Cơ bản về Thiết kế PCB cho Người mới bắt đầu

| Created: Tháng Mười Hai 29, 2021 | Updated: Tháng Mười 17, 2024

Hãy cùng bắt đầu: bạn vừa mới cài đặt chương trình thiết kế PCB mới và bạn sẵn sàng để bắt tay vào bản vẽ PCB đầu tiên của mình. Bạn nên làm gì để bắt đầu? Hầu hết các kỹ sư đều giỏi làm việc với sơ đồ mạch và chọn lựa các linh kiện cốt lõi, nhưng người mới làm quen với việc bố trí PCB có thể thấy quá trình này quá tải. Phần mềm thiết kế PCB chứa đựng nhiều công cụ và tuân theo một quy trình làm việc cụ thể, nhưng người mới bắt đầu hoàn toàn có thể tiến qua quá trình thiết kế với kiến thức về một số cơ bản của thiết kế PCB.

Trong bài viết này, tôi sẽ trình bày một số cơ bản thiết kế mà mọi nhà thiết kế mới nên tuân theo để giúp đảm bảo quá trình thiết kế của họ thành công. Một số điểm này có thể thách thức quan điểm truyền thống về cách thức xây dựng bảng mạch, nhưng chúng nhằm mục đích giúp cân bằng tín hiệu ít nhiễu, khả năng sản xuất và dễ dàng giải quyết bố trí.

Cơ bản về Bắt đầu Thiết kế PCB Mới

Quá trình thiết kế PCB tuân theo một quy trình làm việc tiêu chuẩn, và điều quan trọng là bất kỳ nhà thiết kế mới nào cũng cần hiểu cách quy trình này diễn ra. Quy trình làm việc tiêu chuẩn trong thiết kế PCB tập trung vào việc thực hiện một thiết kế kỹ thuật, hoàn thiện bố trí PCB vật lý và chuẩn bị thiết kế cuối cùng cho việc sản xuất.

Hiểu Quy Trình Làm Việc Thiết Kế PCB

Tốt nhất là bạn nên dành chút thời gian để làm quen sơ qua với quy trình làm việc tiêu chuẩn trước khi tiếp tục, vì vậy hãy đọc link ở trên. Quy trình thiết kế diễn ra qua các bước sau:

Chọn các linh kiện cốt lõi có sẵn trong kho và có thể cung cấp từ các nhà phân phối lớn
Tạo và xem xét sơ đồ mạch dựa trên yêu cầu kỹ thuật
Tạo một PCB trống, xây dựng stackup, và tạo các quy tắc thiết kế
Nhập dữ liệu linh kiện từ sơ đồ mạch vào bố cục PCB mới
Đặt linh kiện và xem xét vị trí đặt để đảm bảo đáp ứng yêu cầu kỹ thuật
Kết nối các đường mạch và kết nối giữa các linh kiện
Làm sạch bố cục PCB và thực hiện kiểm tra thiết kế cuối cùng
Chuẩn bị các đầu ra thiết kế và gửi chúng đi sản xuất

Sau khi bạn đã có cái nhìn tổng quan về quy trình thiết kế, hãy đọc link dưới đây để xem quy trình thiết kế PCB diễn ra như thế nào và bộ công việc tiêu chuẩn mà mọi nhà thiết kế phải thực hiện để hoàn thành một bảng mạch mới.

