Cac Khai Niem Co Ban Trong Thiet Ke PCB

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1

Những khái niệm cơ bản về thiết kế PCB

Các khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB…

1

Giới thiệu • PCB- Printed Circuit Board • Thiết kế PCB cần có sự hiểu biết và khả năng sắp xếp vị trí của hàng trăm linh kiện và hàng nghìn đường dây thành một thiết kế hoàn chỉnh thỏa mãn đồng thời các yêu cầu vật lý và điện. • Thiết kế PCB hợp lý là một phần rất quan trọng của một bản thiết kế. • Thiết kế PCB là một quá trình sáng tạo của mỗi cá nhân. • Một số lời khuyên và “quy tắc chính” để thiết kế và đi dây PCB.

Ý tưởng thiết kế

Thiết kế mạch nguyên lý

Cần chỉnh sửa

Mô phỏng, kiểm tra hoạt động của mạch Hoạt động tốt

Thiết kế PCB Hoàn thiện

Mạch in Quy trình thiết kế mạch điện tử


2

Hoạt động chưa tốt

Nội dung • GIỚI THIỆU • THIẾT KẾ VÀ SẮP ĐẶT LINH KIỆN • CÁC LỚP KHÁC • THIẾT KẾ CHO VIỆC CHẾ TẠO


3

GIỚI THIỆU • • • • • • • • •

Mạch nguyên lý Hệ chuẩn và hệ mét Làm việc với Grid (khung lưới) Làm việc từ mặt trên Track – Dây đồng Pad – Lỗ đồng Via – Lỗ xuyên mặt Polygon – Lớp phủ đồng Clearances - Khoảng hở/khoảng cách về điện


4

Mạch nguyên lý • Trước khi bắt đầu layout PCB, bạn PHẢI có một sơ đồ mạch nguyên lý chính xác và hoàn thiện. • Một thiết kế PCB là một phiên bản của mạch nguyên lý, vì vậy thiết kế PCB chịu ảnh hưởng của mạch nguyên lý gốc. – Mạch nguyên lý rõ ràng, logic và sáng sủa thì chắc chắn việc thiết kế PCB sẽ dễ dàng hơn. – Các phần điện tử quan trọng cần được vẽ một cách chính xác, các nhà thiết kế sẽ quan tâm tới chúng để đi dây trên PCB. Như việc đặt các tụ cạnh linh kiện mà chúng hỗ trợ ( như lọc nguồn). – Các ghi chú trên mạch nguyên lý giúp cho việc đi dây rất hiệu quả. Ví dụ , “chân này yêu cầu một dây bảo vệ tới tín hiệu đất”, viết các ghi chú rõ ràng giúp cho người đi dây bảng mạch biết được để đề phòng. Thậm chí nếu bạn là người thiết kế mạch và vẽ mạch nguyên lý, các ghi chú không chỉ nhắc nhở bạn khi đi dây bảng mạch, mà còn rất hữu dụng cho người duyệt thiết kế. Các khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB…

5

Hệ chuẩn và hệ mét • Hệ chuẩn (inch, thou, mil) – Do quá khứ, và do phần lớn thiết bị điện tử được chế tạo với khoảng cách giữa các chân đo theo tiêu chuẩn (imperial). – Trong thiết kế PCB sử dụng đơn vị “mil” hay “thou”. • 1 mil = 1 thou = 1/1000 inch (1 mili inch)

– Sử dụng mil cho các track, pad, các khoảng cách và các mắt lưới, hầu hết có trong các yêu cầu “sắp xếp và thiết kế” cơ bản.

• Hệ mét (mm) – Sử dụng mm cho các yêu cầu “cơ khí và sản xuất” như kích thước lỗ và kích thước bảng mạch.

• Chuyển đổi giữa đơn vị chuẩn sang đơn vị hệ mét: – 100 thou (0.1inch) = 2.54mm – 1mm = 39.37 thou (inch) 100 mil là “điểm tham chiếu” cơ bản cho tất cả các khoảng cách của thiết kế PCB, và khoảng cách linh kiện thường là bội số hoặc phân số của đơn vị cơ bản đó. 50 mil và 200 mil là những đơn vị điển hình. Các khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB…

6

Làm việc với Grid (khung lưới) • “grid căn chỉnh”, giống như con trỏ của bạn, các linh kiện và các dây sẽ “căn chỉnh” trên các vị trí grid cố định. Không cần phải nhớ tất cả kích thước của grid mà chỉ cần nhớ kích thước cơ bản. – 100 mil là một grid tiêu chuẩn cơ bản cho công việc tạo lỗ, – 50 mil làm chuẩn cho việc đi dây, như chạy các dây giữa các lỗ xuyên qua. – Đối với những thiết kế tỉ mỉ hơn bạn có thế sử dụng grid căn chỉnh 25 mil hoặc nhỏ hơn nữa.

• Tại sao một grid căn chỉnh thô lại quan trọng? – Nó sẽ giữ cho các linh kiện của bạn ngăn nắp và cân đối; – Đem lại sự dễ chịu về mặt thẩm mĩ. – Giúp cho các công việc: chỉnh sửa, kéo thả, di chuyển và căn lề các dây, các linh kiện và các khối linh kiện trở nên dễ dàng hơn khi kích thước và độ phức tạp của việc đi dây tăng. Các khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB…

