Thiết kế mạch điện tử là một quá trình gồm các nội dung: thiết kế mạch nguyên lý, mô phỏng mạch và thiết kế bảng mạch in (PCB – Printed Circuit Board)
1. Khái niệm về hệ chuẩn và hệ mét
2. Khái niệm Grid – Khung lưới
3. Track – Dây đồng
4. Pad – Lỗ đồng
5. Via – Lỗ xuyên mặt
6. Polygon – Lớp phủ đồng
7. Clearances – Khoảng hở
1. Khái niệm về hệ chuẩn và hệ mét
• Hệ chuẩn (inch, thou, mil)
Đơn vị chuẩn sử dụng trong thiết kế PCB thường được nhà thiết kế có kinh nghiệm sử dụng đó là đơn vị inch.
1 inch = 25,4 mm.
Trong thiết kế PCB thường sử dụng đơn vị là thou hoặc mil.
1 mil = 1 thou = 1/1000 inch (1 mili inch)
Sử dụng mil cho các track, pad, các khoảng cách và các mắt lưới, hầu hết có trong các yêu cầu “sắp xếp và thiết kế” cơ bản.
• Hệ mét (mm)
- Sử dụng mm cho các yêu cầu “cơ khí và sản xuất” như kích thước lỗ và kích thước bảng mạch
• Chuyển đổi giữa đơn vị chuẩn sang đơn vị hệ mét:
100 thou (0.1 inch) = 2.54 mm
1 mm = 39.37 thou
Lưu ý rằng: 1 inch còn được biết đến với tên gọi là 1 pitch. Do đó, chúng ta thường thấy cụm từ “0,1 inch pitch”, hay đơn giản hơn là “0.1 pitch” và thường được sử dụng cho khoảng các giữa các chân trong các linh kiện.
100 mil là “điểm tham chiếu” cơ bản cho tất cả các khoảng cách của thiết kế PCB và khoảng các linh kiện thường là bội số hoặc phân số của đơn vị cơ bản đó. 50 mil và 200 mil là những đơn vị điển hình.
2. Khái niệm Grid – Khung lưới
Quy tắc thiết kế PCB quan trọng thứ 2, thường rất hay bị những người mới bắt đầu bỏ qua đó là đặt bảng mạch trên một Grid cố định. Cái đó gọi là “Grid căn chỉnh”, giống như con trỏ của bạn, các linh kiện và các dây sẽ “căn chỉnh” trên các vị trí grid cố định. Không cần phải nhớ tất cả kích thước của grid mà chỉ cần nhớ kích thước cơ bản.
- 100 mil là một grid tiêu chuẩn cơ bản cho việc tạo lỗ.
- 50 mil làm chuẩn cho việc đi dây, như chạy các dây giữa các lỗ xuyên qua.
- Đối với những thiết kế tỉ mỉ hơn, bạn có thể sử dụng grid căn chỉnh 25 mil hoặc nhỏ hơn nữa.
- Đối với mạch in sử dụng linh kiện hàn dán, chúng ta cần sử dụng grid có kích thước nhỏ hơn như 10 mil hay 5 mil.
• Tại sao một grid căn chỉnh thô lại quan trọng?
- Nó sẽ giữ cho các linh kiện của bạn ngăn nắp và cân đối;
- Đem lại sự dễ chịu về mặt thẩm mĩ.
- Giúp cho các công việc: chỉnh sửa, kéo thả, di chuyển và căn lề các dây, các linh kiện và các khối linh kiện trở nên dễ dàng hơn khi kích thước và độ phức tạp của việc đi dây tăng.
• Để sắp xếp PCB tốt bạn cần bắt đầu với grid thô là 50 mil và tăng dần độ mịn của grid căn chỉnh nếu thiết kế của bạn thiếu khoảng trống.. Giảm xuống đến 25 mil và 10 mil cho các đường đi nhỏ và sắp đặt khi cần. Để đảm bảo grid mịn hơn bạn chọn một ước số phù hợp của 100 mil. Thường là 50, 25, 20, 10, hoặc 5 mil.
• Các loại grid trong chương trình thiết kế PCB:
- grid căn chỉnh như đã được nói ở trên,
- grid “nhìn thấy được”, là một grid tuỳ chọn trên màn hình theo chức năng của khối hoặc các đường nét, hoặc các điểm. Nó hiển thị như một phông nền phía sau bản thiết kế và hỗ trợ việc sắp đặt các linh kiện và các dây.