Tìm hiểu thêm về quy trình thiết kế PCB tiêu chuẩn

Sơ đồ và Bố cục Phải Được Đồng bộ

Nếu bạn mới bắt đầu hành trình trở thành một nhà thiết kế PCB, bạn có thể sẽ tự tạo sơ đồ mạch cho thiết bị của mình. Mỗi khi bạn thực hiện thay đổi đối với thiết kế, bạn phải đồng bộ hóa những thay đổi đó giữa sơ đồ mạch và bố cục. Cụ thể, điều này bao gồm bất kỳ thay đổi thiết kế nào sau đây:

Thêm, loại bỏ, hoặc hoán đổi linh kiện
Thêm, loại bỏ, hoặc thay đổi mạng lưới
Nhóm các mạng lưới vào đối tượng Lớp Mạng
Thay đổi thông tin tham số linh kiện (số phần, thông tin nhà cung cấp, v.v.)
Bất kỳ quy tắc điện nào khác hoặc chỉ thị áp dụng cho các đối tượng trong sơ đồ mạch của bạn

Sau khi thực hiện bất kỳ thay đổi nào, chúng phải được áp dụng lên bố cục PCB. Điều này được thực hiện với một tính năng nhập trong phần mềm thiết kế PCB của bạn. Điều này đảm bảo mọi thứ trong thiết kế của bạn được đồng bộ và động cơ quy tắc thiết kế trong phần mềm của bạn sẽ đọc dữ liệu thiết kế của bạn một cách chính xác.

PCB design synchronization — Every object in your schematics must be linked to an object in the PCB layout. To maintain this synchronization, make sure you make component edits in the schematic and import them into the PCB layout, not the other way around.

Tìm hiểu về Quy trình Sản xuất PCB

Bất kỳ thiết kế nào bạn dự định sản xuất thành sản phẩm vật lý đều cần phải có khả năng sản xuất hàng loạt. Phần mềm ECAD sẽ cho phép bạn áp dụng bất kỳ tính năng thiết kế nào bạn có thể tưởng tượng vào bố cục PCB của mình. Tuy nhiên, các quyết định thiết kế của bạn cần phải có thể sản xuất được trong các quy trình tiêu chuẩn, vì vậy một nhà thiết kế cần phải quen thuộc với giới hạn của những gì có thể được chế tạo trong một PCB.

Điều này có nghĩa là mỗi nhà thiết kế PCB nên dành thời gian để học cơ bản về sản xuất PCB để họ có thể đảm bảo thiết kế của mình hoàn toàn có thể sản xuất được. Điều này liên quan đến một bộ quy tắc quan trọng nên được tích hợp vào quy trình thiết kế của bạn, được biết đến là thiết kế cho việc sản xuất (DFM). Dành một chút thời gian để tìm hiểu về một số lỗi thiết kế cơ bản có thể làm gián đoạn quá trình sản xuất và khiến bo mạch của bạn phải được gửi trả lại để thiết kế lại trước khi sản xuất.

Tìm hiểu thêm về thiết kế cho việc sản xuất

Quy tắc Thiết kế Là Chìa Khóa Để Thành Công

Sau khi bạn đã tìm hiểu về quy trình sản xuất, cũng như một số khả năng tiêu chuẩn từ các nhà sản xuất PCB, việc hiểu một số giới hạn được áp đặt trong quy tắc thiết kế sẽ trở nên dễ dàng hơn. Hầu hết các vấn đề DFM liên quan đến kích thước của các tính năng đồng trên PCB, hoặc khoảng cách giữa các tính năng khác nhau. Các quy tắc thiết kế mặc định được lập trình vào phần mềm thiết kế PCB thường hơi bảo thủ, và bạn nên biết giới hạn mà bạn có thể vi phạm những quy tắc thiết kế đó.

Ví dụ, xem xét dấu chân dưới đây. Dấu chân này có khoảng cách giữa các pad khoảng 9 mils, nhưng nó kích hoạt một lỗi quy tắc thiết kế (thấy trong màu xanh) một khi linh kiện được chuyển sang bố cục PCB. Bạn có thể thoải mái vi phạm quy tắc thiết kế này và đặt giới hạn của bạn thấp hơn vì hầu hết các nhà sản xuất sẽ yêu cầu khoảng cách tối thiểu khoảng 5 mils. Hãy chắc chắn kiểm tra khoảng cách trên bảng khả năng của nhà sản xuất trước khi bạn bắt đầu thay đổi quy tắc thiết kế.