7

Làm việc với Grid (tiếp) •

•

Để sắp xếp PCB tốt bạn cần bắt đầu với grid thô là 50 mil và tăng dần độ mịn của grid căn chỉnh nếu thiết kế của bạn thiếu khoảng trống. Giảm xuống đến 25 mil và 10 mil cho các đường đi nhỏ và sắp đặt khi cần. Để đảm bảo grid mịn hơn bạn chọn một ước số phù hợp của 100 mil. Thường là 50, 25, 20, 10, hoặc 5 mil. Các loại grid trong chương trình thiết kế PCB: – grid căn chỉnh như đã được nói ở trên, – grid “nhìn thấy được”, là một grid tuỳ chọn trên màn hình theo chức năng của khối hoặc các đường nét, hoặc các điểm. Nó hiển thị như một phông nền phía sau bản thiết kế và hỗ trợ việc sắp đặt các linh kiện và các dây. – Grid “điện”, không nhìn thấy, nhưng nó giúp cho con trỏ căn chỉnh vào chính giữa của các tiếp xúc điện như các dây và các lỗ, khi đặt con trỏ đủ gần. Nó cực kỳ hữu ích cho việc đi dây, hiệu chỉnh và di chuyển các đối tượng thực hiện bằng tay. – Grid “linh kiện”, làm việc giống như grid căn chỉnh, nhưng chỉ dành cho việc di chuyển linh kiện. Grid này cho phép căn chỉnh linh kiện trên một grid khác. Nó là bội số của grid căn chỉnh mà bạn sử dụng. Các khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB…

8

Làm việc từ mặt trên • Thiết kế PCB luôn được quan sát từ mặt trên của bảng mạch, nhìn xuyên qua các lớp giống như chúng trong suốt. • Chỉ cần nhìn bảng mạch từ mặt dưới để kiểm tra hoặc chế tạo. • Phương pháp “through the board – xuyên qua mạch” này có nghĩa là bạn sẽ phải đọc chữ trên bề mặt lớp đáy như một ảnh gương.


9

Track – Dây đồng • •

•

•

• •

Không có tiêu chuẩn quy định cho kích cỡ dây. Kích cỡ dây sẽ phụ thuộc vào yêu cầu về điện của thiết kế, khoảng trống đường đi, và quyết định bởi chính sở thích của người thiết kế. Mỗi thiết kế sẽ có một tập các yêu cầu về điện khác nhau, các yêu cầu này có thể thay đổi tuỳ vào các dây trên bảng mạch. Tất cả các thiết kế không giới hạn cơ bản sẽ sử dụng nhiều kích cỡ dây. Nói chung, dây càng lớn càng tốt. Các dây lớn hơn có trở kháng DC thấp hơn, độ tự cảm thấp hơn, nhà chế tạo có thể khắc axit dễ dàng hơn và rẻ hơn, dễ kiểm tra và sửa lỗi. Giới hạn dưới của độ rộng dây sẽ phụ thuộc vào tỷ lệ “track/space – dây/không gian” mà nhà sản xuất PCB có thể đáp ứng. Ví dụ, một nhà sản xuất đưa ra tỷ lệ track/space là 10/8, có nghĩa là các dây không thể có độ rộng nhỏ hơn 10 mil, và khoảng cách giữa các dây (hoặc các pad, hoặc bất cứ bộ phận bằng đồng nào) không thể nhỏ hơn 8 mil. Tỉ lệ thực tế là 10/10 và 8/8 cho các bảng mạch cơ bản. Chuẩn IPC khuyến nghị 4mil là giới hạn dưới. Tỉ lệ track/space càng nhỏ, nhà sản xuất càng phải cẩn thận hơn khi căn lề và khắc axit lên bảng mạch. Họ sẽ tính cả chi phí đó, vì vậy mà không nên làm nhỏ hơn những gì mình cần. Các khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB…

10

Track – Dây đồng (tiếp) • • •

•

Người mới bắt đầu thích sử dụng lựa chọn 25mil cho các dây tín hiệu, 50mil cho dây nguồn và đất, và 10-15 mil để đi dây giữa IC và các chân linh kiện. Nhiều nhà thiết kế thích các track tín hiệu nhỏ hơn như 10 hoặc 15 mil, trong khi nhiều người khác lại thích các track to hơn. Thực tế thì một thiết kế tốt là giữ cho các track càng to càng tốt, sau đó chuyển thành các track nhỏ hơn chỉ khi cần thỏa mãn các yêu cầu khoảng trống. Việc thay đổi kích thước track từ to sang nhỏ rồi sau đó khôi phục kích thước ban đầu được gọi là “cổ”, hay “thắt cổ”. – Sử dụng khi bạn phải đi dây giữa các chân IC hay các chân linh kiện. – Cho phép có được các track to đẹp và trở kháng nhỏ, nhưng vẫn giữ được tính mềm dẻo khi đi giữa các chỗ hẹp. – Trên thực tế thì độ rộng các track được quyết định bởi dòng điện chạy qua nó và nhiệt độ lớn nhất mà track có thể chịu đựng được. Các track có trở kháng nhất định nên nó sẽ toả nhiệt giống như một điện trở. Track càng lớn thì trở kháng càng nhỏ. Độ dày của lớp đồng trên bảng mạch cũng toả nhiệt một phần. Các khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB…

11

Pad – Lỗ đồng • •

Kích cỡ, hình dạng và kích thước pad không chỉ phụ thuộc vào các linh kiện sử dụng, mà nó còn phụ thuộc vào phương pháp sản suất để lắp ráp bảng mạch. Một thông số quan trọng đó là tỷ lệ pad/hole (lỗ đồng/lỗ khoan). – Mỗi nhà sản xuất sẽ phải đưa ra thông số kỹ thuật tối thiểu cho tỷ lệ này. – Một quy tắc đơn giản là đường kính của pad ít nhất phải lớn gấp 1.8 lần đường kính của hole, hoặc ít ra phải rộng hơn 0.5mm. Điều đó cho phép dung sai căn chỉnh giữa máy khoan và hình ảnh minh hoạ trên các lớp top và bottom. Tỉ lệ này càng quan trọng hơn đối với các pad và hole có kích thước nhỏ, và nó có quan hệ chặt chẽ tới các via.

