Thiết kế cho Việc Chế Tạo Mẫu Thủ Công và Gỡ Bỏ Ràng Buộc của Bạn

Thuật ngữ "chế tạo mẫu thủ công" có thể được hiểu theo vài nghĩa khác nhau. Nó có thể ám chỉ việc tự sản xuất và lắp ráp một PCB tại nhà, ghép các mô-đun lại với nhau thành một hệ thống nhỏ, hoặc chỉ đơn giản là lắp ráp thủ công một mẫu thử đơn giản. Nếu bạn đang xây dựng một trong những thiết kế đầu tiên của mình, có khả năng bạn sẽ muốn thực hiện quá trình lắp ráp bằng tay. Thậm chí, một số nhà thiết kế mới bắt đầu còn muốn khắc bản mạch của họ tại nhà bằng dung dịch ferric chloride.

Thông thường, quyết định thực hiện chế tạo mẫu thủ công cho một PCB phụ thuộc vào chi phí. Quả thật, tự làm mọi thứ giúp giảm chi phí về mặt tiền bạc, nhưng đòi hỏi thời gian và công sức để lắp ráp một cách chính xác. Dù bạn chọn làm gì với các mẫu thử của mình, có một số bước đơn giản để đảm bảo bạn nhận được lợi ích lớn nhất từ thời gian bạn dành để tự tay xây dựng các mẫu thử của mình.

Mẹo Hữu Ích Khi Thiết Kế cho Chế Tạo Mẫu Thủ Công

Những mẹo dưới đây nên giúp đảm bảo thiết kế mẫu thử của bạn có thể được lắp ráp và cấu hình dễ dàng sau khi bạn đã đặt tất cả các linh kiện.

1. Sử Dụng Thiết Bị Đúng Đắn

Đầu tiên và quan trọng nhất, bạn cần có đúng thiết bị nếu muốn hàn thủ công bất cứ thứ gì vào PCB nguyên mẫu của mình. Lắp ráp thủ công bằng mỏ hàn hoặc súng hơi nóng đều là những lựa chọn phù hợp, hoặc bạn có thể theo cách của Mark Harris và xây dựng lò hồi lưu của riêng mình. Dưới đây là một danh sách mua sắm ngắn gọn:

• Trạm hàn thủ công với nhiều đầu mỏ hàn (như JBC hoặc Weller)
• Súng hơi nóng cho SMT hoặc sửa chữa
• Dây hàn và kem hàn
• Chất lưu hàn, có thể phân tán trong ống tiêm hoặc bút
• Dây hút hàn cho việc sửa chữa
• Chất tẩy rửa (cồn)
• Một bộ kẹp nhỏ tốt cho các linh kiện SMD nhỏ

Đây không phải là danh sách đầy đủ những gì bạn cần trong phòng thí nghiệm của mình, nhưng đó là những gì bạn cần để bắt đầu lắp ráp thủ công các bảng mạch của mình.

2. Sử dụng Kích Thước Linh Kiện SMD Phù Hợp cho Các Linh Kiện Bị Động

Nhiều mẫu thử thủ công chỉ sử dụng linh kiện thông qua lỗ vì chúng dễ dàng xử lý và lắp ráp bằng tay. Tuy nhiên, nếu bạn muốn làm bất cứ điều gì với các thành phần kỹ thuật số hiện đại hơn, bạn phải sử dụng linh kiện SMD vì đây là tiêu chuẩn đóng gói cho các thiết bị tiên tiến hơn. Bạn cũng sẽ tìm thấy nhiều kết nối, linh kiện bị động và thành phần nguồn điện có sẵn dưới dạng linh kiện SMD.

Đối với các linh kiện bị động, linh kiện bị động SMD có sẵn ở nhiều kích cỡ, với kích thước nhỏ nhất là 0201 (20 mil x 10 mil) và lớn nhất là 2512. Linh kiện bị động 0201 rất khó hàn thủ công, và đừng ngạc nhiên nếu bạn vô tình làm mất một số linh kiện này sau bàn làm việc trong phòng thí nghiệm của mình. Ngoài ra, các linh kiện SMD nhỏ cũng rất dễ bị lẫn lộn; đừng ngạc nhiên nếu bạn vô tình hoán đổi các điện trở chip SMD có cùng kích thước vỏ nhưng giá trị điện trở khác nhau.

Đừng chọn kích thước quá nhỏ.

Tôi nghĩ rằng việc dành thời gian để xem xét kích cỡ linh kiện SMD nào bạn cảm thấy thoải mái khi đặt và hàn bằng tay là điều đáng giá. Khi các linh kiện SMD của bạn càng nhỏ, bạn sẽ không còn có thể sử dụng mỏ hàn để hàn chúng một cách đơn giản vì chúng quá nhỏ; bạn sẽ hợp lý hơn khi sử dụng hơi nóng. Nếu bạn buộc phải sử dụng mỏ hàn, thì việc làm cho các pad SMD của bạn dài hơn để bạn có thể chạm tới chúng với dây hàn và mỏ hàn là một ý tưởng tốt.

3. Tránh Gói BGA (Ball Grid Array), Nếu Có Thể

Hàn các linh kiện có khoảng cách chân nhỏ như QFPs hoặc TSOPs có thể khó khăn, nhưng chắc chắn là khả thi với mỏ hàn, và dễ dàng hơn nhiều với hơi nóng hoặc một lò nhỏ/tấm nóng. Gói BGA không thể được hàn bằng mỏ hàn đơn giản vì bạn sẽ không có cách nào để tiếp cận tất cả các pad phía dưới linh kiện. Thay vào đó, bạn sẽ phải sử dụng hơi nóng cho những linh kiện này.