- Grid “điện”, không nhìn thấy, nhưng nó giúp cho con trỏ căn chỉnh vào chính giữa của các tiếp xúc điện như các dây và các lỗ, khi đặt con trỏ đủ gần. Nó cực kỳ hữu ích cho việc đi dây, hiệu chỉnh và di chuyển các đối tượng thực hiện bằng tay.
- Grid “linh kiện”, làm việc giống như grid căn chỉnh, nhưng chỉ dành cho việc di chuyển linh kiện. Grid này cho phép căn chỉnh linh kiện trên một grid khác. Nó là bội số của grid căn chỉnh mà bạn sử dụng.
3. Track – Dây đồng
- Không có tiêu chuẩn quy định cho kích cỡ dây.
- Kích cỡ dây sẽ phụ thuộc vào yêu cầu về điện của thiết kế, khoảng trống đường đi, và quyết định bởi chính sở thích của người thiết kế. Mỗi thiết kế sẽ có một tập các yêu cầu về điện khác nhau, các yêu cầu này có thể thay đổi tuỳ vào các dây trên bảng mạch.
- Tất cả các thiết kế không giới hạn cơ bản sẽ sử dụng nhiều kích cỡ dây. Nói chung, dây càng lớn càng tốt. Các dây lớn hơn có trở kháng DC thấp hơn, độ tự cảm thấp hơn, nhà chế tạo có thể khắc axit dễ dàng hơn và rẻ hơn, dễ kiểm tra và sửa lỗi.
- Giới hạn dưới của độ rộng dây sẽ phụ thuộc vào tỷ lệ “track/space – dây/không gian” mà nhà sản xuất PCB có thể đáp ứng. Ví dụ, một nhà sản xuất đưa ra tỷ lệ track/space là 10/8, có nghĩa là các dây không thể có độ rộng nhỏ hơn 10 mil, và khoảng cách giữa các dây (hoặc các pad, hoặc bất cứ bộ phận bằng đồng nào) không thể nhỏ hơn 8 mil.
- Tỉ lệ thực tế là 10/10 và 8/8 cho các bảng mạch cơ bản. Chuẩn IPC khuyến nghị 4mil là giới hạn dưới.
- Tỉ lệ track/space càng nhỏ, nhà sản xuất càng phải cẩn thận hơn khi căn lề và khắc axit lên bảng mạch. Họ sẽ tính cả chi phí đó, vì vậy mà không nên làm nhỏ hơn những gì mình cần.
- Người mới bắt đầu thích sử dụng lựa chọn 25mil cho các dây tín hiệu, 50mil cho dây nguồn và đất, và 10-15 mil để đi dây giữa IC và các chân linh kiện.
- Nhiều nhà thiết kế thích các track tín hiệu nhỏ hơn như 10 hoặc 15 mil, trong khi nhiều người khác lại thích các track to hơn.
- Thực tế thì một thiết kế tốt là giữ cho các track càng to càng tốt, sau đó chuyển thành các track nhỏ hơn chỉ khi cần thỏa mãn các yêu cầu khoảng trống.
- Việc thay đổi kích thước track từ to sang nhỏ rồi sau đó khôi phục
kích thước ban đầu được gọi là “cổ”, hay “thắt cổ”.
+ Sử dụng khi bạn phải đi dây giữa các chân IC hay các chân linh kiện.
+ Cho phép có được các track to đẹp và trở kháng nhỏ, nhưng vẫn giữ được tính mềm dẻo khi đi giữa các chỗ hẹp.
+ Trên thực tế thì độ rộng các track được quyết định bởi dòng điện chạy qua nó và nhiệt độ lớn nhất mà track có thể chịu đựng được. Các track có trở kháng nhất định nên nó sẽ toả nhiệt giống như một điện trở. Track càng lớn thì trở kháng càng nhỏ. Độ dày của lớp đồng trên bảng mạch cũng toả nhiệt một phần.
4. Pad – Lỗ đồng
- Kích cỡ, hình dạng và kích thước pad không chỉ phụ thuộc vào các linh kiện sử dụng, mà nó còn phụ thuộc vào phương pháp sản suất để lắp ráp bảng mạch và các vấn đề khác nữa.
- Một thông số quan trọng đó là tỷ lệ pad/hole (lỗ đồng/lỗ khoan).