• • • •

Một số thói quen phổ biến: các pad bao quanh chân các linh kiện như điện trở, tụ và IC có đường kính là 60mil, pad cho diode là 70 mil. Hầu hết các linh kiện hàn dán sử dụng các pad hình chữ nhật. Các linh kiện khác thì dựa vào số lượng các chân, như các conector và các khối điện trở SIP, vẫn luôn dựa theo quy tắc “chân 1 hình chữ nhật”. Các pad hình bát giác ít được sử dụng, và hầu như nên tránh. Quy tắc chung là sử dụng các pad hình tròn hay hình bầu dục khi không sử dụng pad hình chữ nhật. Các khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB…

12

Via – Lỗ xuyên mặt • Các via kết nối các track từ một mặt này tới mặt khác của bảng mạch, bằng cách đi qua một hole trên bảng mạch. Các via được tạo ra với những hole đã được mạ kim loại dẫn điện, gọi là các lỗ xuyên mặt (PTH – Planted Through Holes). PTH cho phép nối điện giữa những lớp khác nhau trên bảng mạch. • Vậy sự khác nhau giữa via và pad là gì? – Thực tế chúng không khác nhau nhiều lắm, chúng đều là các hole được mạ điện. Nhưng có một số điểm khác nhau khi chúng cùng đi với các bộ thiết kế PCB. Các pad và các via nên nghiên cứu theo cách khác nhau. – Các hole trong các via thường nhỏ hơn so với các pad một chút, phổ biến là 0.5-0.7mm. – Sử dụng một via để kết nối hai lớp thường được gọi là “mũi khâu”, giống như bạn khâu cả hai lớp lại với nhau một cách hiệu quả, như một kim xâu chỉ xuyên qua xuyên lại một vật liệu. Các khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB…

13

Polygon – Lớp phủ đồng • Một polygon tự động phủ một lớp đồng lên một vùng mong muốn, nhưng chỉ chảy vòng quanh và tách biệt với các pad và các track khác. Chúng rất có ích cho việc đặt những vùng tiếp đất. Các polygon được đặt sau khi đã hoàn thành việc sắp đặt các pad và các track. • Polygon có thể là một trong hai cách phủ kín thành dải đồng hoặc phủ mắt lưới đan bởi các track đồng. Cách phủ kín thường được ưa chuộng hơn, cách phủ mắt lưới thì cũ hơn.

phủ kín phủ mắt lưới Các khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB…

14

Clearances - Khoảng hở • Khoảng cách về điện là một yêu cầu quan trọng cho mọi bảng mạch. Một khoảng cách quá sát giữa các track và các pad có thể dẫn tới các chập mạch đường mảnh như sợi tóc và khó khắc axit trong quá trình sản xuất. Điều này có thể gây khó khăn cho việc tìm ra lỗi khi lắp ráp bảng mạch. Đừng “vượt các giới hạn” của nhà sản xuất trừ khi bạn phải làm vậy, cố gắng thực hiện đề nghị của họ về khoảng trống nhỏ nhất nếu có thể. • 15 mil là một giới hạn khoảng cách nhỏ nhất cho các thiết kế hole cơ bản, với 10 mil hoặc 8 mil được sử dụng cho các sắp đặt có nhiều linh kiện hàn dán. • Với các điện áp lớn 240V trên PCB có rất nhiều yêu cầu, và bạn cần tham khảo các tiêu chuẩn có liên quan nếu bạn đang thực hiện công việc này. Các khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB…

15

Clearances - Khoảng hở


16

THIẾT KẾ VÀ SẮP ĐẶT LINH KIỆN • • • •

Routing cơ bản Hoàn thành các chi tiết Thiết kế một mặt Thiết kế hai mặt


17

Routing cơ bản •

• •

• •

Khái niệm: Routing là quá trình đặt các dây để kết nối các linh kiện trong bảng mạch. Một kết nối điện giữa hai hay nhiều pad được gọi là một “net”. Giữ cho các net càng ngắn càng tốt. Tổng chiều dài một track càng dài, thì tính trở, dung, cảm càng lớn => gây mất ổn định. Các track nên có các góc là 45 độ. Tránh sử dụng góc vuông, và các trường hợp sử dụng góc lớn hơn 90 độ. Các chương trình PCB sẽ có chế độ di chuyển 45 độ. Không nên đi những dây vòng vì sắp đặt chúng khó và chậm chạp hơn, nên bám theo các góc 45 độ. Đi dây điểm tới điểm có vẻ đơn giản cho những người mới bắt đầu, nhưng có một vài lý do khiến bạn không nên sử dụng chúng. – Thứ nhất là nó xấu, một nhân tố quan trọng trong thiết kế PCB! – Thứ hai là nó không có nhiều các khoảng trống phù hợp khi bạn muốn chạy nhiều dây trên các lớp khác.


18

Routing cơ bản (tiếp) • •

Cho hiện grid điện bởi nó được dùng để tham khảo như một chức năng “căn chỉnh vào giữa” hoặc “căn chỉnh gần nhất”. Luôn giữ cho track ở chính giữa pad, đừng bao giờ để cho track và pad của bạn ở tình trạng “chỉ tiếp xúc”. Có một số lý do. – Thứ nhất, nó thể hiện sự cẩu thả và không chuyên nghiệp. – Thứ hai, chương trình của bạn có thể sẽ không nghĩ rằng track đã tiếp xúc điện với pad. Sử dụng grid căn chỉnh và grid điện đúng quy tắc sẽ tránh được những vấn đề đó.