PCB pad spacing — *The default minimum clearance might be too large, and it might create a design rule violation once you import components. Make sure you set clearances to the right values in your design rules.*

Sử dụng Mặt Đất

Mọi PCB đều cần có một kết nối mặt đất rõ ràng để tất cả các linh kiện trong thiết kế có thể tạo thành các mạch hoàn chỉnh và để nguồn điện được cung cấp xuyên suốt thiết kế. Kết nối mặt đất có thể được thực hiện với một pin trên bo mạch hoặc với một nguồn điện bên ngoài. Bất kể kết nối đó được thực hiện như thế nào, kết nối mặt đất đó sau đó cần được cung cấp cho tất cả các linh kiện khác trên PCB. Phương pháp dễ dàng nhất để làm điều này là với một mặt đất dạng tấm, nơi một trong các lớp của PCB được sử dụng cho mặt đất với một tấm đồng lớn phủ kín toàn bộ lớp.

Đến ngày nay, tôi vẫn ngạc nhiên về số lượng nhà thiết kế mới ngần ngại không đặt một mặt đất dạng tấm trong chồng lớp PCB của họ. Nhiều vấn đề tiếng ồn cơ bản ảnh hưởng đến tín hiệu số và tương tự có thể được truy nguyên lại từ việc thiếu một mặt đất dạng tấm trong thiết bị. Trong các PCB hiện đại, đó là một hướng dẫn tiêu chuẩn để sử dụng một mặt đất dạng tấm vững chắc xuyên suốt thiết bị của bạn. Có một số ngoại lệ nơi mà các mặt đất chia tách hoặc một mặt đất dạng sao trên một PCB là phù hợp, nhưng những cách tiếp cận đó không phù hợp cho đại đa số các thiết kế số và tương tự.

Tìm hiểu thêm về việc nối đất trong PCB của bạn

Hoàn thành Việc Đặt Linh Kiện Trước Khi Đi Dây

Ngay sau khi bạn chuyển dữ liệu sơ đồ của mình vào bố cục PCB mới, bạn sẽ phải đặt các linh kiện xung quanh bảng mạch. Tại thời điểm này trong quá trình thiết kế, mục tiêu của bạn là đặt các linh kiện để đảm bảo rằng thiết kế có thể được giải quyết, nghĩa là nó có thể được định tuyến dễ dàng. Do đó, tốt nhất là tránh việc định tuyến cho đến sau khi các linh kiện đã được đặt và việc đặt linh kiện được phê duyệt. Nếu bạn định tuyến trước khi tất cả các linh kiện được đặt, thì chắc chắn bạn sẽ phải thay đổi định tuyến. Trước khi định tuyến bất cứ thứ gì, hãy cố gắng đưa bố cục đến điểm mà tất cả các giao chéo mạng lưới được giảm thiểu.

PCB routing — *In this example design, your goal in component placement is to eliminate crossing wires.*

Sau khi mọi thứ được đặt và hoàn thiện, đã đến lúc bắt đầu định tuyến PCB. Nếu bạn đã lấy lời khuyên ở trên và xem xét các quy tắc thiết kế của mình trước khi bạn bắt đầu làm việc trên bố cục PCB của mình, thì bạn có nhiều khả năng định tuyến một thiết kế thành công hơn. Khi chúng tôi sử dụng từ “thành công” để mô tả việc định tuyến, chúng tôi thường đề cập đến ba lĩnh vực:

Giảm thiểu nhu cầu sử dụng các lớp tín hiệu mới để định tuyến tất cả các tín hiệu của bạn
Giảm thiểu việc chuyển đổi giữa các lớp khi có thể
Giảm thiểu nhiễu, điều này được hỗ trợ bởi việc sử dụng một lớp đất trong cấu trúc PCB
Cố gắng giữ cho càng nhiều đường định tuyến càng ngắn và trực tiếp càng tốt

Danh sách này các hướng dẫn không phải là toàn diện, nhưng chúng áp dụng cho hầu hết các tín hiệu mà bạn sẽ định tuyến trên PCB của mình. Các thiết kế tốc độ cao, tốc độ thấp, tần số thấp analog, và RF đều sử dụng những mẹo định tuyến PCB này, vì vậy hãy quen với việc áp dụng những thực hành tương tự trong bố cục PCB của bạn.

