Bài giảng Những khái niệm cơ bảnvề thiết kế PCB

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 15 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 16 Clearances - Khoảng hở Các khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB 17 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 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. Các khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB 19 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 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. Các khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB 21 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 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. Các khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB 23 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 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. Các khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB 25 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 26 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 27 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. Các khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB 28 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. Các khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB 29 • 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 30 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. Các khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB 31 Rats Nest – Dây nối thẳng 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 của bạn đã được đi dây đầy đủ. 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 Các khái niệm cơ bản trong thiết kế PCB 32 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 l