Nguyên tắc bố trí và đi dây

- Ở điều kiện thông thường, các linh kiện nên được bố trí trên cùng một mặt của mạch in, chỉ khi mật độ linh kiện tại mặt Top quá cao, mới chuyển một số linh kiện có chiều cao hạn chế và

Nguyên tắc bố trí và đi dây

I Nguyên tắc bố trí trên PCB

• Sau khi đặt xong linh kiện, căn cứ cấu trúc cơ khí, tản nhiệt, nhiễu điện từ, tính thuận tiện trong việc đi dây để bố trí linh kiện hợp lý Thông qua việc di chuyển, xoay, đảo điều chỉnh việc bố trí linh kiện để thỏa mãn các yêu cầu Trong quá trình bố trí linh kiện, cũng cần chú ý tới các lưới, ký hiệu…

• Việc bố trí linh kiện là đặt linh kiện trên các mặt của mạch in một cách hợp

lý Đây là bước đầu tiên trong quá trình thiết kế mạch in và là công việc tốn nhiều tinh thần nhất, và phải qua nhiều lần bố trí mới tương đối thỏa mãn các yêu cầu Đây là một trong những bước quan trọng nhất quyết định sự thành công của việc thiết kế mạch in và thỏa mãn các yêu cầu thiết kế

• Một bố trí tốt, trước hết phải thỏa mãn các đặc tính thiết kế mạch điện, kế tiếp là giới hạn về không gian lắp ráp Khi không có giới hạn về kích thước, phải bố trí sao cho các linh kiện có mật độ cao nhất, giảm thiểu kích thước, giảm thiểu chi phí sản xuất

• Để tạo ra mạch in có chất lượng tốt, giá cả hợp lý, gia công nhanh, việc bố trí mạch in cần tuân thủ các nguyên tắc cơ bản sau:

1 Nguyên tắc đặt linh kiện

- Tuân theo nguyên tắc: Khó trước-dễ sau, lớn trước-nhỏ sau Trước tiên, bố trí các IC và bán dẫn chính của mạch

- Ở điều kiện thông thường, các linh kiện nên được bố trí trên cùng một mặt của mạch in, chỉ khi mật độ linh kiện tại mặt Top quá cao, mới chuyển một số linh kiện có chiều cao hạn chế và phát nhiệt ít như: điện trở dán, tụ điện dán,

IC dán …đặt tại mặt Bottom, như trên hình vẽ

- Với yêu cầu đảm bảo đặc tính điện, các linh kiện nên bố trí tại ô lưới và đặt song song hoặc thẳng hàng với nhau, để gọn gàng, đẹp Thông thường, không cho phép chồng chéo linh kiện, các linh kiện cần được bố trí dày, các linh kiện đầu vào, đầu ra bố trí cách xa nhau

- Các linh kiện cùng loại nên bố trí trên cùng hướng X hoặc Y; Các linh kiện có cực tính cùng loại cũng cần bố trí cùng hướng trên X hoặc Y, giúp bố trí đối xứng với các mạch cùng cấu trúc trong quá trình sản xuất và điều chỉnh

- Tụ lọc nguồn của IC đặt gần chân nguồn của IC nhất có thể, trên nguyên tắc tần số cao gần nhất, tạo thành đường phản hồi ngắn nhất giữa nguồn

và đất Các tụ đặt phân bố xung quanh mạch IC

- Khi bố trí linh kiện, tính tới việc bố trí các linh kiện dùng chung nguồn ở gần nhau, thuận tiện trong việc phân chia nguồn trong về sau

- Giữa một số linh kiện hoặc đường mạch có thể có điện thế tương đối cao, nên tăng độ cách ly giữa chúng, tránh hiện tượng phóng điện, xuyên tâm dẫn đến ngắn mạch không mong muốn Các linh kiện mang điện áp cao nên bố trí tại vị trí ít động tới trong quá trình điều chỉnh

- Các linh kiện đặt tại biên của bo mạch cách biên bo mạch ít nhất 2 lần độ dày của bo mạch

- Đối với các linh kiện có trên 4 chân, không thực hiện việc lật chuyển, tránh xảy ra hiện tượng khi lắp ráp bị nhầm chân linh kiện