Tìm hiểu thêm về việc định tuyến trong bố cục PCB của bạn

Đừng Quên: Mục Tiêu của Bạn là Sản Xuất!

Sau khi mọi thứ trong bố cục được định tuyến và hoàn thiện, công việc của bạn vẫn chưa kết thúc. Là một nhà thiết kế, nhiệm vụ của bạn là tạo ra các tệp sản xuất từ bố cục PCB. Phần mềm thiết kế PCB bao gồm các công cụ để tự động tạo ra các tệp đầu ra này. Ngay cả sau khi bạn chuẩn bị đầu ra, bạn vẫn nên xem xét lại các tệp này để đảm bảo bạn không áp dụng sai bất kỳ cài đặt nào trong trình xuất tệp đầu ra, vì vậy hãy dành thời gian để xem xét mọi thứ trước khi gửi nó đến nhà sản xuất của bạn.

Tìm hiểu thêm về kết quả thiết kế và sản xuất

PCB gerber files — *Gerber files are the standard format used to create fabrication tooling to produce your new PCB.*

Điều gì sẽ xảy ra tiếp theo?

Chúc mừng! Bạn đã hoàn thành giai đoạn thiết kế và bước tiếp theo là sản xuất. Tiếp theo, nhà sản xuất của bạn sẽ xem xét thiết kế để đảm bảo nó phù hợp với khả năng xử lý của họ. Nếu mọi thứ đều vượt qua bài kiểm tra DFM cuối cùng, bo mạch của bạn sẽ được đưa vào sản xuất và lắp ráp.

Sau khi bạn đã học được các kiến thức cơ bản về thiết kế PCB, hãy thử sử dụng bộ tính năng thiết kế và bố trí PCB đầy đủ trong Altium Designer®. Khi bạn đã hoàn thành thiết kế và sẵn sàng gửi các tệp cho nhà sản xuất, nền tảng Altium 365™ giúp bạn dễ dàng hợp tác và chia sẻ dự án của mình. Bạn cũng có thể hoàn thành một bài kiểm tra thiết kế toàn diện để giúp đảm bảo bo mạch mới của bạn có thể được sản xuất với hiệu suất cao và chất lượng cao.

Chúng tôi 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.

Xem video liên quan này về việc Chọn các đối tượng PCB và nhiều mẹo và hướng dẫn khác trên Kênh Youtube Altium Academy

Altium Designer - PCB Design Software Altium 365 - PCB Design Platform Enterprise PCB Design Solutions FREE Trials

About Author

Zachariah Peterson has an extensive technical background in academia and industry. He currently provides research, design, and marketing services to companies in the electronics industry. Prior to working in the PCB industry, he taught at Portland State University and conducted research on random laser theory, materials, and stability. His background in scientific research spans topics in nanoparticle lasers, electronic and optoelectronic semiconductor devices, environmental sensors, and stochastics. His work has been published in over a dozen peer-reviewed journals and conference proceedings, and he has written 2500+ technical articles on PCB design for a number of companies. He is a member of IEEE Photonics Society, IEEE Electronics Packaging Society, American Physical Society, and the Printed Circuit Engineering Association (PCEA). He previously served as a voting member on the INCITS Quantum Computing Technical Advisory Committee working on technical standards for quantum electronics, and he currently serves on the IEEE P3186 Working Group focused on Port Interface Representing Photonic Signals Using SPICE-class Circuit Simulators.