DFM trong Bố trí PCB của bạn

Xây dựng một bảng mạch in (PCB) có nghĩa là tuân thủ quy trình sản xuất cho cấu trúc lớp và lựa chọn vật liệu của bạn. Tại một thời điểm nào đó, bạn sẽ phải thiết kế các kết nối trên PCB của mình, và ngay cả những kết nối này cũng có những yêu cầu cụ thể nhằm đảm bảo khả năng sản xuất. Trong phần này của khóa học nhanh về DFM (Design for Manufacturability - Thiết kế cho khả năng sản xuất), chúng ta sẽ xem xét một số ràng buộc DFM cơ bản đối với các yếu tố dẫn điện trong PCB, cũng như việc phát triển các lớp mặt nạ hàn/silkscreen bề mặt cho DFA (Design for Assembly - Thiết kế cho lắp ráp).

DFM thành công trong bố cục PCB bắt đầu bằng việc thiết lập các quy tắc thiết kế của bạn để tính đến các ràng buộc DFM quan trọng. Các quy tắc DFM được hiển thị dưới đây phản ánh một số khả năng thiết kế hiện đại mà người ta có thể tìm thấy ở hầu hết các nhà sản xuất. Hãy chắc chắn rằng các giới hạn bạn thiết lập trong quy tắc thiết kế PCB của mình không vi phạm những giới hạn này để bạn có thể đảm bảo tuân thủ hầu hết các giới hạn thiết kế tiêu chuẩn.

Chiến lược Bố cục PCB của Bạn

Sau khi bạn đã hoàn thiện việc lựa chọn vật liệu, đã đến lúc để đào sâu vào các chi tiết cụ thể của bố cục PCB của bạn. Mặc dù quy trình làm việc kỹ thuật của từng nhà thiết kế có thể khác nhau, nhưng có một số yếu tố thiết kế chính cần được xem xét kỹ lưỡng theo yêu cầu DFM chính xác để coi một bảng mạch sẵn sàng 100% cho việc sản xuất. Trong các phần tiếp theo, bạn sẽ học được các chi tiết cụ thể trong việc lên kế hoạch cho bố cục PCB của mình bao gồm thông số kỹ thuật SMT và through-hole, tài liệu silkscreen, ứng dụng mặt nạ hàn, và nhiều hơn nữa.

Yêu cầu về Kích thước và Khoảng Cách Via

Những nhà thiết kế chuyên nghiệp sử dụng PCB đa lớp với việc định tuyến trên hai lớp, điều này đòi hỏi phải sử dụng vias. Vias là một phần quan trọng của mọi thiết kế PCB và chịu trách nhiệm truyền dẫn dòng điện giữa các lớp. Khi thiết kế vias có lỗ thông hồi, nên duy trì tỷ lệ khía cạnh 8:1 giữa đường kính lỗ và chiều dài via. Bảng dưới đây hiển thị một bộ kích thước khoan tiêu chuẩn (tính bằng mils):

Các via tiêu chuẩn nên duy trì khoảng cách tối thiểu từ các dẫn kế cận. Khoảng cách này sẽ phụ thuộc vào khả năng xử lý cụ thể của nhà sản xuất, cũng như nhu cầu về khoảng cách cụ thể đối với một số loại PCB (như các bảng mạch điện áp cao). Có một khoảng cách giữa các via sẽ giới hạn mật độ via được phép, với khoảng cách tường lỗ khoan đến tường lỗ khoan điển hình có thể lớn đến 10 mils. Những yêu cầu này sẽ hạn chế mật độ kết nối có thể được định tuyến giữa các lớp cũng như mật độ của việc khâu các via khi kết nối các mặt phẳng hoặc đa giác với nhau.

Qua lỗ hay SMD?

Việc lựa chọn linh kiện thông qua lỗ (through-hole) hoặc thiết bị gắn mặt (SMD) sẽ có ảnh hưởng trực tiếp đến tổng chi phí và thời gian sản xuất của bạn. Được khuyến nghị sử dụng SMD cho các thiết kế bảng mạch hiện đại vì điều này dẫn đến việc lắp ráp bảng mạch nhanh hơn và độ tin cậy cao hơn. Hầu hết các linh kiện cần thiết cho một thiết kế hiện đại đều được sản xuất dưới dạng linh kiện SMD. Một số ngoại lệ bao gồm các loại kết nối, thường có sẵn dưới dạng linh kiện SMD hoặc through-hole. Để giữ chi phí sản xuất thấp trong một thiết kế và đảm bảo số lần hàn tối thiểu cần thiết, việc chỉ có sắp xếp linh kiện trên một lớp là mong muốn, ngay cả trong trường hợp cả hai loại linh kiện được trộn lẫn trong cùng một loại thiết kế.