• • • • •

Chỉ sử dụng một track, không dùng nhiều track cùng nhau từ điểm tới điểm. Các track phải đúng giữa các pad và linh kiện, không bị lệch về bên nào cả. Sử dụng grid căn chỉnh phù hợp sẽ đảm bảo bạn luôn đi dây đúng. Chỉ tạo một track giữa các pad 100 mil. Chỉ với các thiết kế lớn và dày đặc thì bạn nên cân nhắc hai track giữa các pad. Đối với dòng cao, sử dụng nhiều via khi đi dây giữa các lớp. Điều này sẽ làm giảm trở kháng cho track và tăng độ ổn định. Không “kéo” các track thành các góc khác 45 độ. Các khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB…

19

Routing cơ bản (tiếp) • • • • • •

•

Giảm khoảng cách giữa các track đến mức có thể. Ví dụ. một track 10 mil qua 2 pad 60 mil tạo ra một khoảng hở 15 mil giữa track và pad. Nếu có nhiều track nguồn và đất, đầu tiên hãy cứ đặt chúng vào mạch đã. Đồng thời, hãy làm cho các track nguồn càng lớn càng tốt. Giữ các track nguồn và đất càng cách xa nhau càng tốt, đừng để chúng ngược hướng nhau xung quanh bảng mạch, sẽ làm giảm độ tự cảm trong hệ thống nguồn. Giữ cho mọi thứ đối xứng. Sự đối xứng trong sắp đặt track và linh kiện thực sự làm tăng tính thẩm mỹ và chuyên nghiệp của thiết kế. Đừng để các lớp đồng ở trạng thái không nối vào đâu cả (thường gọi là “đồng chết”), hãy nối đất chúng hoặc bỏ chúng đi. Đừng đặt các via bên dưới các linh kiện. Khi một linh kiện đã được hàn thì bạn sẽ không thể tác động đến lỗ via để hàn đường dẫn xuyên qua được (trường hợp các via không được mạ lỗ). Cố gắng sử dụng các chân linh kiện xuyên lỗ để nối các track lớp trên và các track lớp dưới. Điều này sẽ tối thiểu số lượng via. Nên nhớ rằng mỗi via sẽ ứng với hai mối hàn trên bảng mạch của bạn. Càng nhiều mối hàn, thì bảng mạch của bạn càng trở nên thiếu tin cậy. Chưa kể đến việc nó sẽ làm cho việc chế tạo lâu hơn. Các khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB…

20

Routing cơ bản (tiếp)

Đi dây nguồn tốt

Đi dây tốt

Đi dây nguồn xấu

Đi dây xấu


21

Hoàn thành các chi tiết • •

•

•

•

Khi đã hoàn thành việc đi dây, bảng mạch có thể chưa được khá lắm, nên có một số phút dành cho kiểm tra và hoàn thiện các tiếp xúc (chi tiết). Nếu có các track mảnh (<25 mil) thì nó phù hợp để thêm vào các góc vát cho các chỗ nối hình chữ “T”, như vậy sẽ loại được các góc 90 độ. Nó làm cho track cứng cáp hơn và ngăn chặn được các ảnh hưởng xấu có thể xảy ra trong quá trình khắc axit. Nhưng quan trọng nhất là nó trông đẹp hơn. Kiểm tra lại xem có cần thêm các hole bổ sung trên bảng mạch hay không. Giữ các hole tách biệt với các linh kiện và các track. Cho phép đặt các vòng đệm và đinh vít. Tối thiểu hoá số các kích cỡ hole. Với nhiều kích thước lỗ thì bạn phải trả nhiều tiền hơn, vì nhà sản xuất sẽ quy định giá bạn phải trả không phải căn cứ vào số lượng các hole trên bảng mạch mà là số các kích cỡ hole khác nhau mà bạn có. Nó làm mất thời gian trong việc khoan tốc độ cao, thay đổi một số mũi khoan, và sau đó khoan lại. Kiểm tra hai lần để hiệu chỉnh các kích cỡ hole trên toàn bộ linh kiện.


22

Hoàn thành các chi tiết (tiếp) •

•

•

•

Hãy chắc chắn rằng tất cả các via của bạn đều như nhau. Chú ý tỉ lệ pad/hole. Các lỗi ở đây có thể là làm “bong” pad via khi hole chỉ hơi dịch ra ngoài pad. Kiểm tra khoảng cách vật lý thích hợp giữa tất cả các linh kiện. Cẩn thận về các linh kiện với các chỗ hở kim loại có thể tạo tiếp xúc điện với các linh kiện khác, hoặc các track và pad hở khác. Chuyển màn hình hiển thị sang chế độ “draft”, chế độ này sẽ phác thảo tất cả các track và pad. Nó cho phép bạn nhìn thấy “bất cứ sai sót nào” trong bảng mạch của bạn, và sẽ lộ ra các track bị lệch hay kết thúc không ở đúng chính giữa pad. Nếu bạn muốn, hãy thêm “teardrop (giọt nước - được hiểu là phần bao quanh pad, và điểm nối track chữ T)” vào tất cả các pad và via. Một teardrop làm nhẵn kết nối giữa track và pad, nó có hình dạng giống như một giọt nước mắt. Teardrop giúp ghép nối giữa các track và pad thêm chắc chắn, tin cậy và tốt hơn là các góc vuông giữa track và pad. Các khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB…