- Khoảng cách giữa hai linh kiện chân cắm lớn hơn 2mm, BGA và linh kiện lân cận lớn hơn 5mm, trở, tụ dán lớn hơn 0.7mm, chân linh kiện dán và lỗ via lân cận lớn hơn 2mm, linh kiện kết nối không đặt linh kiện khác xung quanh 5mm, xung quanh mặt hàn tiếp 5mm không đặt linh kiện dán

- Các linh kiện bố trí đều trên bo mạch, mật độ đồng nhất, trọng tâm cân đối

2 Các nguyên tắc bố trí theo hướng đi tín hiệu:

- Thường căn cứ đường đi tín hiệu từng bước sắp xếp ví trí các đơn nguyên mạch chức năng, lấy linh kiện quan trọng của mạch chức năng làm trung tâm, thực hiện bố trí xung quanh nó, cố gắng giảm nhỏ và rút ngắn đường mạch giữa các linh kiện

- Bố trí linh kiện nên làm tín hiệu lưu thông, làm tín hiệu giữ nguyên phương hướng, trong đa số tình huống hướng đi tín hiệu từ trái sang phải, từ trên xuống dưới, các linh kiện nối với cổng đầu vào, đầu ra nên đặt gần đầu vào, đầu ra hoặc xung quanh cổng liên kết

3 Phòng tránh nhiễu điện từ

- Với linh kiện phát xạ điện từ trường tương đối mạnh, và các linh kiện tương đối nhạy cảm điện từ, tăng khoảng cách giữa chúng hoặc thêm cách ly, hướng bố trí linh kiện nên vuông góc với đường mạch lân cận

- Cố gắng tránh lắp hỗn tạp các linh kiện điện áp cao, thấp, bố trí các linh kiện có tín hiệu mạnh, yếu giao nhau

- Đối với linh kiện có thể sinh ra từ trường, như biến áp, điện cảm…khi bố trí cần chú ý giảm các đường sức điện từ cắt các đường mạch in, hướng từ trường của các linh kiện cạnh nhau trực giao, giảm ngẫu hợp giữa chúng.

- Đối với các nguồn nhiễu, thực hiện bọc kim Phần bọc kim phải tiếp đất

- Với mạch làm việc ở tần số cao, cần tính tới ảnh hưởng tham số phân bố giữa các linh kiện

- Đới với các linh kiện có dòng lớn, thường bố trí gần với cổng đầu vào của nguồn, cần cách xa mạch có dòng nhỏ, và thêm vào tụ lọc

4 Tạp âm nhiệt mạch in

- Đối với các linh kiện sinh nhiệt, nên ưu tiên đặt tại vị trí thuận lợi tỏa nhiệt, thường bố trí tại biên của bo mạch, Khi cần có thể bố trí bộ tản nhiệt hoặc quạt làm mát, để giảm thấp nhiệt độ, giảm ảnh hưởng tới các linh kiện xung quanh

- Một số IC tiêu hao công suất lớn, bán dẫn công suất vừa, lớn, điện trở… cần bố trí tại nơi dễ tỏa nhiệt, và cách ly nhất định với các linh kiện khác

- Sensor nhiệt cần đặt sát linh kiện cần đo và cách xa khu vực nhiệt độ cao,

để tránh ảnh hưởng của các linh kiện phát nhiệt khác, dẫn tới sai sót

- Khi bố trí linh kiện trên hai mặt, mặt Bottom thường không đặt linh kiện phát nhiệt

5 Nâng cao độ chắc chắn cơ khí

- Cần chú ý tới cân bằng trọng tâm và ổn định của toàn bộ bo mạch, các linh kiện lớn và nặng cố gắng đặt gần các cổng cố định của bo mạch, và giảm thấp trọng tâm, nâng cao độ chắc chắn cơ khí và khả năng chống kéo, rung xóc và giảm hiện tượng võng, biến hình bo mạch

- Linh kiện có trọng lượng lớn hơn 15 g, không chỉ được gắn bằng hàn, mà nên có thêm giá kẹp để cố định

- Để giảm nhỏ thể tích hoặc nâng cao độ chắc chắn cơ khí, có thể thêm bo mạch bổ trợ, lắp ráp các linh kiện trọng lượng lớn như biến áp, rơ le… đặt trên bo mạch bổ trợ, sau đó cố định chúng bằng phụ kiện

- Hình dáng thông thường của bo mạch là hình chữ nhật Khi kích thước bo mạch lớn hơn 200x150mm, cần tính tới kết cấu cơ khí và gia cố khung cơ khí của bo mạch.

