Hệ thống quy tắc thiết kế PCB tốt nhất giúp bo mạch của bạn không có lỗi.

Phần mềm ECAD giúp các nhà thiết kế tuân thủ nghiêm ngặt bằng cách áp dụng các quy tắc và ràng buộc thiết kế PCB lên các công cụ thiết kế và bố trí. Trách nhiệm của nhà thiết kế PCB là tạo các quy tắc thiết kế cho mọi thiết kế mới, với mục tiêu cuối cùng là đảm bảo chức năng và khả năng sản xuất. Theo thời gian, các nhà cung cấp phần mềm ECAD lớn đã phát triển hai định dạng để xác định quy tắc thiết kế PCB: hệ thống nhập liệu theo danh mục và hệ thống dạng ma trận để xác định các ràng buộc.

Cả hai định dạng đều chấp nhận được và có thể cho ra chính xác cùng một kết quả; việc chọn định nghĩa quy tắc thiết kế theo danh mục hay theo ràng buộc chủ yếu phụ thuộc vào sở thích cá nhân. Dù bạn chọn cơ chế nào, hãy chọn gói phần mềm thiết kế PCB cung cấp cho bạn sự linh hoạt cần thiết để kiểm soát đầy đủ các định nghĩa quy tắc thiết kế PCB của mình.

Các quy tắc thiết kế PCB đến từ đâu?

Những yếu tố nào thúc đẩy các quy tắc thiết kế PCB và tại sao chúng quan trọng? Các quy tắc thiết kế PCB được xác định dựa trên một số yêu cầu có thể có:

• Ràng buộc về khả năng sản xuất
• Ràng buộc về lắp ráp
• Yêu cầu về tính toàn vẹn tín hiệu
• Yêu cầu về EMI/EMC
• Được xác định như một yếu tố hỗ trợ cho thiết kế RF

Đây chỉ là một phần trong các lĩnh vực nơi các quy tắc thiết kế phát sinh. Lưu ý rằng các quy tắc thiết kế PCB không dựa trên chức năng điện đơn giản. Thay vào đó, hầu hết các quy tắc và ràng buộc thiết kế PCB được xác định dựa trên các yêu cầu sản xuất. Nếu một bo mạch không thể được sản xuất, thì việc thiết kế nó sẽ không có ý nghĩa; vì vậy, các quy tắc thiết kế hướng đến sản xuất (DFM) là một trong những quy tắc thiết kế PCB cơ bản nhất trong nội dung kỹ thuật của ngành.

Quy tắc thiết kế PCB so với ràng buộc

Một số phần mềm thiết kế PCB sử dụng thuật ngữ "rules", trong khi phần mềm khác sử dụng thuật ngữ "constraints". Thực tế là có rất ít khác biệt giữa quy tắc thiết kế và ràng buộc thiết kế; sự khác biệt đơn giản chỉ là từ vựng mà các nhà cung cấp phần mềm khác nhau lựa chọn sử dụng. Hai thuật ngữ này được dùng cụ thể khi nói đến giao diện người dùng để tạo quy tắc thiết kế PCB trong phần mềm ECAD.

Với điều này, các nhà cung cấp phần mềm thiết kế PCB thường phân biệt giữa quy tắc và ràng buộc như sau:

• Một quy tắc thiết kế thường được xác định trong hệ thống theo danh mục, nơi các quy tắc riêng lẻ được sắp xếp dưới các danh mục phân cấp (chẳng hạn như Routing, Manufacturing, Electrical và Placement). Mỗi quy tắc được cấu hình với các định nghĩa phạm vi để xác định những đối tượng hoặc net nào mà quy tắc áp dụng, và các giá trị được nhập qua các hộp thoại cấu hình chuyên dụng. Các quy tắc có thể được ưu tiên để các quy tắc cụ thể hơn ghi đè các mặc định chung.
• Một ràng buộc thiết kế thường được xác định trong hệ thống dạng ma trận hoặc bảng, nơi các giá trị được nhập trực tiếp vào các ô tại giao điểm của các lớp net, lớp đồng, hoặc loại đối tượng. Cách tiếp cận này trình bày tất cả các giá trị ràng buộc trong một khung nhìn giống bảng tính duy nhất, giúp dễ dàng so sánh các giá trị trên nhiều net hoặc lớp cùng lúc.

Trên thực tế, cả hai cách tiếp cận đều áp dụng cùng một tập kiểm tra hình học và điện trong quá trình kiểm tra quy tắc thiết kế (DRC). Sự khác biệt hoàn toàn nằm ở sở thích về quy trình làm việc: các quy tắc theo danh mục cung cấp khả năng xác định phạm vi chi tiết và logic ưu tiên, trong khi các ràng buộc dạng ma trận cung cấp khả năng so sánh trực quan nhanh và chỉnh sửa hàng loạt trên toàn bộ thiết kế.

