5 Quy Tắc Thiết Kế PCB Bạn Cần Biết

#2 - Tinh chỉnh Việc Đặt Vị Trí Các Linh Kiện

Giai đoạn đặt vị trí linh kiện trong quá trình thiết kế bố cục PCB là cả một nghệ thuật lẫn khoa học, đòi hỏi sự cân nhắc chiến lược về không gian quý giá có sẵn trên bảng mạch của bạn. Mục tiêu trong việc đặt vị trí linh kiện là tạo ra một bảng mạch có thể dễ dàng được định tuyến, lý tưởng là với càng ít sự chuyển đổi giữa các lớp càng tốt. Ngoài ra, thiết kế phải tuân thủ các quy tắc thiết kế và đáp ứng các yêu cầu về vị trí đặt linh kiện bắt buộc. Việc cân nhắc các điểm này có thể khó khăn, nhưng một quy trình đơn giản có thể giúp nhà thiết kế bảng mạch đặt các linh kiện đáp ứng những yêu cầu này:

1. Đặt các linh kiện bắt buộc trước. Thường có những linh kiện phải được đặt ở vị trí cụ thể, đôi khi do ràng buộc về vỏ máy cơ khí hoặc do kích thước của chúng. Tốt nhất là đặt những linh kiện này trước và khóa vị trí của chúng trước khi tiếp tục với phần còn lại của bố cục.
2. Đặt các bộ xử lý lớn và IC.Các linh kiện như IC có số chân cao hoặc bộ xử lý thường cần kết nối với nhiều linh kiện khác trong thiết kế. Đặt những linh kiện này ở vị trí trung tâm giúp việc định tuyến mạch in trở nên dễ dàng hơn.
3. Hãy tránh việc các mạch cắt nhau. Khi các linh kiện được đặt trên bản mạch, các mạch chưa được định tuyến thường được hiển thị. Tốt nhất là nên cố gắng giảm thiểu số lượng các mạch cắt nhau. Mỗi giao điểm của mạch sẽ yêu cầu một sự chuyển tiếp qua các lớp thông qua vias. Nếu bạn có thể loại bỏ các giao điểm mạch bằng cách sắp xếp linh kiện một cách sáng tạo, việc áp dụng các hướng dẫn định tuyến tốt nhất cho bản mạch in sẽ trở nên dễ dàng hơn.
4. Quy tắc thiết kế bảng mạch in SMD. Được khuyến nghị đặt tất cả các linh kiện thiết bị gắn mặt (SMD) ở cùng một mặt của bảng mạch. Lý do chính cho điều này xuất phát từ quá trình lắp ráp; mỗi mặt của bảng mạch sẽ yêu cầu một lần chạy qua dây chuyền hàn SMD, vì vậy việc đặt tất cả SMDs ở một mặt sẽ giúp bạn tránh một số chi phí lắp ráp phát sinh.
5. Thử nghiệm với việc xoay linh kiện. Việc xoay linh kiện để cố gắng loại bỏ các giao điểm mạch là điều được chấp nhận. Hãy cố gắng sắp xếp các pad kết nối sao cho chúng đối diện với nhau vì điều này có thể giúp đơn giản hóa việc định tuyến.

Nếu bạn tuân theo các điểm #1 và #2, việc sắp xếp phần còn lại của bảng mạch sẽ dễ dàng hơn mà không có quá nhiều sự chéo cắt giữa các đường mạch. Ngoài ra, bảng mạch của bạn sẽ có vẻ ngoài hiện đại, nơi một bộ xử lý trung tâm cung cấp dữ liệu cho tất cả các thành phần khác xung quanh viền của bảng mạch.