23

Thiết kế một mặt • •

• •

•

Thiết kế một mặt có thế làm giảm đáng kể chi phí cho bảng mạch của bạn. Nếu có thể điều chỉnh thiết kế vừa trên bảng mạch một mặt thì bạn nên làm điều đó. Tuy nhiên, thiết kế một mặt yêu cầu những kỹ thuật nhất định mà bạn không sử dụng trong các thiết kế 2 mặt hay nhiều lớp. Trên thực tế, thiết kế bảng mạch một mặt sẽ phải sử dụng một số dây nhảy. Phải cân nhắc giữa kích cỡ bảng mạch và số lượng các dây nhảy cần dùng. Trên bảng mạch một mặt, việc sắp đặt linh kiện là khá khó khăn, vì vậy không cần thiết phải sắp xếp tất cả các linh kiện của bạn thẳng hàng, ngăn nắp và đẹp. Mục đích việc sắp xếp các linh kiện là để đi dây hiệu quả nhất và nhanh nhất. Nó giống như bạn chơi một ván cờ, nếu bạn không suy tính nhiều nước đi trong đầu thì bạn sẽ nhanh chóng tự đưa mình vào ngõ cụt nhanh chóng. Nếu có một track nào chạy từ một phía này tới phía kia của bảng mạch thì nó có thể làm hỏng tất cả sự sắp đặt của bạn, làm cho việc đi dây bất kỳ các track trực giao nào đều trở thành không thể. Nhiều người sẽ đi dây trên bảng mạch của họ như một bảng mạch hai mặt nhưng chỉ với các track thẳng tại lớp trên. Sau khi bảng mạch được sản xuất, các track lớp trên được thay thế bởi các dây nhảy. Điều này có thể kém hiệu quả hơn phương pháp thiết kế một mặt, và không được chấp nhận. Các khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB…

24

Thiết kế hai mặt • Thiết kế hai mặt giúp bạn thoải mái hơn trong viêc thiết kế bảng mạch. Những gì được xem là không thể thực hiện trong thiết kế bảng mạch một mặt trở nên khá dễ dàng khi bạn thêm vào một lớp nữa. • Nhiều người thiết kế nghiệp dư có xu hướng ngại sắp đặt các bảng mạch hai mặt. Họ nghĩ rằng sắp linh kiện không quan trọng cho lắm, và hàng trăm via có thể sử dụng để giải quyết những khó khăn này. Họ thường sắp xếp các linh kiện như các IC chẳng hạn thành hàng ngăn nắp và sử dụng các góc 90 độ để đi dây. • Kiên trì sử dụng các kỹ thuật sắp xếp linh kiện tốt và đi dây khối cấu trúc hiệu quả. • Thiết kế hai mặt có thể áp dụng các kỹ thuật tiếp đất tốt, được yêu cầu cho các thiết kế cao tần. Các khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB…

25

CÁC LỚP KHÁC • • • • • • • • • • • • • • •

Silkscreen - In lụa Solder Mask - Mặt nạ hàn Mechanical Layer – Lớp cơ khí Keepout – Vùng bao ngoài Layer Alignment – Căn chỉnh lớp Netlists – Danh sách net Rats Nest – Dây nối thẳng Design Rule Checking - Kiểm tra quy tắc thiết kế Forward and Back Annotation - Lời chú giải trước và sau Thiết kế nhiều lớp Power Planes – Các mặt nguồn Các kỹ thuật thiết kế tần số cao Bố trí linh kiện hai mặt Auto Routing – Đi dây tự động Auto Placement - Sắp xếp tự động Các khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB…

26

Silkscreen - In lụa •

•

Lớp “silkscreen” gọi là “component overlay” (phủ linh kiện) hoặc “component layer” (lớp linh kiện). Đó là lớp trên cùng của bảng mạch (và là mặt đáy nếu yêu cầu) bao gồm các phác thảo linh kiện và các dòng chữ chú thích. Thực hiện – Lớp này được thêm vào bảng mạch bằng cách sử dụng một quá trình silkscreening. – Màu trắng được chọn làm màu chuẩn, nhưng các màu khác cũng có thể dùng nếu cần thiết, hay kết hợp hài hòa các màu trên bảng mạch của bạn, nhưng thường làm giá bảng mạch tăng lên. – Giữ cho tất cả các chú thích linh kiện có cùng cỡ chữ và cùng hướng. – Thêm các overlay của linh kiện phải phù hợp với kích thước của các linh kiện trên thực tế. Điều này cho phép xác định giới hạn vị trí thực tế của các linh kiện. Chắc chắn rằng tất cả các các linh kiện phân cực đều đã được đánh dấu, và như thế xác định được chân 1. – Lớp silkscreen được căn chỉnh ít chính xác nhất trong tất cả các lớp, vì vậy đừng dựa vào lớp này để xác định vị trí chính xác. Phải đảm bảo là không có bộ phận nào của silkscreen chồng chéo lên một pad. Không có hạn chế độ rộng của các đường kẻ trên overlay linh kiện, do đó có thể tự do sử dụng các cỡ chữ và đường kẻ nhỏ hơn để thực hiện. Nếu các phần chữ hay các đường kẻ không chính xác về vị trí thì cũng không ảnh hưởng nhiều đến thiết kế của bạn, không giống như các track và các pad. – Thường không đưa giá trị mà chỉ đưa tên linh kiện vào silkscreen.


27

Solder Mask - Mặt nạ hàn •

•

• •

Mặt nạ solder là một lớp polime mỏng phủ trên bảng mạch, bao quanh các pad giúp ngăn cách các mối hàn từ các mối nối giữa các chân. Mặt nạ solder cần thiết cho các linh kiện hàn dán và bước nhỏ (pitch – bước: được hiểu như là khoảng cách chân). Mặt nạ solder được hiển thị trên chương trình PCB như một ảnh âm cực. Trong các trường hợp thông thường bạn không cần đặt bất cứ thứ gì lên lớp mặt nạ solder. Nhưng nếu muốn xóa mặt nạ solder khỏi một phần mạch, bạn có thể đặt các track lên trên lớp mặt nạ solder. Có thể chọn các mặt nạ solder với màu khác nhau, nhưng màu chuẩn là xanh lá cây. Các via có thể được che bởi mặt nạ solder nếu muốn, giống như việc dựng lều. Điều này thường có ích cho các thiết kế dung sai nhỏ, để ngăn mối hàn chảy vào các via.


