng và mô hình
- Sử dụng mô hình SPICE cho transistor, diode, tụ điện và các IC để dự đoán đáp ứng tần số và chuyển mạch.
- Mô hình nhiệt và mô hình lỗi lão hóa để dự đoán tuổi thọ.
3.3/ Tương thích EMC và tín hiệu
- Kiểm soát đường return, giảm nhiễu bức xạ bằng layout và lựa chọn linh kiện có đóng góp ESR/ESL phù hợp.
- Sử dụng ferrite bead, common-mode choke và TVS cho bảo vệ EMC/ESD.
4/ Package, gắn kết và lắp đặt trên PCB
4.1/ Hộp đóng và tiêu chuẩn
- Through-hole vs SMD; SOT, SOIC, QFN, BGA, LQFP; ưu nhược điểm về tản nhiệt, khả năng hàn và kiểm tra.
- BGA cho mật độ cao nhưng phức tạp khi rework; QFN cho kích thước nhỏ và tản nhiệt tốt khi có pad trung tâm.
4.2/ Kỹ thuật layout
- Đặt linh kiện theo luồng tín hiệu; tụ bypass càng gần chân IC càng tốt.
- Chiều rộng trace và lớp đồng cần theo mật độ dòng và khả năng tản nhiệt.
- Thiết kế vias và heat via cho pad tản nhiệt; tránh loop lớn cho high-speed lines.
4.3/ Hàn và quy trình lắp
- Reflow profile cho SMD, wave solder cho through-hole; chọn hợp kim thiếc phù hợp cho mức nhiệt và độ bền.
- Kiểm soát taint flux, sạch bề mặt để tránh ăn mòn và ảnh hưởng điện môi.
5/ Kiểm tra, đo lường và đảm bảo chất lượng
5.1/ Kiểm tra linh kiện trước lắp
- Kiểm tra thông số bằng LCR meter, curve tracer cho diode/transistor, xét mẫu cho tụ điện có ESR thấp.
- Kiểm tra mắt thường và X-Ray cho BGA để phát hiện voids.
5.2/ Kiểm tra sau lắp
- ICT và Flying Probe cho test mạch; Boundary-scan (JTAG) cho thiết bị BGA/FPGA.
- Functional test trên mức hệ thống; burn-in và environmental stress screening cho sản phẩm công nghiệp.
5.3/ Chứng nhận và tiêu chuẩn
Tuân thủ RoHS, REACH cho vật liệu; chuẩn an toàn IEC/UL cho nguồn điện; tiêu chuẩn EMC cho phát xạ và miễn nhiễm.
6/ Độ tin cậy, tuổi thọ và chế độ hỏng
6.1/ Nguyên nhân hỏng phổ biến
- Nhiệt độ quá cao gây lão hóa điện phân tụ điện, phá hủy junction transistor, làm giảm tuổi thọ solder joints.
- Căng cơ học và fatigue tại vias, pad và lead do thermal cycling.
- Sốc điện ESD hoặc xung quá áp làm hỏng diode, MOSFET, IC logic.
6.2/ Phân tích độ tin cậy
- Sử dụng MTBF và phần mềm mô phỏng FMEA để khoanh vùng lỗi.
- Thử nghiệm nhiệt độ cao thấp, nhiệt sốc, rung động để phát hiện điểm yếu.
- Lựa chọn linh kiện có margin an toàn: điện áp đánh thủng gấp 1.5 - 2 lần điện áp vận hành, công suất MOSFET có hệ số an toàn.
6.3/ Bảo trì và thay thế
- Theo dõi tụ điện điện phân là chỉ báo lão hóa; chuẩn bị linh kiện thay thế cho linh kiện tiêu hao.
- Lập bản đồ nhiệt và đo IR trên bo để phát hiện nóng cục bộ.
7/ Hướng dẫn lựa chọn linh kiện và tối ưu hoá thiết kế
7.1/ Quy trình chọn
- Xác định yêu cầu chức năng và điều kiện môi trường.
- Lọc danh mục theo thông số chính: điện áp, dòng, tần số, công suất, nhiệt độ.
- So sánh datasheet, chú ý tới đặc tính ở biên điều kiện thực tế.
- Kiểm tra nhà cung cấp, lịch sử lỗi, sẵn có hàng và rủi ro chuỗi cung ứng.
- Thiết kế margin an toàn, chuẩn hoá footprint để dễ thay thế.
7.2/ Tối ưu hóa chi phí và hiệu năng
- Dùng tụ MLCC cho bypass ở tần số cao kết hợp với tụ phân cực cao để ổn định DC.
- Chọn MOSFET với Rds(on) thấp nhưng Qg phù hợp cho trình điều khiển để giảm tổn hao chuyển mạch.
- Sử dụng IC điều khiển nguồn tích hợp khi cần giảm kích thước và giản lược linh kiện rời.
7.3/ Quản lý chuỗi cung ứng và thay thế
- Thiết kế multiple-source footprints cho linh kiện chính; duy trì BOM với part alternates.
- Kiểm tra lifecycle status của linh kiện để tránh obsolescence.
8/ Tổng kết
Linh kiện điện tử là nền tảng cho mọi thiết kế điện tử; hiểu rõ đặc tính điện, nhiệt, cơ học và đóng gói của từng loại là điều kiện cần để đạt hiệu năng, độ tin cậy và khả năng sản xuất hàng loạt. Quy trình thiết kế tối ưu bao gồm lựa chọn linh kiện phù hợp, mô phỏng chính xác, layout PCB tuân thủ nguyên tắc EMC, kiểm tra toàn diện và quản lý vòng đời linh kiện từ nhà cung cấp đến bảo trì thực tế.
Đến đây chắc hẳn bạn đã hiểu về linh kiện điện tử. Chúng tôi, QTE Technologies cung cấp hàng ngàn các loại linh kiện điện tử khác nhau từ các thương hiệu nổi tiếng thế giới.
QTE Technologies tự hào là một nhà cung cấp MRO toàn cầu, phục vụ khách hàng tại hơn 180 quốc gia và luôn nỗ lực hết mình để đảm bảo khách hàng có được trải nghiệm trọn vẹn và hài lòng. Chúng tôi thành lập năm 2010 cung cấp hơn 1 triệu sản phẩm cho mọi ngành công nghiệp và khoa học kỹ thuật. Ngoài ra, bạn có thể liên hệ với chúng tôi bất cứ lúc nào thông qua hỗ trợ trò chuyện 24×7, điện thoại, WhatsApp hoặc email. Khám phá những gì khách hàng có giá trị của chúng tôi nói về dịch vụ của chúng tôi trên trang đánh giá chuyên dụng của chúng tôi.
Tác giả bài viết: Ban biên tập của QTE Technologies (có nền tảng vững chắc về cả kỹ thuật và sáng tạo - tích lũy hơn 15 năm kinh nghiệm).
