Khi bắt đầu thiết kế mới, phần lớn thời gian được dành cho thiết kế mạch và lựa chọn thành phần, và PCB khâu bố trí và đi dây thường không được xem xét một cách toàn diện do thiếu kinh nghiệm. Việc không dành đủ thời gian và nỗ lực cho việc bố trí PCB và giai đoạn định tuyến của thiết kế có thể dẫn đến các vấn đề ở giai đoạn sản xuất hoặc các lỗi chức năng khi thiết kế được chuyển đổi từ miền kỹ thuật số sang thực tế vật lý. Vì vậy, chìa khóa để thiết kế một bảng mạch xác thực cả trên giấy và dưới dạng vật lý là gì? Hãy cùng khám phá năm nguyên tắc thiết kế PCB hàng đầu cần biết khi thiết kế một PCB có thể sản xuất và chức năng.

1 – Tinh chỉnh bố cục thành phần của bạn

Giai đoạn sắp xếp thành phần của quá trình bố trí PCB là cả một khoa học và một nghệ thuật, đòi hỏi sự cân nhắc chiến lược của các thành phần chính có sẵn trên bo mạch. Mặc dù quá trình này có thể đầy thách thức, nhưng cách bạn đặt thiết bị điện tử sẽ xác định mức độ dễ dàng sản xuất bảng mạch của bạn và mức độ đáp ứng các yêu cầu thiết kế ban đầu của bạn.

Mặc dù có một thứ tự chung chung cho vị trí linh kiện, chẳng hạn như vị trí tuần tự của đầu nối, linh kiện gắn PCB, mạch nguồn, mạch chính xác, mạch quan trọng, v.v., nhưng cũng có một số hướng dẫn cụ thể cần ghi nhớ, bao gồm:

Định hướng – Đảm bảo rằng các bộ phận tương tự được định vị theo cùng một hướng sẽ giúp đạt được quy trình hàn hiệu quả và không có lỗi.

Vị trí – Tránh đặt các thành phần nhỏ hơn phía sau các thành phần lớn hơn, nơi chúng có thể bị ảnh hưởng bởi quá trình hàn các thành phần lớn hơn.

Tổ chức – Khuyến nghị rằng tất cả các thành phần gắn trên bề mặt (SMT) được đặt trên cùng một mặt của bo mạch và tất cả các thành phần có lỗ xuyên qua (TH) được đặt ở trên cùng của bo mạch để giảm thiểu các bước lắp ráp.

Một nguyên tắc thiết kế PCB cuối cùng – khi sử dụng các thành phần công nghệ hỗn hợp (thành phần xuyên lỗ và gắn trên bề mặt), nhà sản xuất có thể yêu cầu các quy trình bổ sung để lắp ráp bo mạch, điều này sẽ làm tăng thêm chi phí tổng thể của bạn.

Hướng thành phần chip tốt (trái) và hướng thành phần chip xấu (phải)

Vị trí thành phần tốt (bên trái) và vị trí thành phần xấu (bên phải)

Số 2 – Vị trí thích hợp của nguồn điện, nối đất và dây tín hiệu

Sau khi đặt các thành phần, bạn có thể đặt nguồn điện, nối đất và dây tín hiệu để đảm bảo rằng tín hiệu của bạn có một đường dẫn sạch sẽ, không gặp sự cố. Ở giai đoạn này của quá trình bố trí, hãy ghi nhớ các nguyên tắc sau:

Xác định vị trí nguồn điện và các lớp mặt phẳng tiếp đất

Chúng tôi luôn khuyến nghị rằng nguồn cấp điện và các lớp mặt phẳng tiếp đất được đặt bên trong bảng sao cho đối xứng và ở giữa. Điều này giúp bảng mạch của bạn không bị cong, điều này cũng rất quan trọng nếu các linh kiện của bạn được đặt đúng vị trí. Để cấp nguồn cho IC, nên sử dụng một kênh chung cho mỗi nguồn điện, đảm bảo độ rộng dây chắc chắn và ổn định, và tránh kết nối nguồn Daisy chain giữa thiết bị với thiết bị.

Cáp tín hiệu được kết nối thông qua dây cáp

Tiếp theo, đấu nối dây tín hiệu theo thiết kế trong sơ đồ nguyên lý. Bạn nên luôn đi đường ngắn nhất có thể và đường dẫn trực tiếp giữa các thành phần. Nếu các thành phần của bạn cần được định vị theo chiều ngang mà không bị sai lệch, về cơ bản, bạn nên nối dây các thành phần của bảng theo chiều ngang nơi chúng ra khỏi dây và sau đó nối theo chiều dọc sau khi chúng ra khỏi dây. Điều này sẽ giữ linh kiện ở vị trí nằm ngang khi vật hàn di chuyển trong quá trình hàn. Như được hiển thị trong nửa trên của hình dưới đây. Hệ thống dây tín hiệu thể hiện ở phần dưới của hình có thể gây ra hiện tượng lệch linh kiện khi chất hàn chảy trong quá trình hàn.