Vòng Annular

Vòng annular thường được định nghĩa là sự khác biệt giữa đường kính pad mong muốn và đường kính lỗ khoan tương ứng, mặc dù điều này không hoàn toàn chính xác. Định nghĩa cổ điển mà tôi vừa nêu đề cập đến pad hạ cánh trên một via. Thực tế là vòng annular khá khác biệt so với kích thước pad hạ cánh của via; nó đề cập đến vòng đồng còn lại xung quanh một lỗ khoan sau khi lỗ được khoan, ăn mòn và mạ đồng. Mũi khoan không luôn luôn đánh trúng chính giữa pad do sự lệch hướng trong quá trình sản xuất. Kết quả là mũi khoan có thể hơi lệch trung tâm và sẽ để lại một số đồng xung quanh lỗ via.Từ hình ảnh trên, chúng ta có thể thấy rằng chiều rộng vòng tròn ngoại vi cho một via được chế tạo hoàn hảo sẽ tuân theo công thức sau:

Từ hình ảnh trên, ta có thể thấy chiều rộng vành khuyên cho một đường tròn được làm hoàn hảo sẽ tuân theo công thức sau:

Chiều Rộng Vòng Tròn Ngoại Vi = (Đường kính của pad – Đường kính của lỗ) / 2

Để đảm bảo bo mạch tuân thủ tiêu chuẩn độ tin cậy của IPC, Đường kính của pad nên lớn hơn đường kính lỗ khoan via 8 mils (Lớp IPC 2) hoặc 10 mils (Lớp IPC 3). Đây là giới hạn thận trọng sẽ đảm bảo luôn có một số vòng tròn ngoại vi xung quanh via đã hoàn thiện.

• Tìm hiểu thêm về thiết kế via đáng tin cậy cao trong bố cục PCB của bạn.

Tỉ Lệ Khía Cạnh Via

Tỉ lệ khía cạnh của một via là tỉ lệ giữa độ sâu của via và đường kính của lỗ khoan (sau khi áp dụng mạ). Tỉ lệ khía cạnh của vias nên được giữ ở mức đủ thấp để đảm bảo việc sản xuất các cấu trúc này với hiệu suất cao. Đối với các thiết kế tiên tiến hơn, như PCB HDI sử dụng microvias, giới hạn tỉ lệ khía cạnh có thể rất nhỏ, đạt 1:1 hoặc nhỏ hơn. Hãy chắc chắn kiểm tra khả năng của nhà sản xuất trước khi bạn bắt đầu thêm vias vào bố cục PCB. Bạn có thể thiết lập giới hạn về kích thước via trong quy tắc thiết kế PCB của mình.

Via-in-Pad và Micro Vias

Khi mật độ kết nối trở nên rất cao, như trong trường hợp của BGA với khoảng cách chân nhỏ, việc đặt via trực tiếp trên pad hạ cánh của linh kiện là khả thi. Thiết kế via-in-pad cho phép đặt các linh kiện gần nhau hơn vì vias không cần phải được đặt cách xa pad kết nối của chúng. Thiết kế via-in-pad đòi hỏi phải được lấp đầy bằng epoxy dẫn điện hoặc không dẫn điện, tiếp theo là việc đậy nắp và mạ để bảo vệ bên trong cấu trúc via.

Via-in-pad được sử dụng với vias xuyên lỗ trong trường hợp khoan cơ khí vẫn khả thi, giới hạn của nó có thể nhỏ đến 8 mils. Khi mật độ linh kiện cực kỳ cao, các kỹ thuật thiết kế HDI là cần thiết để tạo kết nối với các lớp bên trong. Đây là một chủ đề nâng cao hơn được thảo luận trong các eBooks khác của chúng tôi.

Vias Có Nên Được Che Phủ?

Một via được che phủ là via tiêu chuẩn có các lớp bề mặt được phủ bằng lớp chống hàn sao cho không có đồng nào được lộ ra. Thông thường, các via nhỏ (12 mils hoặc nhỏ hơn) được định nghĩa là được che phủ. Các via lớn hơn có thể yêu cầu được đậy nắp và lấp đầy trước khi chúng có thể được che phủ bằng lớp chống hàn. Có nhiều lý do để che phủ via, và việc che phủ chúng là một ý tưởng tốt khi chúng rất gần với các pad hạ cánh trên các thành phần SMD. Ví dụ dưới đây cho thấy một trường hợp cần áp dụng việc che phủ do khoảng cách giữa via và một nhóm pad hàn trên một thành phần SMD. Trong trường hợp này, nếu các via không được che phủ, có khả năng hàn sẽ thấm qua chúng vào mặt sau của bảng mạch, có thể gây ra một mạch ngắn.

Mặc dù có những lo ngại về việc lắp ráp, vẫn có lý do để để các via không được che phủ. Ví dụ, nếu một via cụ thể được mong muốn sử dụng làm điểm kiểm tra, thì nó cần phải có thể truy cập bằng một đầu dò, vì vậy lớp chống hàn sẽ cần phải được loại bỏ khỏi via đó. Việc kiểm tra sẽ được thảo luận nhiều hơn trong chương tiếp theo trong loạt bài này.