Vấn đề khác với BGA trong chế tạo mẫu thủ công là việc kiểm tra. Các thành phần này thường được kiểm tra bằng hệ thống kiểm tra X-ray vì điều này cho phép hình ảnh hóa trực tiếp các viên bi bên dưới gói BGA. Nếu có vấn đề nào đó xảy ra với mẫu, sẽ khó khăn hơn để chẩn đoán liệu vấn đề là do lỗi lắp ráp hay do một số vấn đề khác trong hệ thống.

Gói BGA - không phải là lựa chọn thân thiện nhất cho việc chế tạo mẫu thủ công.

Tuy nhiên, bạn vẫn có thể kiểm tra các kết nối BGA từ mặt sau của bảng mạch miễn là bạn sử dụng lỗ thông hơi cho việc phân phối BGA. Hãy chắc chắn bạn không che lớp sau nếu bạn muốn truy cập vào các kết nối BGA bằng đầu dò đa kế như một phần của việc kiểm tra của bạn. Đây là một cách bạn có thể kiểm tra xem có chân cầu nối không mong muốn trong BGA của bạn hay không, mặc dù điều này sẽ mất nhiều thời gian do số lượng kết nối cao thường thấy trên BGA. Vì những lý do này, có thể tốt nhất là tránh sử dụng BGA trên bảng mạch mẫu của bạn và chọn một gói có chân dẫn khác như QFP.

4. Sử dụng Các Phương Tiện Giảm Nhiệt

Sẽ có những pad mà bạn cố gắng áp dụng hàn và tạo một mối nối với một chiếc bàn là hoặc súng nhiệt. Vấn đề là bảng mạch có thể không có nhiệt độ đồng đều trên toàn bộ bảng, và nhiệt độ sẽ rời khỏi các pad nếu chúng được kết nối với một mặt phẳng hoặc khu vực đổ đồng lớn. Kết quả là chiếc bàn là hoặc súng nhiệt có thể cần phải được đưa lên một nhiệt độ rất cao chỉ để hàn một pad duy nhất, và điều này sẽ làm tăng nguy cơ hỏng bảng mạch hoặc linh kiện.

Nếu bạn không có một bếp nóng tốt cho việc hàn hoặc một lò nướng, điều này có thể được ngăn chặn thông qua việc sử dụng giải pháp giảm nhiệt. Đặt giải pháp giảm nhiệt trên một số pad sẽ giúp ngăn chặn sự di chuyển nhiệt vào các khu vực đồng lớn, vì vậy bạn sẽ có thể dễ dàng hình thành một mối hàn trên linh kiện ở nhiệt độ áp dụng thấp hơn.

5. Sử dụng Testpoints, Jumpers và Cầu Hàn

Mục đích của nhiều mẫu thử là để kiểm tra càng nhiều chức năng của bảng mạch của bạn càng tốt. Điều này có nghĩa là bạn sẽ muốn làm cho một số phần của bố trí PCB của mình có thể cấu hình được. Một cách để làm điều này là sử dụng các điểm kiểm tra, cầu hàn, và jumper. Những thành phần này cho phép bạn tạo hoặc ngắt kết nối, đo các giá trị điện, thực hiện các phép đo, và thậm chí đo các tín hiệu với một máy hiện sóng. Với một cầu hàn có kích thước phù hợp trong bố trí PCB, bạn thậm chí có thể hàn các linh kiện chip SMD nhỏ vào các đường tín hiệu khi cần thiết.

6. Đưa các I/O dư ra Pin Header

Một phần khác của việc xây dựng một mẫu thử nghiệm là tạo kết nối với các hệ thống khác, hoặc truy cập vào I/O để kết nối với các sản phẩm phát triển khác. Đó là lý do tại sao việc đưa tất cả các I/O phụ của bạn ra các đầu nối pin là một ý tưởng tốt. Với khả năng truy cập vào I/O của bạn tới các đầu nối pin, bạn có thể thực hiện việc tạo mẫu thử nghiệm dựa trên ứng dụng cũng như tạo mẫu thử nghiệm dựa trên bảng mạch. Bạn cũng có thể kết nối với các thành phần bên ngoài như cảm biến, động cơ nhỏ, LED, nút bấm, mô-đun lập trình, hoặc bất cứ thứ gì bạn có thể nghĩ đến. Những cái này thường là I/O tốc độ thấp, vì vậy bạn có thể sử dụng một đầu nối pin thông qua lỗ đơn giản để tạo các kết nối này. Tôi khuyên bạn nên đặt một điện trở SMD 22 Ohm trên các dòng I/O đến gần đầu nối pin để làm chậm các tín hiệu này một chút vì điều này sẽ giảm EMI.

Khi bạn cần phần mềm thiết kế PCB có khả năng thu nhỏ đến các kích thước tính năng nhỏ và giúp bạn chuẩn bị một bảng mạch mẫu thử nghiệm chất lượng cao cho việc lắp ráp thủ công, hãy sử dụng bộ tính năng CAD hoàn chỉnh trong Altium Designer^®. Khi bạn hoàn thành thiết kế và muốn gửi các tệp cho nhà sản xuất của mình, nền tảng Altium 365^™ giúp việc hợp tác và chia sẻ các dự án của bạn trở nên dễ dàng.

Chúng tôi mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện được với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.