#3 - Đặt Các Đường Mạch Nguồn, Mặt Đất & Tín Hiệu

Sau khi đã đặt các thành phần, giờ là lúc để kết nối các đường mạch nguồn, mặt đất và tín hiệu để đảm bảo các tín hiệu có một lộ trình di chuyển sạch sẽ và không gặp trở ngại. Dưới đây là một số hướng dẫn cần nhớ cho giai đoạn này của quá trình thiết kế bảng mạch của bạn:

Nơi Đặt Các Mặt Phẳng Nguồn và Mặt Đất

Thông thường, nguồn và mặt đất được đặt trên hai lớp nội bộ. Đối với một bo mạch 2 lớp, điều này có thể không dễ dàng, vì vậy bạn sẽ muốn đặt một mặt đất lớn trên một lớp, và sau đó định tuyến các tín hiệu và đường dẫn nguồn trên lớp kia. Với cấu trúc bo mạch 4 lớp và số lượng lớp cao hơn, bạn nên sử dụng các mặt đất thay vì cố gắng định tuyến các đường dẫn mặt đất. Đối với các thành phần cần kết nối nguồn trực tiếp, nếu không sử dụng mặt phẳng nguồn, bạn nên sử dụng các thanh góp chung cho mỗi nguồn; đảm bảo bạn có đường dẫn đủ rộng (100 mils là tốt cho 5 đến 10 A) và không nối tiếp các đường dây nguồn từ bộ phận này sang bộ phận khác.

Một số khuyến nghị cho rằng việc đặt lớp mặt phẳng phải đối xứng, nhưng điều này không hoàn toàn bắt buộc cho việc sản xuất. Trong các bo mạch lớn, điều này có thể cần thiết để giảm khả năng cong vênh, nhưng đây không phải là mối quan tâm trong các bo mạch nhỏ. Tập trung vào việc tiếp cận nguồn và mặt đất, cũng như đảm bảo tất cả các đường dẫn có sự kết nối trở lại mạnh mẽ với mặt đất gần nhất trước, sau đó mới lo lắng về sự đối xứng hoàn hảo trong cấu trúc thiết kế PCB.

Hướng dẫn Định Tuyến cho Bố Cục PCB

Tiếp theo, hãy kết nối các đường dẫn tín hiệu của bạn để phù hợp với các mạng trong sơ đồ của bạn. Các phương pháp tốt nhất về bố trí PCB khuyến nghị rằng bạn luôn nên đặt các đường dẫn ngắn, trực tiếp giữa các thành phần khi có thể, mặc dù điều này có thể không luôn luôn khả thi trên các bảng mạch lớn hơn. Nếu việc đặt thành phần của bạn buộc phải sử dụng đường dẫn theo chiều ngang trên một mặt của bảng mạch, thì luôn luôn phải đặt đường dẫn theo chiều dọc trên mặt đối diện. Đây là một trong nhiều quy tắc thiết kế bảng mạch PCB 2 lớp quan trọng.

Quy tắc thiết kế bảng mạch in và hướng dẫn bố trí PCB trở nên phức tạp hơn khi số lượng lớp trong cấu trúc của bạn tăng lên. Chiến lược định tuyến của bạn sẽ yêu cầu thay đổi đường dẫn theo chiều ngang và dọc trên các lớp xen kẽ, trừ khi bạn tách biệt mỗi lớp tín hiệu với một mặt phẳng tham chiếu. Trong các bảng mạch phức tạp dành cho các ứng dụng chuyên biệt, nhiều phương pháp tốt nhất về PCB thường được nhắc đến có thể không còn áp dụng, và bạn sẽ cần phải tuân theo các hướng dẫn thiết kế bảng mạch PCB cụ thể cho ứng dụng của mình.

• Đọc thêm về một số phương pháp tốt nhất cơ bản về định tuyến PCB.

Xác định Chiều Rộng Đường Dẫn

Các thiết kế bố trí PCB sử dụng đường dẫn để kết nối các thành phần, nhưng chiều rộng của các đường dẫn này nên là bao nhiêu? Chiều rộng đường dẫn cần thiết cho các mạng khác nhau phụ thuộc vào ba yếu tố có thể có:

1. Khả năng sản xuất.Các đường mạch không thể quá mảnh, nếu không, chúng không thể được sản xuất một cách đáng tin cậy. Trong hầu hết các trường hợp, bạn sẽ làm việc với các độ rộng đường mạch lớn hơn nhiều so với giá trị tối thiểu mà nhà sản xuất của bạn có thể sản xuất.
2. Dòng điện. Dòng điện chạy trong một đường mạch sẽ xác định độ rộng tối thiểu cần thiết để ngăn đường mạch bị quá nhiệt. Khi dòng điện cao hơn, đường mạch sẽ cần phải rộng hơn.
3. Trở kháng. Các tín hiệu số tốc độ cao hoặc tín hiệu RF sẽ cần có độ rộng đường mạch cụ thể để đạt được giá trị trở kháng yêu cầu. Điều này không áp dụng cho tất cả các tín hiệu hoặc mạng, vì vậy bạn không cần phải thực thi kiểm soát trở kháng trên mỗi mạng trong quy tắc thiết kế bảng mạch của bạn.

