codientu org khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB

Đây là tài liệu cơ bản về điện và điện tử. Sau khi độc giả đọc song tài liệu này sẽ có những kiến thức cơ bản về cơ điện tử và có thể thực hành lắp được các linh kiện điện tử cơ bản trong cuộc sống thường ngày. Chúc các bạn thành công.

Những khái niệm cơ bản

về thiết kế PCB

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1

Các khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB… 2

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.

Hoàn thiện

Cần chỉnh sửa

Quy trình thiết kế mạch điện tử

Các khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB… 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 kếPCB 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 đềphòng 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… 6

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

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 lỗxuyên 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 lềcác dây, các linh kiện và các khối linh kiện trở nên dễ dàng hơnkhi kích thước và độ phức tạp của việc đi dây tăng

Các khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB… 8

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 khicần 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.

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.

Các khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB… 10

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.

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

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 khoảngtrống

• 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… 12

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.

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 bộthiết 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, phổbiến là 0.5-0.7mm

– Sử dụng một via để kết nối hai lớp thường được gọi là “mũi khâu”, giốngnhư bạn khâu cả hai lớp lại với nhau một cách hiệu quả, như một kimxâu chỉ xuyên qua xuyên lại một vật liệu

Các khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB… 14

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.

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

Các khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB… 16

Clearances - Khoảng hở

THIẾT KẾ VÀ SẮP ĐẶT LINH KIỆN

• Routing cơ bản

• Hoàn thành các chi tiết

• Thiết kế một mặt

• Thiết kế hai mặt

Các khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB… 18

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

– 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.

Routing cơ bản (tiếp)

• Cho hiện grid điện bởi nó được dùng để tham khảo như một chức năng “cănchỉnh vào giữa” hoặc “căn chỉnh gần nhất”

• Luôn giữ cho track ở chính giữa pad, đừng bao giờ để cho track và pad củabạn 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

Các khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB… 20

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.

Routing cơ bản (tiếp)

Đi dây tốt Đi dây xấu

Đi dây nguồn tốt Đi dây nguồn xấu

Các khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB… 22

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 vátcho các chỗ nối hình chữ “T”, như vậy sẽ loại được các góc 90 độ Nó làmcho 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 vòngđệm và đinh vít

• Tối thiểu hoá số các kích cỡ hole Với nhiều kích thước lỗ thì bạn phải trảnhiều 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 khácnhau mà bạn có Nó làm mất thời gian trong việc khoan tốc độ cao, thay đổimột số mũi khoan, và sau đó khoan lại

• Kiểm tra hai lần để hiệu chỉnh các kích cỡ hole trên toàn bộ linh kiện

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 rangoài pad

• Kiểm tra khoảng cách vật lý thích hợp giữa tất cả các linh kiện Cẩn thận vềcác linh kiện với các chỗ hở kim loại có thể tạo tiếp xúc điện với các linhkiện 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” trongbảng mạch của bạn, và sẽ lộ ra các track bị lệch hay kết thúc không ở đúngchính 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… 24

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.