Hệ thống dây điện được khuyến nghị (các mũi tên chỉ ra hướng dòng hàn)

Đi dây không được khuyến nghị (mũi tên chỉ ra hướng dòng hàn)

Xác định độ rộng mạng

Thiết kế của bạn có thể yêu cầu các mạng khác nhau sẽ mang các dòng điện khác nhau, điều này sẽ xác định độ rộng mạng cần thiết. Xem xét yêu cầu cơ bản này, nên cung cấp độ rộng 0.010 “(10 triệu) cho các tín hiệu kỹ thuật số và tương tự hiện tại thấp. Khi dòng điện đường dây của bạn vượt quá 0.3 ampe, nó nên được mở rộng. Đây là công cụ tính độ rộng dòng miễn phí để giúp quá trình chuyển đổi dễ dàng.

Số ba. – Cách ly hiệu quả

Có thể bạn đã từng trải nghiệm mức điện áp và dòng điện tăng vọt trong các mạch cung cấp điện có thể gây trở ngại cho các mạch điều khiển dòng điện hạ áp của bạn như thế nào. Để giảm thiểu các vấn đề nhiễu như vậy, hãy làm theo các hướng dẫn sau:

Cách ly – Đảm bảo rằng mỗi nguồn điện được giữ riêng biệt với nguồn điện và nguồn điều khiển. Nếu bạn phải kết nối chúng với nhau trong PCB, hãy đảm bảo rằng nó càng gần cuối đường dẫn điện càng tốt.

Bố trí – Nếu bạn đã đặt mặt phẳng đất ở lớp giữa, hãy đảm bảo đặt một đường trở kháng nhỏ để giảm nguy cơ nhiễu mạch nguồn và giúp bảo vệ tín hiệu điều khiển của bạn. Có thể tuân theo các nguyên tắc tương tự để giữ kỹ thuật số và tương tự của bạn tách biệt.

Khớp nối – Để giảm hiện tượng ghép nối điện dung do đặt các mặt phẳng lớn trên mặt đất và đi dây bên trên và bên dưới chúng, hãy cố gắng chỉ nối đất mô phỏng qua các đường tín hiệu tương tự.

Ví dụ về cách ly thành phần (kỹ thuật số và tương tự)

Số 4 – Giải quyết vấn đề nhiệt

Bạn đã bao giờ bị suy giảm hiệu suất mạch hoặc thậm chí là hỏng bảng mạch do các vấn đề về nhiệt chưa? Do không tính đến khả năng tản nhiệt nên đã có nhiều vấn đề làm đau đầu nhiều nhà thiết kế. Dưới đây là một số nguyên tắc cần ghi nhớ để giúp giải quyết các vấn đề về tản nhiệt:

Xác định các thành phần rắc rối

Bước đầu tiên là bắt đầu suy nghĩ xem thành phần nào sẽ tản nhiệt ra khỏi bo mạch nhiều nhất. Điều này có thể được thực hiện trước tiên bằng cách tìm mức “nhiệt trở” trong bảng dữ liệu của linh kiện và sau đó làm theo các hướng dẫn được đề xuất để truyền nhiệt được tạo ra. Tất nhiên, bạn có thể thêm bộ tản nhiệt và quạt làm mát để giữ cho các bộ phận luôn mát mẻ, đồng thời nhớ để các bộ phận quan trọng tránh xa mọi nguồn nhiệt cao.

Thêm miếng đệm khí nóng

Việc bổ sung các miếng đệm khí nóng rất hữu ích cho các bảng mạch bền, chúng rất cần thiết cho các thành phần có hàm lượng đồng cao và các ứng dụng hàn sóng trên bảng mạch đa lớp. Do khó duy trì nhiệt độ của quá trình, nên sử dụng đệm khí nóng trên các linh kiện có lỗ xuyên qua để làm cho quá trình hàn trở nên đơn giản nhất có thể bằng cách làm chậm tốc độ tản nhiệt ở các chân của linh kiện.

Theo nguyên tắc chung, luôn kết nối bất kỳ lỗ xuyên qua hoặc lỗ xuyên nào được kết nối với mặt đất hoặc mặt phẳng nguồn bằng cách sử dụng đệm khí nóng. Ngoài miếng đệm khí nóng, bạn cũng có thể thêm giọt nước mắt tại vị trí đường kết nối miếng đệm để cung cấp thêm giá đỡ lá đồng / kim loại. Điều này sẽ giúp giảm căng thẳng cơ học và nhiệt.

Kết nối đệm khí nóng điển hình

Khoa học đệm khí nóng:

Nhiều kỹ sư phụ trách Quy trình hoặc SMT trong một nhà máy thường gặp phải năng lượng điện tự phát, chẳng hạn như các lỗi bảng điện như trống tự phát, khử ẩm hoặc ướt lạnh. Không có vấn đề làm thế nào để thay đổi các điều kiện quá trình hoặc nhiệt độ lò hàn trở lại điều chỉnh như thế nào, có một tỷ lệ nhất định của thiếc không thể hàn được. Cái quái gì đang xảy ra ở đây?