Đối với các đường mạch không cần trở kháng cụ thể hoặc dòng điện cao, độ rộng đường mạch 10 mil là phù hợp cho phần lớn các tín hiệu số và tương tự có dòng điện thấp. Các đường mạch bảng mạch in chịu dòng điện nhiều hơn 0.3 A có thể cần phải rộng hơn. Để kiểm tra điều này, bạn có thể sử dụng biểu đồ nomograph IPC-2152 để xác định độ rộng đường mạch thiết kế PCB của bạn cho dung lượng dòng điện yêu cầu và giới hạn tăng nhiệt độ.

Kết nối giảm nhiệt đến các mặt phẳng cho linh kiện xuyên lỗ

Mặt đất có thể hoạt động như một tấm tản nhiệt lớn, sau đó truyền nhiệt đều khắp bảng mạch. Do đó, nếu một via được kết nối với mặt đất, việc bỏ qua các miếng đệm giảm nhiệt trên via đó sẽ cho phép nhiệt dẫn đến mặt đất. Điều này được ưu tiên hơn là giữ nhiệt bị kẹt gần bề mặt. Tuy nhiên, điều này có thể tạo ra vấn đề nếu linh kiện xuyên lỗ được lắp ráp trên bảng mạch sử dụng quá trình hàn sóng vì bạn cần giữ nhiệt gần bề mặt.

Các kết nối giảm nhiệt là một tính năng thiết kế bố trí mạch in có thể cần thiết để đảm bảo một bảng mạch có thể được sản xuất trong quá trình hàn sóng, nói cách khác, cho các linh kiện xuyên lỗ được kết nối trực tiếp với các mặt phẳng. Vì việc duy trì nhiệt độ quá trình có thể khó khăn khi một lỗ xuyên là điểm hàn trực tiếp vào một mặt phẳng, nên được khuyến nghị sử dụng các kết nối giảm nhiệt để đảm bảo nhiệt độ hàn có thể được duy trì. Ý tưởng đằng sau giảm nhiệt đơn giản: nó làm chậm tốc độ mà nhiệt được tản ra vào mặt phẳng trong quá trình hàn, điều này sẽ giúp ngăn chặn các mối hàn lạnh.

Một số nhà thiết kế sẽ nói với bạn rằng nên sử dụng mẫu giảm nhiệt cho bất kỳ via hoặc lỗ nào được kết nối với lớp đất hoặc lớp nguồn bên trong, ngay cả khi đó chỉ là một đa giác nhỏ. Lời khuyên này thường được khái quát hóa quá mức. Việc cần sử dụng via giảm nhiệt cho bất kỳ linh kiện qua lỗ nào sẽ phụ thuộc vào kích thước của mặt đồng hoặc đa giác sẽ tạo kết nối trên lớp bên trong, và đây là điều bạn nên yêu cầu nhà sản xuất của mình xem xét trước khi bạn đưa bảng mạch của mình vào sản xuất.

Về Giảm Nhiệt trên Đổ Đồng?

Các pad qua lỗ trên đổ đồng có thể yêu cầu cùng một ứng dụng pad giảm nhiệt như các mặt phẳng. Khi khu vực đổ đồng rất lớn, nó bắt đầu trông giống như một mặt phẳng, và vì vậy một pad giảm nhiệt nên được áp dụng một cách tự nhiên nếu một chân qua lỗ sẽ được hàn vào kết nối đó.

Đối với các bộ phận SMD, điều này không phải lúc nào cũng đúng. Việc áp dụng giảm nhiệt cho khu vực đổ phụ thuộc vào cách bảng mạch sẽ được lắp ráp. Quy trình hàn reflow sẽ làm nóng bảng mạch đồng đều khi thiết bị đi qua lò reflow, vì vậy khả năng hình thành tombstoning là thấp hơn nhiều cho những pad SMD đó, bất kể sự hiện diện của kết nối giảm nhiệt.