Altium Designer là nền tảng phần mềm thiết kế PCB duy nhất cho phép người dùng chỉ định đầy đủ các yêu cầu về thiết kế và sản xuất của họ dưới dạng quy tắc thiết kế hoặc ràng buộc thiết kế. Phương pháp chính sử dụng PCB Rules and Constraints Editor theo danh mục, nơi tất cả các danh mục quy tắc thiết kế được hỗ trợ được liệt kê theo cấu trúc phân cấp. Mỗi quy tắc được cấu hình riêng lẻ với một định nghĩa phạm vi xác định đối tượng, net hoặc lớp net mà quy tắc áp dụng.

PCB Rules and Constraints Editor trong Altium Designer

Altium Designer cũng cung cấp constraint manager sử dụng cách tiếp cận dạng ma trận để chỉ định các yêu cầu thiết kế. Giao diện này trình bày tất cả các ràng buộc thiết kế ở định dạng bảng tính, quen thuộc ngay với người dùng các nền tảng phần mềm ECAD khác, bao gồm cả các nền tảng cũ như Cadence Allegro và Mentor Graphics. Chế độ xem ma trận cho phép nhà thiết kế nhìn thấy tất cả giá trị ràng buộc cùng lúc, so sánh các thiết lập giữa các lớp net trong nháy mắt, và thực hiện chỉnh sửa hàng loạt mà không cần điều hướng qua từng hộp thoại quy tắc riêng lẻ.

Constraint Manager trong Altium Designer

Dù theo cách tiếp cận nào, nhà thiết kế đều có toàn quyền kiểm soát các thông số kỹ thuật của thiết kế, và điều này sẽ giúp ngăn ngừa nhiều vấn đề đơn giản có thể dẫn đến lỗi trong sản xuất. Để truy cập các quy tắc thiết kế chính theo cả hai cách, bảng dưới đây cung cấp các hướng dẫn tham khảo hữu ích và chi tiết truy cập. Hãy làm theo các hướng dẫn này hoặc đọc Tài liệu Altium để tìm hiểu thêm.

Các loại và danh mục quy tắc thiết kế PCB

Các quy tắc thiết kế chính cho bất kỳ thiết kế mới nào có thể được xác định dựa trên đặc tả sản phẩm và năng lực của nhà sản xuất bo mạch. Một số giá trị quy tắc thiết kế có thể cần được tính thủ công, dựa trên một số yếu tố có thể có:

• Khuyến nghị hoặc mục tiêu hiệu năng trong một số tiêu chuẩn ngành nhất định
• Trực tiếp từ tuyên bố năng lực của nhà chế tạo PCB
• Các ràng buộc cơ khí, chẳng hạn như từ vỏ thiết bị
• Ràng buộc về tính toàn vẹn tín hiệu, chẳng hạn như trở kháng hoặc khoảng cách giữa các đường mạch
• Yêu cầu về tính toàn vẹn nguồn, chẳng hạn như từ các phép tính kích thước tối thiểu của thanh dẫn đồng

Các giá trị quy tắc thiết kế đơn giản có thể được nhập dưới dạng số, đặc biệt trong trường hợp cách tiếp cận quản lý ràng buộc với ma trận số. Phổ biến nhất trong số này là các giá trị khoảng cách giữa các đặc trưng đồng, linh kiện, phần tử cơ khí, lỗ khoan, rãnh và cạnh PCB.

Bảng dưới đây cung cấp bản tóm tắt các quy tắc thiết kế PCB phổ biến nhất, áp dụng cho gần như mọi dự án. Các quy tắc này trải rộng trên nhiều danh mục (routing, khả năng sản xuất, v.v.) và tạo thành một danh sách kiểm hữu ích để định nghĩa quy tắc trong một dự án mới.

Kiểm tra quy tắc thiết kế PCB (DRC)

Kiểm tra quy tắc thiết kế PCB được chạy tự động (online) và theo nhóm (batch) để đảm bảo rằng các đặc trưng trong PCB tuân thủ các quy tắc và ràng buộc thiết kế của bạn. Kiểm tra online sẽ đánh dấu lỗi khi bạn tạo bố cục PCB, trong khi kiểm tra batch được chạy đối với tất cả các quy tắc thiết kế liên quan trong PCB.

Khi các vi phạm được báo cáo, nhà thiết kế sẽ phải ưu tiên một số vi phạm này để sửa, dẫn đến các thay đổi trong bố cục PCB. Mục tiêu của mọi thiết kế là giảm về 0 vi phạm DRC, và điều này thường đòi hỏi phải có một số thay đổi trong bố cục PCB sau khi chạy DRC ban đầu.