- Trên bo mạch cần lưu các vị trí lắp ráp, lỗ vít và vị trí dùng để liên kết, cố định Hình dưới đây là ví dụ về bố trí của một mạch điện

6 Bố trí các linh kiện có thể điều chỉnh

Việc bố trí các linh kiện có thể điều chỉnh: biến trở, biến dung, biến cảm hoặc chuyển mạch… cần tính tới yêu cầu cấu trúc tổng thể Nếu điều chỉnh

từ bên ngoài, cần bố trí vị trí của nó tương ứng với vị trí của nút điều chỉnh trên mặt hộp máy Nếu là điều chỉnh trong, bố trí tại vị trí dễ điều chỉnh

II Nguyên tắc đi dây trên PCB

Bố trí linh kiện và đi dây là hai công việc liên quan mật thiết với nhau, bố trí linh kiện tốt, xấu ảnh hưởng trực tiếp tới xác suất đi dây thành công Việc đi dây chịu ảnh hưởng của các yếu tố: bố trí linh kiện, lớp mạch in, cấu trúc mạch điện, các yêu cầu về tính năng điện…, Kết quả đi dây còn chịu ảnh hưởng trực tiếp của tính năng bo mạch Khi đi dây, cần tính tới tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng, mới thiết kế ra mạch in chất lượng cao Các phương pháp đi dây thường dùng hiện nay là:

- Đi dây trực tiếp: Phương pháp đi dây mạch in truyền thống khởi nguồn

sớm nhất từ bo mạch in một mặt Quá trình của nó là: Đầu tiên đi dây trực tiếp một hoặc một vài đường mạch quan trọng nhất từ điểm đầu tới cuối

Sau đó bố trí các mạch kém quan trọng hơn vòng qua các đường mạch trước đó Kỹ xảo thông dụng là lợi dụng các đường mạch đi qua linh kiện

để nâng cao hiệu suất đi dây Các đường mạch không đi dây được có thể thông qua các đường ngắn mạch ở mặt Top để giải quyết

- Đi dây trục tọa độ X-Y Đi dây trục tọa độ X-Y chỉ tất cả các đường mạch được bố trí trên một mặt mạch in song song với biên của bo mạch in, các đường dây được bố trí trên mặt liền kề trực giao với chúng Việc liên kết giữa các mặt thông qua các lỗ via

1 Lựa chọn lớp đi dây

Đi dây mạch in có thể sử dụng một mặt, hai mặt hoặc nhiều lớp Thông thường, trước tiên sử dụng một mặt, sau đến 2 mặt Nếu vẫn chưa thỏa mãn các yêu cầu thiết kết mới tính tới sử dụng bo mạch nhiều lớp

2 Nguyên tắc về độ rộng đường mạch in

- Độ rộng nhỏ nhất của đường mạch in chủ yếu quyết định bởi bộ bám chắc giữa đường mạch và lớp nền và dòng điện một chiều qua nó Với mạch in bằng đồng dày 0.05mm, độ rộng 1-1.5mm, dòng điện 2A, nhiệt độ tăng không quá 30C Do đó, thông thường chọn độ rộng đường mạch xung quang 1.5mm hoàn toàn có thể đáp ứng yêu cầu

Đối với mạch IC đặc biệt là các mạch số thông thường chọn 0.2-0.3mm là

đủ Chỉ cần mật độ cho phép, nên cố gắng sử dụng đường mạch rộng, đặc biệt là đường nguồn và đất

- Điện cảm của đường mạch in tỉ lệ thuận với độ dài, tỉ lệ nghịch với độ rộng

Do đó đường mạch ngắn và rộng là có lợi với nhiễu mạch in

- Độ rộng đường mạch in thường nhỏ hơn đường kính của chân hàn.