Nếu thiết kế sẽ được lắp ráp bằng tay, như sử dụng kem hàn và súng nhiệt, thì bố cục PCB có thể cần có kết nối nhiệt để giữ đủ nhiệt độ gần pad và ngăn chặn hiện tượng tombstoning. Khi hàn bằng tay, việc duy trì nhiệt độ đồng đều trên các chân linh kiện có thể khó khăn, và một kết nối nhiệt có thể giúp ngăn chặn lỗi tombstoning.

Kết nối nhiệt trên một đa giác trong Altium Designer.

Theo mặc định, Altium Designer sẽ duy trì kết nối nhiệt với các đa giác khi bạn tạo một dự án mới. Điều này được cấu hình sử dụng quy tắc Polygon Connect trong trình chỉnh sửa quy tắc thiết kế PCB. Bạn có thể thay đổi cài đặt này để áp dụng dựa trên các footprint cụ thể, lớp, lớp linh kiện, mạng lưới/lớp mạng lưới, hoặc bất kỳ điều kiện nào khác sử dụng ngôn ngữ truy vấn trong Altium Designer.

#4 - Giữ Các Thành Phần Tách Biệt

Có một số hướng dẫn định tuyến cho quy tắc thiết kế PCB về cách nhóm và tách biệt các linh kiện và đường dẫn sao cho bạn đảm bảo dễ dàng định tuyến trong khi ngăn chặn nhiễu điện. Các hướng dẫn nhóm này cũng có thể giúp với quản lý nhiệt khi bạn cần tách biệt các linh kiện công suất cao.

Nhóm Linh Kiện

Một số linh kiện nên được đặt trong thiết kế bố trí PCB bằng cách nhóm chúng lại ở một khu vực. Lý do là chúng có thể là một phần của mạch và chúng chỉ kết nối với nhau, vì vậy không cần thiết phải đặt các linh kiện ở các mặt hoặc khu vực khác nhau của bảng mạch. Việc bố trí PCB sau đó trở thành một bài tập trong việc thiết kế và bố trí các nhóm mạch riêng lẻ sao cho chúng có thể dễ dàng kết nối với nhau bằng các đường dẫn.

Trong nhiều bố trí, bạn sẽ có một số linh kiện tương tự và một số linh kiện số, và bạn nên ngăn chặn các linh kiện số gây nhiễu cho các linh kiện tương tự. Cách làm này hàng thập kỷ trước là chia tách mặt đất và mặt nguồn thành các khu vực khác nhau, nhưng đây không phải là lựa chọn thiết kế hợp lệ trong các thiết kế bảng mạch hiện đại. Thật không may, điều này vẫn được truyền đạt trong nhiều hướng dẫn bố trí bảng mạch và nó dẫn đến nhiều thực hành đấu nối xấu tạo ra EMI.

• Đọc thêm về việc định nghĩa mặt đất trong thiết kế bố trí PCB của bạn.

Thay vào đó, hãy sử dụng một mặt đất hoàn chỉnh phía dưới các linh kiện của bạn và không chia mặt đất thành các phần riêng biệt. Giữ các linh kiện tương tự nhau với nhau, các linh kiện analog với các linh kiện analog khác hoạt động ở cùng một tần số. Cũng như vậy, giữ các linh kiện số với các linh kiện số khác. Bạn có thể hình dung điều này như việc mỗi loại linh kiện chiếm một khu vực khác nhau phía trên mặt đất trong thiết kế bố trí PCB, nhưng mặt đất nên được giữ đồng nhất trong phần lớn các thiết kế bảng mạch.

Tách Biệt Các Linh Kiện Công Suất Cao

Cũng là phù hợp để tách các linh kiện sẽ tỏa ra nhiều nhiệt trên bảng mạch ra các khu vực khác nhau. Ý tưởng đằng sau việc tách những linh kiện công suất cao này là để cân bằng nhiệt độ xung quanh bố trí PCB, thay vì tạo ra các điểm nóng lớn trong bố trí nơi các linh kiện nhiệt độ cao được nhóm lại. Điều này có thể được thực hiện bằng cách đầu tiên tìm ra “kháng nhiệt” trong bảng dữ liệu linh kiện của bạn và tính toán sự tăng nhiệt độ từ lượng nhiệt tỏa ước lượng. Tản nhiệt và quạt làm mát có thể được thêm vào để giữ nhiệt độ linh kiện thấp. Bạn có thể phải cân nhắc cẩn thận việc đặt những linh kiện này so với việc giữ cho độ dài dấu vết ngắn khi bạn lên kế hoạch định tuyến, điều này có thể thách thức.