Quy trình giảm vi phạm DRC về 0 bao gồm việc cập nhật cẩn thận bố cục PCB để loại bỏ các lỗi đó, thường phải thực hiện nhiều điều chỉnh nhỏ cho thiết kế cho đến khi lỗi được giải quyết. Thông thường, các lỗi này liên quan đến những thay đổi vị trí nhỏ của nhiều đối tượng trong bố cục PCB, hoặc có thể là đi dây lại một số đường mạch hay cập nhật phần vẽ polygon. Khi kết thúc quá trình này, nhà thiết kế tạo ra một bố cục PCB hoàn toàn sạch lỗi, phù hợp với các ràng buộc đã được xác định từ đầu dự án.

DRC bằng 0 có đồng nghĩa với không có lỗi?

Câu trả lời chắc chắn là “không.”

Điều này là do có nhiều nguyên nhân gây lỗi nằm ngoài tầm kiểm soát của người thiết kế hoặc không bị ảnh hưởng bởi bố cục PCB. Ví dụ, thiết kế stackup và quy trình gia công có thể ảnh hưởng đến các lỗi chế tạo trong một số thiết kế, mặc dù bố cục PCB không có bất kỳ lỗi DRC nào. Để đảm bảo một thiết kế không có lỗi, cần nhiều hơn là chỉ tối ưu bố cục PCB; điều đó đòi hỏi sự hiểu biết toàn diện về thiết kế PCB, từ stackup đến việc chỉ định các bản vẽ tổng thể cho sản xuất.

Để tìm hiểu thêm về một số nguyên nhân phổ biến gây lỗi vượt ra ngoài phạm vi bố cục PCB, hãy xem video bên dưới. Hãy thử xác định xem những vấn đề nào trong số này có thể bị tác động bởi các lựa chọn trong bố cục PCB và việc thiết lập các quy tắc/ràng buộc thiết kế trong phần mềm ECAD của bạn.

Dù bạn cần phát triển thiết bị điện công suất đáng tin cậy hay các hệ thống số tiên tiến, hãy sử dụng bộ tính năng thiết kế PCB hoàn chỉnh và các công cụ CAD đẳng cấp thế giới của Altium. Altium cung cấp nền tảng phát triển sản phẩm điện tử hàng đầu thế giới, đi kèm với những công cụ thiết kế PCB tốt nhất trong ngành và các tính năng cộng tác liên ngành dành cho các nhóm thiết kế tiên tiến. Liên hệ với chuyên gia của Altium ngay hôm nay!

Câu hỏi thường gặp

Các quy tắc thiết kế PCB trong một dự án PCB mới bắt nguồn từ đâu?

Các quy tắc thiết kế PCB bắt nguồn từ các giới hạn chế tạo, yêu cầu lắp ráp, mục tiêu SI/PI, nhu cầu EMI/EMC, các ràng buộc RF và yêu cầu cơ khí. Nhiều quy tắc cơ bản, như chiều rộng đường mạch, khoảng cách hở, kích thước lỗ khoan, vành khuyên và độ mở rộng solder mask, đến trực tiếp từ năng lực của nhà chế tạo.

Sự khác biệt giữa quy tắc thiết kế PCB và ràng buộc thiết kế PCB là gì?

Sự khác biệt chủ yếu nằm ở quy trình làm việc. Các quy tắc thường được cấu hình trong các trình chỉnh sửa theo danh mục, trong khi các ràng buộc thường được nhập vào các bảng hoặc ma trận. Cả hai đều có thể áp dụng cùng một yêu cầu bố cục trong quá trình DRC.

Các quy tắc thiết kế theo danh mục có tốt hơn các ràng buộc dựa trên ma trận không?

Không. Các quy tắc theo danh mục phù hợp hơn cho việc xác định phạm vi chi tiết và mức ưu tiên, trong khi các ràng buộc dựa trên ma trận phù hợp hơn cho việc so sánh và chỉnh sửa hàng loạt. Lựa chọn tốt nhất phụ thuộc vào thiết kế và quy trình làm việc của người thiết kế.

Việc kiểm tra quy tắc thiết kế PCB thực sự xác minh điều gì?

DRC xác minh liệu bố cục có tuân theo các quy tắc và ràng buộc đã được xác định hay không. Nó có thể đánh dấu các vi phạm về khoảng cách hở, chiều rộng, kích thước lỗ, vành khuyên, solder mask, khoảng cách linh kiện và định tuyến tốc độ cao.

Việc vượt qua DRC có nghĩa là PCB sẽ không có lỗi sản xuất không?

Không. Việc vượt qua DRC chỉ có nghĩa là bố cục tuân theo các quy tắc đã được xác định. Lỗi vẫn có thể phát sinh từ các lựa chọn stackup, biến thiên trong chế tạo, tài liệu không đầy đủ, vấn đề lắp ráp hoặc các giá trị quy tắc không chính xác.