Ngoài vấn đề oxy hóa các thành phần và bảng mạch, hãy điều tra sự trở lại của nó sau khi một phần rất lớn của mối hàn hiện có thực sự đến từ thiết kế hệ thống dây (bố trí) bảng mạch bị thiếu và một trong những lỗi phổ biến nhất là trên các thành phần của một một số chân hàn kết nối với tấm đồng có diện tích lớn, các thành phần này sau khi hàn lại chân hàn hàn, Một số linh kiện được hàn bằng tay cũng có thể gây ra các vấn đề hàn hoặc ốp giả do các trường hợp tương tự, và một số thậm chí không thể hàn các thành phần do nhiệt độ quá lâu.

PCB nói chung trong thiết kế mạch thường cần đặt một diện tích lớn lá đồng làm nguồn cấp (Vcc, Vdd hoặc Vss) và nối đất (GND, Ground). Những vùng lá đồng lớn này thường được kết nối trực tiếp với một số mạch điều khiển (ICS) và chân của các linh kiện điện tử.

Thật không may, nếu chúng ta muốn đốt nóng những vùng lá đồng lớn này đến nhiệt độ nóng chảy thiếc, thường mất nhiều thời gian hơn so với các miếng đệm riêng lẻ (làm nóng chậm hơn), và tản nhiệt nhanh hơn. Khi một đầu của dây dẫn bằng lá đồng lớn như vậy được kết nối với các thành phần nhỏ như điện trở nhỏ và điện dung nhỏ, còn đầu kia thì không, rất dễ xảy ra sự cố hàn do thiếc nóng chảy và thời gian đông đặc không nhất quán; Nếu không điều chỉnh tốt đường cong nhiệt độ của hàn nóng chảy lại và không đủ thời gian nung nóng sơ bộ, chân hàn của các bộ phận này được nối bằng lá đồng lớn sẽ dễ gây ra hiện tượng hàn ảo do chúng không thể đạt đến nhiệt độ thiếc nóng chảy.

Trong quá trình hàn tay, các mối hàn của các thành phần được kết nối với các lá đồng lớn sẽ tiêu tan quá nhanh để hoàn thành trong thời gian cần thiết. Các khuyết tật phổ biến nhất là hàn và hàn ảo, trong đó thuốc hàn chỉ được hàn vào chân của linh kiện và không được kết nối với miếng đệm của bảng mạch. Từ sự xuất hiện, toàn bộ mối hàn sẽ tạo thành một quả bóng; Hơn nữa, người vận hành để chân hàn vào bảng mạch và liên tục tăng nhiệt độ của mỏ hàn, hoặc đun quá lâu khiến linh kiện vượt quá nhiệt độ chịu nhiệt và hư hỏng mà không hề hay biết. Như hình bên dưới.

Vì chúng tôi biết điểm vấn đề, chúng tôi có thể giải quyết vấn đề. Nói chung, chúng tôi yêu cầu cái gọi là thiết kế miếng đệm tản nhiệt để giải quyết vấn đề hàn gây ra bởi chân hàn của các phần tử kết nối lá đồng lớn. Như trong hình bên dưới, hệ thống dây điện bên trái không sử dụng đệm khí nóng, trong khi hệ thống dây điện bên phải sử dụng kết nối đệm khí nóng. Có thể thấy, chỉ có một số đường nhỏ ở khu vực tiếp xúc giữa miếng đệm và lá đồng lớn, điều này có thể hạn chế rất nhiều sự thất thoát nhiệt độ trên miếng đệm và đạt được hiệu quả hàn tốt hơn.

Số 5 – Kiểm tra công việc của bạn

Thật dễ dàng để cảm thấy choáng ngợp khi kết thúc một dự án thiết kế khi bạn đang bận rộn và nhồi nhét tất cả các phần lại với nhau. Do đó, kiểm tra gấp đôi và ba lần nỗ lực thiết kế của bạn ở giai đoạn này có thể có nghĩa là sự khác biệt giữa thành công và thất bại trong sản xuất.

Để giúp hoàn thành quy trình kiểm soát chất lượng, chúng tôi luôn khuyên bạn nên bắt đầu với kiểm tra Quy tắc điện (ERC) và kiểm tra Quy tắc thiết kế (DRC) để xác minh rằng thiết kế của bạn đáp ứng đầy đủ tất cả các quy tắc và ràng buộc. Với cả hai hệ thống, bạn có thể dễ dàng kiểm tra chiều rộng khe hở, chiều rộng đường, Cài đặt sản xuất phổ biến, yêu cầu tốc độ cao và ngắn mạch.

Khi ERC và DRC của bạn tạo ra kết quả không có lỗi, bạn nên kiểm tra dây của từng tín hiệu, từ sơ đồ đến PCB, từng đường tín hiệu tại một thời điểm để đảm bảo rằng bạn không thiếu bất kỳ thông tin nào. Ngoài ra, hãy sử dụng khả năng thăm dò và tạo mặt nạ của công cụ thiết kế của bạn để đảm bảo rằng vật liệu bố trí PCB phù hợp với sơ đồ của bạn.