28

•

•

•

Mechanical Layer – Lớp cơ khí: Lớp cơ khí được sử dụng để cung cấp phác thảo bảng mạch và các hướng dẫn chế tạo khác. Lớp này không phải là một phần của thiết kế PCB thực tế, nhưng nó rất có ích để cho nhà sản xuất PCB biết cách mà bạn muốn lắp ráp bảng mạch. Keepout – Vùng bao ngoài: Lớp keepout được định nghĩa là các vùng trên bảng mạch mà bạn không muốn đi dây ở đó. Ví dụ, nó có thể bao gồm các vùng trống xung quanh các pad hole hoặc các linh kiện điện áp cao. Layer Alignment – Căn chỉnh lớp: Khi nhà sản xuất PCB làm bảng mạch của bạn, sẽ có dung sai căn chỉnh trên film minh hoạ cho mỗi lớp. Nó bao gồm track, plane, silkscreen, mặt nạ solder, và việc khoan lỗ. Nếu bạn không cho phép dung sai trong thiết kế hoặc làm dung sai quá nhỏ, bạn sẽ gặp phải khó khăn lớn. Tốt nhất hãy tham khảo ý kiến của nhà sản xuất về dung sai căn chỉnh mà họ có thể thực hiện, từ đó sẽ biết dung sai căn chỉnh bạn phải thực hiện là bao nhiêu! Các khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB…

29

Netlists – Danh sách net •

Một netlist là một danh sách các kết nối (“các net”) tương ứng với mạch nguyên lý. Nó cũng bao gồm danh sách các linh kiện, tên linh kiện, các dạng chân linh kiện và thông tin khác có liên quan tới mạch nguyên lý. Tập tin netlist có thể được tạo ra bởi chương trình mạch nguyên lý. Việc tạo ra một netlist cũng được gọi là “schematic capture”

•

Chương trình PCB sau đó có thể nhập tập tin netlist và làm nhiều việc. Chương trình PCB có thể tự động tải tất cả các linh kiện cần thiết lên bảng mạch trống của bạn. Nó cũng có thể gán một tên “net” cho mỗi chân linh kiện. Với các net được gán cho các linh kiện, chương trình PCB có thể thực hiện đi dây tự động, DRC, và hiển thị kết nối linh kiện.


30

Rats Nest – Dây nối thẳng Hiển thị rats nest là một cửa sổ trong đó chương trình sẽ vẽ một đường thẳng (không phải là một track) giữa các pad của các linh kiện được kết nối với nhau trên mạch nguyên lý. Thực tế, hiển thị rats nest chỉ ra kết nối trên mạch trước khi bạn bắt đầu đi dây các track. Khi bắt đầu đi dây bảng mạch, với tất cả các linh kiện được đặt một cách tuỳ ý, rats nest sẽ hiện ra giống như một mớ các đường dây chằng chịt phức tạp. Vì lý do đó nó có tên là rats nest Khi di chuyển mỗi linh kiện các đường dây sẽ tự động di chuyển với chúng. Nhờ đó bạn có thể thấy ngay các linh kiện được kết nối với chúng, mà không cần phải xem lại mạch nguyên lý và đối chiếu tên linh kiện.

Nhờ hiển thị rats nest bạn có thể đi dây gần như tất cả linh kiện một cách tối ưu, mà không phải đi dây từng track. Hiển thị rast nest sẽ chỉ cho bạn các track kết nối với các linh kiện nào. Các đường rats nest sẽ mất đi khi bạn đi dây track giữa các linh kiện, vì vậy thiết kế sẽ giảm bớt sự phức tạp, rắc rối khi bạn tiếp tục công việc. Khi tất cả các đường dây rats nest biến mất, bảng mạch củaniệm bạn cơ đã bản được đi dây đầy Các khái trong thiết kế đủ. PCB… 31

Kiểm tra quy tắc thiết kế •

• • • • •

Design Rule Checking (DRC) cho phép tự động kiểm tra các liên kết, khoảng hở, và các lỗi sản xuất khác trên thiết kế PCB . Với các PCB lớn và phức tạp được thiết kế ngày nay, việc kiểm tra một thiết kế PCB bằng tay là không thực tế. Đó là lý do tại sao xuất hiện DRC, nó là một bước tuyệt đối cần thiết trong thiết kế PCB chuyên nghiệp. Bạn có thể sử dụng DRC để kiểm tra: Kết nối mạch: Kiểm tra xem tất cả track trên bảng mạch của bạn có khớp với kết nối trong mạch nguyên lý của bạn không. Khoảng hở điện: Bạn có thể kiểm tra khoảng hở giữa các track, các pad và các linh kiện. Các dung sai sản xuất như tỷ lệ min/max về các kích cỡ hole, các độ rộng track, các độ rộng via, các kích cỡ vòng, và mạch ngắn. Một DRC hoàn chỉnh thường được thực hiện sau khi hoàn thành PCB. Tuy nhiên một số chương trình có thể thực hiện kiểm tra DRC “thời gian thực” (hay “trực tiếp”) khi bạn tạo bảng mạch. Ví dụ, chương trình không cho phép kết nối một track tới một pad mà track đó không được nối tới, hoặc phạm một lỗi về khoảng hở giữa track và pad. Nếu chương trình có khả năng DRC thời gian thực, hãy sử dụng nó, vì nó là một công cụ vô giá. Các khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB…

32

Lời chú giải trước và sau •

•

Lời chú thích trước là khi bạn thực hiện các thay đổi để đi dây PCB hiện tại thông qua trình xây dựng mạch nguyên lý. Chương trình sẽ thực hiện netlist sơ đồ nguyên lý và các tên linh kiện của bạn, và nhập chúng vào trong thiết kế PCB, và thực hiện các thay đổi tương đương bất kỳ. Một vài chương trình cũng sẽ tự động xoá bỏ các track PCB cũ mà không được kết nối nữa. Bạn có thể thực hiện điều này bất cứ lúc nào trong khi đi dây PCB. Nếu bạn cập nhật sơ đồ nguyên lý mới, thì bạn phải chú thích trước vào thiết kế PCB của bạn. Bạn có thể thực hiện các chỉnh sửa bằng tay, nhưng sự chú thích trước tự động thực hiện quá trình này. Chú thích sau là khi bạn thay đổi tên linh kiện (ví dụ: “C1” thành “C2”) trên PCB của bạn và sau đó cập nhật tự động thông tin này trong sơ đồ nguyên lý. Nhiều chức năng chú thích sau tiến bộ cho phép bạn thay đổi các cổng trên chip, và thực hiện các thay đổi về điện khác. Thực tế không cần sử dụng chú thích sau nhiều.