#5 - Hoàn thiện Thiết kế & Bố trí Bảng Mạch PCB của Bạn

Việc hoàn thiện dự án thiết kế của bạn có thể trở nên áp lực khi bạn cố gắng ghép những mảnh cuối cùng lại với nhau cho quá trình sản xuất. Kiểm tra lại công việc của mình hai hoặc ba lần ở giai đoạn này có thể quyết định sự thành công hay thất bại trong sản xuất.

Để hỗ trợ quá trình kiểm soát chất lượng này, luôn được khuyến nghị bắt đầu với Kiểm Tra Quy Tắc Điện (ERC) và Kiểm Tra Quy Tắc Thiết Kế (DRC) để xác minh bạn đã đáp ứng tất cả các ràng buộc đã thiết lập. Với hai hệ thống này, bạn có thể dễ dàng định nghĩa chiều rộng khoảng cách, chiều rộng dấu vết, các ràng buộc sản xuất phổ biến, yêu cầu điện tử tốc độ cao, và các yêu cầu vật lý khác cho ứng dụng cụ thể của mình. Điều này tự động hóa quá trình đánh giá để xác thực bố trí PCB của bạn.

Lưu ý rằng nhiều quy trình thiết kế khẳng định bạn nên thực hiện kiểm tra quy tắc thiết kế vào cuối giai đoạn thiết kế bảng mạch, khi chuẩn bị cho việc sản xuất. Nếu bạn sử dụng phần mềm thiết kế phù hợp, bạn có thể thực hiện các bước kiểm tra xuyên suốt quá trình thiết kế, điều này cho phép bạn nhận diện sớm các vấn đề tiềm ẩn trong thiết kế và sửa chữa chúng nhanh chóng. Khi kết quả kiểm tra ERC và DRC cuối cùng của bạn không có lỗi, bạn nên kiểm tra đường dẫn của mỗi tín hiệu và xác nhận rằng bạn không bỏ sót bất cứ điều gì bằng cách xem xét lại sơ đồ của mình từng dây một lần nữa.

Đó là những gì chúng tôi muốn chia sẻ - những hướng dẫn về bố trí PCB hàng đầu của chúng tôi áp dụng cho hầu hết các thiết kế bảng mạch! Mặc dù danh sách khuyến nghị ngắn, nhưng hướng dẫn này có thể giúp bạn tiến xa trên con đường thiết kế một bảng mạch chức năng, có thể sản xuất được trong thời gian ngắn. Những hướng dẫn thiết kế bảng mạch PCB này chỉ là bước khởi đầu, nhưng chúng tạo nên một nền tảng để xây dựng và củng cố thực hành cải tiến liên tục trong tất cả các quy trình thiết kế của bạn.

Nếu bạn muốn bắt đầu với phần mềm thiết kế bảng mạch PCB tốt nhất với động cơ thiết kế theo quy tắc tích hợp giúp bạn duy trì độ chính xác, hãy sử dụng các công cụ thiết kế tiên tiến trong Altium Designer^®. Khi thiết kế hoàn thành và sẵn sàng được phát hành cho sản xuất, nền tảng Altium 365^™ giúp việc hợp tác và chia sẻ dự án của bạn trở nên dễ dàng.

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.

Xem Altium Designer^®  trong hành động...

Trải Nghiệm Giao Diện Hiện Đại

“Tôi chưa được tiếp xúc nhiều với khả năng thiết kế PCB 3D trước đây. Là một người dùng ALTIUM tương đối mới, tôi phải nói rằng việc thiết kế PCB linh hoạt và cứng trong 3D bằng Altium dễ dàng hơn tôi nghĩ. Trao đổi tệp thiết kế bố cục PCB 3D với các đồng nghiệp cơ khí của tôi để xem xét chưa bao giờ dễ dàng đến thế!”

Kelly Dack, CID+ CIT
Nhà thiết kế PCB / Giảng viên IPC

Đăng ký và thử nghiệm Altium Designer ngày hôm nay.