• Tìm hiểu thêm về việc che phủ via

Via Mù và Via Chôn

Tương tự như lỗ thông hồng, vias mù và/hoặc vias chôn (BBV) là những lỗ kết nối một hoặc nhiều lớp. Trong quá trình này, một via mù kết nối một lớp ngoài với một hoặc nhiều lớp trong nhưng không phải cả hai lớp ngoài, và một via chôn kết nối một hoặc nhiều lớp trong, nhưng không kết nối với lớp ngoài. Hình dưới đây cho thấy một ví dụ về mặt cắt của mạch in 6 lớp với vias mù và chôn:

Đừng chỉ giả định rằng nhà sản xuất của bạn sẽ có thể sản xuất mọi sự kết hợp có thể của vias mù và chôn. Vias mù và chôn được khoan bằng máy và khoan bằng laser phải được đặt vào các lớp cụ thể để đảm bảo quá trình sản xuất thành công, chúng không thể được đặt trên các cặp lớp tùy ý. Hãy chắc chắn bạn liên hệ với nhà sản xuất của mình trước và nhận được một số hướng dẫn về việc sử dụng vias mù và chôn trong bố cục PCB.

Thu hẹp Một Đường Dẫn

Trong một số trường hợp, cần phải thu hẹp một đường dẫn để có thể dẫn vào một bệ đỡ cho một linh kiện. Một đường dẫn thu hẹp (đôi khi được gọi là thu hẹp xuống) kết nối với một bệ đỡ và chạy ít nhất 0.010 inch ra khỏi bệ đỡ trước khi giãn ra đến chiều rộng lớn của đường dẫn.

Đối với các đường dẫn có trở kháng kiểm soát, như những gì cần thiết trong các thiết kế tốc độ cao, việc áp dụng thu hẹp thường là ý tưởng tồi vì điều này tạo ra sự lệch lạc trở kháng. Thay vào đó, hãy sử dụng các lớp mỏng hơn nếu bạn cần duy trì chiều rộng nhỏ hơn. Các thành phần cho những thiết kế này sẽ có xu hướng có các bản đệm hạ cánh nhỏ hơn dù sao, vì vậy chúng sẽ không cần thu hẹp nếu cấu trúc chồng và các đường dẫn được kích thước đúng cách.

Đặt và Hướng Các Thành Phần của Bạn

Với các loại thành phần ưa thích của bạn đã được xác định, bây giờ là lúc để quyết định cách đặt và hướng các bộ phận đó trên bảng mạch của bạn một cách hiệu quả. Quá trình này sẽ có ảnh hưởng lớn đến cách bạn sử dụng không gian có sẵn trên bố cục bảng mạch của mình, và có thể là một trong những bước thách thức nhất trong quá trình thiết kế của bạn. Dưới đây, bạn sẽ tìm thấy các khuyến nghị cụ thể về cách tối ưu hóa việc đặt thành phần của mình để vừa có thể sản xuất được và đáp ứng được các yêu cầu thiết kế cụ thể của bạn.

Trước khi đi vào chi tiết của việc đặt và hướng thành phần, có một số hướng dẫn chung cần ghi nhớ:

• Hướng các thành phần với I/O và các dấu chân tương tự theo cùng một hướng.
• Cố gắng đặt tất cả các thành phần SMT của bạn ở cùng một bên của bảng mạch, và tất cả các thành phần xuyên lỗ (nếu được trộn) ở phía trên của bảng mạch.
• Khi bạn có các thành phần công nghệ hỗn hợp (SMT và PTH), nhà sản xuất có thể yêu cầu một quy trình hàn thêm để đặt các thành phần ở mặt dưới.
• Bạn nên kết thúc tất cả các đất nối với chỉ một đường dẫn.
• Khi bạn chỉ định một chip dưới một thiết bị, điều này có thể làm cho việc kiểm tra, sửa chữa và thử nghiệm trở nên khó khăn hơn.
• Tất cả các thành phần sử dụng ở mặt hàn sóng của một bộ lắp ráp đều nên được nhà sản xuất chấp thuận trước khi ngâm trong bể hàn.

Với thông tin được trình bày trong chương này, bạn giờ đây đã được trang bị tốt để bắt đầu quy trình đặt và định hướng thành phần của mình để đáp ứng các yêu cầu về khả năng sản xuất cơ bản. Giờ đây, khi thiết kế của bạn đã trên đường hoàn thành, đã đến lúc hoàn thiện quy trình bố trí bảng mạch bằng cách cấu hình yêu cầu điểm kiểm tra của bạn trong chương tiếp theo.

• Chuyển sang Phần 4: Việc Dọn Dẹp và Yêu Cầu Kiểm Tra Bảng Mạch

Khi bạn sẵn sàng bắt đầu thiết kế và muốn đảm bảo bạn đáp ứng mọi yêu cầu DFM cho bố cục PCB của mình, hãy sử dụng các tính năng thiết kế và bố trí trong Altium Designer®. Khi thiết kế của bạn đã sẵn sàng cho một cuộc xem xét thiết kế kỹ lưỡng và sản xuất, nhóm của bạn có thể chia sẻ và hợp tác theo thời gian thực thông qua nền tảng Altium 365™. Các nhóm thiết kế có thể sử dụng Altium 365 để chia sẻ dữ liệu sản xuất, tệp dự án và đánh giá thiết kế thông qua một nền tảng đám mây an toàn và trong Altium Designer.

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