33

Thiết kế nhiều lớp •

•

Một PCB nhiều lớp đắt hơn và khó chế tạo hơn rất nhiều so với các bảng mạch một hoặc hai mặt, nhưng nó cho phép đi dây các track nguồn và track tín hiệu với một mật độ lớn. Các tín hiệu chạy bên trong bảng mạch nên có thể sắp xếp các linh kiện trên bảng mạch gần nhau hơn => thiết kế gọn hơn. Số lớp trong các bảng mạch thường chẵn, phổ biến là 4, 6, và 8 lớp.


34

Các kỹ thuật thiết kế tần số cao •

•

•

• •

Khi thiết kế tần số cao cần xem xét ảnh hưởng của cảm kháng, dung kháng và trở kháng của việc bố trí PCB. Nếu tín hiệu quá nhanh và track quá dài, thì track có thể ảnh hưởng đến đặc tính của đường truyền. Nếu không sử dụng đúng kỹ thuật đường truyền theo tiêu chuẩn thì bạn sẽ gặp sự cố với nhiễu của các tín hiệu khác. Track “độ dài giới hạn” là một track trong đó thời gian truyền của tín hiệu bắt đầu dần đạt đến chiều dài của track. Trên các bảng mạch đồng FR4 tiêu chuẩn, một tín hiệu sẽ di chuyển khoảng 6 inches/ns. Trong thiết kế tốc độ cao, mặt đất là cơ sở cho việc bảo vệ tính toàn vẹn của các tín hiệu, và cũng giảm các phát xạ EMI. Nó cho phép tạo ra các dây “trở kháng được điều khiển”, nhờ việc ghép nguồn điện và tải. Nó cũng cho phép bạn giữ các tín hiệu được ghép “chặt” với đường hồi tiếp (đất) của chúng. Có nhiều cách để tạo các đường “truyền” trở kháng được điều khiển trên một PCB. Nhưng có hai cách cơ bản và phổ biến nhất được gọi là Microstrip và Stripline. Một Microstrip đơn giản là một dây ở lớp trên, với một mặt nguồn bên dưới. Tính toán liên quan để tìm kiếm trở kháng đặc trưng của một Microstrip là tương đối phức tạp. Nó được dựa trên độ rộng và độ dày của dây, chiều cao so với mặt đất, và hằng số điện môi tương đối của vật liệu PCB. Điều này giải thích tại sao giữ mặt đất gần mặt lớp trên cùng lại quan trọng như vậy. Các khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB…

35

Các kỹ thuật thiết kế tần số cao (tiếp) •

• •

Một Stripline tương tự với Microstrip, nhưng nó có một mặt đất thêm vào ở phần trên của dây. Vì vậy trong trường hợp này, dây sẽ phải ở một trong các lớp bên trong. Cải tiến của stripline trên microstrip là hầu hết phát xạ EMI sẽ được chứa cùng các mặt đất. Có nhiều chương trình và các bảng tính miễn phí sẽ tính toán tất cả các sự biến thiên của Microstrip và Stripline. Một vài thông tin hữu dụng và các quy tắc chính cho thiết kế tần số cao là: – –

– –

– – – –

Giữ các dây tín hiệu tần số cao càng ngắn càng tốt. Tránh chạy các dây tín hiệu tần số cao chuẩn trên bất kỳ vết cắt nào trong mặt đất. Điều này gây ra sự gián đoạn trong đường hồi tiếp tín hiệu, và có thể dẫn tới các vấn đề EMI. Tránh các vết cắt trong mặt đất ở nơi nào có thể. Một vết cắt khác với một mặt tách, nó là tốt và được cung cấp để bạn giữ các dây tín hiệu tần số cao trên mặt liên tục có liên quan. Có một tụ tách riêng ra trên mỗi chân nguồn. Nếu có thể, dây từ chân nguồn IC tới tụ tròn đầu tiên, và sau đó tới mặt nguồn. Điều này sẽ giảm nhiễu chuyển mạch trên mặt nguồn của bạn. Với các thiết kế tần số rất cao, đặt chân nguồn trực tiếp tới mặt nguồn cung cấp trở kháng thấp hơn, có thể thu được nhiễu thấp hơn trên mặt của bạn. Các via sẽ gây ra các sự gián đoạn trong trở kháng đặc trưng của một đường truyền. Để cực tiểu xuyên âm giữa hai dây trên một mặt đất, phải cực tiểu hoá khoảng cách giữa mặt và dây, và cực đại hoá khoảng cách giữa các dây. Các via đường kính nhỏ có độ tự cảm ký sinh thấp hơn, và được ưu tiên cao hơn trong tần số bạn có. Không kết nối connector đầu vào nguồn chính trực tiếp tới các mặt nguồn, thực hiện kết nối thông qua các tụ lọc chính.