+ Mỗi nhà sản xuất sẽ phải đưa ra thông số kỹ thuật tối thiểu cho tỷ lệ này.
+ Một quy tắc đơn giản là đường kính của pad ít nhất phải lớn gấp 1.8 lần đường kính của hole, hoặc ít ra phải rộng hơn 0.5 mm. Điều đó cho phép dung sai căn chỉnh giữa máy khoan và hình ảnh minh hoạ trên các lớp top và bottom. Tỉ lệ này càng quan trọng hơn đối với các pad và hole có kích thước nhỏ, và nó có quan hệ chặt chẽ tới các via.
- Một số thói quen phổ biến: các pad bao quanh chân các linh kiện như điện trở, tụ và IC có đường kính là 60 mil, pad cho diode là 70 mil.
- Hầu hết các linh kiện hàn dán sử dụng các pad hình chữ nhật.
- Các linh kiện khác thì dựa vào số lượng các chân, như các conector và các khối điện trở SIP, vẫn luôn dựa theo quy tắc “chân 1 hình chữ nhật”.
- Các pad hình bát giác ít được sử dụng, và hầu như nên tránh. Quy tắc chung là sử dụng các pad hình tròn hay hình bầu dục khi không sử dụng pad hình chữ nhật.
5. Via – Lỗ xuyên mặt
- Các via kết nối các track từ một mặt này tới mặt khác của bảng mạch, bằng cách đi qua một hole trên bảng mạch. Các via được tạo ra với những hole đã được mạ kim loại dẫn điện, gọi là các lỗ xuyên mặt (PTH – Planted Through Holes). PTH cho phép nối điện giữa những lớp khác nhau trên bảng mạch.
- Vậy sự khác nhau giữa via và pad là gì?
+ Thực tế chúng không khác nhau nhiều lắm, chúng đều là các hole được mạ điện. Nhưng có một số điểm khác nhau khi chúng cùng đi với các bộ thiết kế PCB. Các pad và các via nên nghiên cứu theo cách khác nhau.
+ Các hole trong các via thường nhỏ hơn so với các pad một chút, phổ biến là 0.5-0.7mm.
+ Sử dụng một via để kết nối hai lớp thường được gọi là “mũi khâu”, giống như bạn khâu cả hai lớp lại với nhau một cách hiệu quả, như một kim xâu chỉ xuyên qua xuyên lại một vật liệu.
6. Polygon – Lớp phủ đồng
Một polygon tự động phủ một lớp đồng lên một vùng mong muốn, nhưng chỉ chảy vòng quanh và tách biệt với các pad và các track khác. Chúng rất có ích cho việc đặt những vùng tiếp đất. Các polygon được đặt sau khi đã hoàn thành việc sắp đặt các pad và các track.
Polygon có thể là một trong hai cách phủ kín thành dải đồng hoặc phủ mắt lưới đan bởi các track đồng. Cách phủ kín thường được ưa chuộng hơn, cách phủ mắt lưới thì cũ hơn.
- Kích cỡ, hình dạng và kích thước pad không chỉ phụ thuộc vào các linh kiện sử dụng, mà nó còn phụ thuộc vào phương pháp sản suất để lắp ráp bảng mạch và các vấn đề khác nữa.
- Một thông số quan trọng đó là tỷ lệ pad/hole (lỗ đồng/lỗ khoan).
+ Mỗi nhà sản xuất sẽ phải đưa ra thông số kỹ thuật tối thiểu cho tỷ lệ này.
+ Một quy tắc đơn giản là đường kính của pad ít nhất phải lớn gấp 1.8 lần đường kính của hole, hoặc ít ra phải rộng hơn 0.5 mm. Điều đó cho phép dung sai căn chỉnh giữa máy khoan và hình ảnh minh hoạ trên các lớp top và bottom. Tỉ lệ này càng quan trọng hơn đối với các pad và hole có kích thước nhỏ, và nó có quan hệ chặt chẽ tới các via.
- Một số thói quen phổ biến: các pad bao quanh chân các linh kiện như điện trở, tụ và IC có đường kính là 60 mil, pad cho diode là 70 mil.
- Hầu hết các linh kiện hàn dán sử dụng các pad hình chữ nhật.
- Các linh kiện khác thì dựa vào số lượng các chân, như các conector và các khối điện trở SIP, vẫn luôn dựa theo quy tắc “chân 1 hình chữ nhật”.
- Các pad hình bát giác ít được sử dụng, và hầu như nên tránh. Quy tắc chung là sử dụng các pad hình tròn hay hình bầu dục khi không sử dụng pad hình chữ nhật.
5. Via – Lỗ xuyên mặt
- Các via kết nối các track từ một mặt này tới mặt khác của bảng mạch, bằng cách đi qua một hole trên bảng mạch. Các via được tạo ra với những hole đã được mạ kim loại dẫn điện, gọi là các lỗ xuyên mặt (PTH – Planted Through Holes). PTH cho phép nối điện giữa những lớp khác nhau trên bảng mạch.
- Vậy sự khác nhau giữa via và pad là gì?
+ Thực tế chúng không khác nhau nhiều lắm, chúng đều là các hole được mạ điện. Nhưng có một số điểm khác nhau khi chúng cùng đi với các bộ thiết kế PCB. Các pad và các via nên nghiên cứu theo cách khác nhau.
+ Các hole trong các via thường nhỏ hơn so với các pad một chút, phổ biến là 0.5-0.7mm.
+ Sử dụng một via để kết nối hai lớp thường được gọi là “mũi khâu”, giống như bạn khâu cả hai lớp lại với nhau một cách hiệu quả, như một kim xâu chỉ xuyên qua xuyên lại một vật liệu.
6. Polygon – Lớp phủ đồng
Một polygon tự động phủ một lớp đồng lên một vùng mong muốn, nhưng chỉ chảy vòng quanh và tách biệt với các pad và các track khác. Chúng rất có ích cho việc đặt những vùng tiếp đất. Các polygon được đặt sau khi đã hoàn thành việc sắp đặt các pad và các track.
Polygon có thể là một trong hai cách phủ kín thành dải đồng hoặc phủ mắt lưới đan bởi các track đồng. Cách phủ kín thường được ưa chuộng hơn, cách phủ mắt lưới thì cũ hơn.
7. Clearances – Khoảng hở
- Khoảng cách về điện là một yêu cầu quan trọng cho mọi bảng mạch. Một khoảng cách quá sát giữa các track và các pad có thể dẫn tới các chập mạch đường mảnh như sợi tóc và khó khắc axit trong quá trình sản xuất. Điều này có thể gây khó khăn cho việc tìm ra lỗi khi lắp ráp bảng mạch. Đừng “vượt các giới hạn” của nhà sản xuất trừ khi bạn phải làm vậy, cố gắng thực hiện đề nghị của họ về khoảng trống nhỏ nhất nếu có thể.
- 15 mil là một giới hạn khoảng cách nhỏ nhất cho các thiết kế hole cơ bản, với 10 mil hoặc 8 mil được sử dụng cho các sắp đặt có nhiều linh kiện hàn dán.
- Với các điện áp lớn 240V trên PCB có rất nhiều yêu cầu, và bạn cần tham khảo các tiêu chuẩn có liên quan nếu bạn đang thực hiện công việc này.
- Với các điện áp không phải điện áp lớn, tiêu chuẩn IPC đã đưa ra bảng quy định khoảng các cần thiết cho các giá trị điện áp khác nhau.
- Khoảng cách về điện là một yêu cầu quan trọng cho mọi bảng mạch. Một khoảng cách quá sát giữa các track và các pad có thể dẫn tới các chập mạch đường mảnh như sợi tóc và khó khắc axit trong quá trình sản xuất. Điều này có thể gây khó khăn cho việc tìm ra lỗi khi lắp ráp bảng mạch. Đừng “vượt các giới hạn” của nhà sản xuất trừ khi bạn phải làm vậy, cố gắng thực hiện đề nghị của họ về khoảng trống nhỏ nhất nếu có thể.
- 15 mil là một giới hạn khoảng cách nhỏ nhất cho các thiết kế hole cơ bản, với 10 mil hoặc 8 mil được sử dụng cho các sắp đặt có nhiều linh kiện hàn dán.
- Với các điện áp lớn 240V trên PCB có rất nhiều yêu cầu, và bạn cần tham khảo các tiêu chuẩn có liên quan nếu bạn đang thực hiện công việc này.
- Với các điện áp không phải điện áp lớn, tiêu chuẩn IPC đã đưa ra bảng quy định khoảng các cần thiết cho các giá trị điện áp khác nhau.