36

Bố trí linh kiện hai mặt •

•

Bố trí các linh kiện trong cả hai mặt của một PCB có thể có nhiều lợi ích. Thực tế, nó là một lựa chọn cần thiết và phổ biến khi đi dây trên một bảng mạch. Có hai hệ số điều khiển để quyết định thực hiện bố trí hai mặt. Lý do đầu tiên là kích thước bảng mạch. Nếu bạn yêu cầu một kích thước mạch cụ thể, và tất cả các linh kiện của bạn không vừa trên một mặt, khi đó cần bố trí linh kiện trên hai mặt bảng mạch. Lý do thứ hai là nó thỏa mãn được các yêu cầu về điện. Với nhiều linh kiện hàn dán tốc độ cao đặt trên một bảng mạch, không có khoảng trống cho nhiều tụ tròn được yêu cầu, hoặc chúng không thể được đặt quá gần nhau. Các thiết bị BGA là một linh kiện mà thu được từ việc có các tụ tròn ở mặt dưới của bảng mạch. Thông thường để tìm thấy các bảng mạch bố trí hai mặt với các tụ tròn được dán trên mặt ngược. Điều này cho phép các tụ tròn đặt gần với chân nguồn thiết bị vật lý.


37

THIẾT KẾ CHO VIỆC CHẾ TẠO • • • • • • • • • •

Panelisation – Panel hoá Tooling Strips – Các đối tượng gia công Những điểm chuẩn Tản nhiệt Hàn mạch Chế tạo PCB cơ bản Các hoàn thiện bề mặt Kiểm tra điện Chữ ký Trình bày thiết kế của bạn với nhà sản xuất


38

Panelisation – Panel hoá •

•

• •

Nếu bạn đang xem bảng mạch được sắp xếp một cách tự động với một máy lựa chọn và sắp đặt, thì nó cho phép đặt nhiều bảng mạch trên một “panel” như bạn cần. Một panel đơn giản là một PCB rộng chứa nhiều bản copy bảng mạch của bạn. Mỗi lần thực hiện đặt một bản mạch vào một vị trí trên một máy lựa chọn và sắp đặt, vì vậy nhiều bảng mạch bạn có thể bố trí một lần, mang lại hiệu quả chi phí trong việc sản xuất. Một panel cũng sẽ chứa tooling strips tại mặt trên và mặt dưới, cho phép xử lý tự động panel. Những nhà sản xuất khác nhau có thể tạo ra các kích thước panel cực đại khác nhau. Mỗi bảng mạch riêng lẻ có thể được đi dây ở bên riêng và được nhập vào với các đường ngăn cách. Bạn cần phải tham khảo bố trí bảng mạch để quyết định các yêu cầu và kích thước panel tối ưu.


39

Các đối tượng gia công • Tooling Strips là các đường gia công phần trống ở mặt trên và dưới của bảng mạch. Nó bao gồm các lỗ gia công (Tooling holes), các điểm chuẩn (fiducial marks), và các thông tin sản xuất khác nếu cần. • Các lỗ gia công tiêu chuẩn là cần thiết cho việc điều khiển tự động hoá bảng mạch. 2.4mm và 3.2mm là 2 tiêu chuẩn các kích cỡ hole. Bốn lỗ gia công trên panel là đủ, mỗi góc một cái. • Các lỗ gia công kết nối tới bảng mạch bởi các dải ngăn cách hoặc các đường khía hình chữ V.


40

Những điểm chuẩn •

•

•

•

Điểm chuẩn là những phương tiện trợ giúp cho việc sắp đặt trực quan trên PCB. Chúng được sử dụng bởi các thiết bị lựa chọn và xác định vị trí tự động để canh lề cho bảng mạch và tìm các điểm tham khảo. Một camera trên máy có thể nhận dạng trung tâm của fiducial marks và sử dụng các điểm đó như một tham chiếu. Trên một panel có 3 điểm chuẩn, gọi là chuẩn toàn cầu. Các góc dưới trái/phải và đỉnh trái. Khoảng cách tối thiểu của nó tới các cạnh bảng mạch ít nhất là 5mm. Chúng có thể được đặt trên tooling strips. Điểm chuẩn nên là một pad tròn trên lớp đồng với đường kính tiêu chuẩn 1.5mm. Điểm chuẩn không bị che bởi mặt nạ hợp kim, và mặt nạ bao quanh cách điểm chuẩn ít nhất 3mm. Pad có thể có vỏ bọc hoặc không có vỏ bọc giống như pad bình thường. Hai chuẩn khu vực (một trong các góc đối diện) được yêu cầu tiếp theo mỗi gói thiết bị hàn dán trên bảng mạch.


41

Tản nhiệt • Nếu bạn kết nối trực tiếp một pad phủ bề mặt với một bề mặt phủ đồng, thì bề mặt đồng đó sẽ có tác dụng như một tấm tản nhiệt hiệu quả. Nó sẽ dẫn nhiệt từ pad của bạn khi hàn. Nó có thể làm khô các mối nối và các vấn đề liên quan đến việc hàn. Trong các trường hợp này, một kết nối tản nhiệt bao gồn một số (thường là 4) các track nhỏ hơn nối pad đến mặt đồng. Việc sử dụng tản nhiệt có thể tự động tạo ra trong nhiều chương trình.


42

Hàn mạch Có 3 kỹ thuật hàn cơ bản: - hand, - wave, - reflow. Hàn nóng chảy SMD

Hàn sóng SMD

Hàn sóng xuyên lỗ


43

Kiểm tra điện • Kiểm tra điện: Có thể kiểm tra PCB đã hoàn thành về sự liên tục và ngắn dòng trong thời gian sản xuất. Nó kiểm tra sự liên tục của các track phù hợp với file PCB. Nó có thể tốn thêm chút chi phí, nhưng là rất cần thiết đối với các bảng mạch nhiều lớp. Nếu bạn có một lỗi chế tạo ở những lớp bên trong, thì rất khó sửa.

• Chữ ký: Giống như bất kỳ hoạt động nghệ thuật nào, bảng mạch hoàn thành luôn có tên hoặc chữ ký của bạn trên đó!


44

Cac Khai Niem Co Ban Trong Thiet Ke PCB

Recommend Documents