3 Nguyên tắc về khoảng cách giữa các đường mạch in

Khoảng cách nhỏ nhất giữa các đường mạch in do điện trở cách nhiệt và điện áp phóng điện giữa các đường mạch trong trường hợp xấu nhất quyết định Đường mạch càng ngắn, khoảng cách càng lớn điện trở cách nhiệt càng lớn Khi khoảng cách giữa các đường mạch là 1.5mm, điện trở cách nhiệt của nó lớn hơn 20M Ohm, cho phép điện áp là 300V Khi khoảng cách giữa các đường mạch là 1mm, cho phép điện áp là 200V Thông thường, chọn khoảng cách giữa các đường mạch từ 1-1.5mm hoàn toàn có thể đáp ứng yêu cầu Đối với mạch IC, đặc biệt là mạch số, chỉ cần công nghệ cho phép, có thể làm khoảng cách giữa các đường mạch rất nhỏ

4 Nguyên tắc thứ tự ưu tiên đi dây

- Nguyên tắc mật độ thưa: Đi dây bằng tay với các linh kiện kết nối đơn giản; Bắt đầu với các vùng có mật độ đường mạch thưa nhất; Căn cứ trạng thái

cá nhân

- Nguyên tắc ưu tiên hạt nhân: Nên ưu tiên đi dây các bộ phận hạt nhân như DDR, RAM…, các đường truyền tín hiệu nên có lớp đi riêng, nguồn, hồi tiếp đất, và các tín hiệu thứ yếu khác nên chú ý tới tổng thể, không được loại trừ lẫn nhau với các tín hiệu quan trọng

- Ưu tiên đường tín hiệu quan trọng: Nguồn, tín hiệu analog nhỏ, tín hiệu tốc

độ cao, tín hiệu đồng hồ, đồng bộ … được ưu tiên đi dây trước

5 Nguyên tắc đi dây đường mạch quan trọng

Đường mạch quan trọng bao gồm: đường clock, reset và tín hiệu yếu …

- Dùng đường đất để bao vùng clock, đường clock càng ngắn càng tốt; Vỏ thạch anh phải nối đất; Phía dưới của thạch anh và linh kiện nhạy cảm với nhiễu không nên đi dây

- Clock, bus tổng, tín hiệu chọn chip cần cách xa đường mạch I/O và connector, bộ tạo clock càng gần linh kiện sử dụng clock càng tốt

- Đường mạch clock dễ sinh ra nhiễu phát xạ điện từ nhất, khi đi dây nên gần đường hồi tiếp đất, đường clock trực giao với đường I/O nhiễu nhỏ hơn so với khi song song với đường I/O

- Đường tín hiệu nhỏ, xung quanh đường tần số thấp không nên tạo thành vòng dòng điện

- Đường đầu vào điện áp analog, cổng điện áp tham chiếu nhất định phải cố gắng để cách xa đường tín hiệu số, đặc biệt là đường tín hiệu clock

6 Nguyên tắc cơ bản đi dây đường tín hiệu

- Đường mạch vào, ra nên tránh đi song song, giữa các đường tín hiệu song song cố gắng có khoảng cách đủ lớn, tốt nhất thêm đường đất ở giữa, tạo tác dụng cách ly

- Đường mạch ở hai mặt mạch in nên trực giao, đi chéo hoặc vòng, tránh đi song song, giảm nhỏ ngẫu hợp ký sinh

- Khi đường tín hiệu có chênh lệch điện áp lớn, cần tăng khoảng cách giữa các đường mạch; Khi mật độ đường mạch nhỏ, đường mạch có thể to, khoảng cách giữa các đường mạch tăng lớn hợp lý

- Cố gắng có lớp riêng cho tín hiệu clock, tín hiệu cao tần, tín hiệu nhạy cảm các tín hiệu quan trọng, đồng thời đảm bảo diện tích đường hồi tiếp nhỏ nhất Nêu sử dụng phương pháp đi dây bằng tay ưu tiên, bọc kim và

mở rộng khoảng cách an toàn đảm bảo chất lượng tín hiệu

7 Nguyên tắc bố trí đường đất

- Thông thường, đường đất chung bố trí tại xung quanh bo mạch in, giúp tiếp đất với giá khi lắp ráp Giữa đường đất và biên của bo mạch còn lại một khoảng cách nhất định (không nhỏ hơn độ dầy), nó không chỉ liên quan tới việc lắp đặt, gia công mà còn nâng cao tính cách ly

- Trên mạch in, có gắng giữ lại là đồng làm đường đất, giúp cải thiện đặc tính truyền dẫn và tác dụng cách ly, giảm ảnh hưởng của tụ điện phân bố Đường đất không được thiết kế thành đường hồi tiếp kín Với tín hiệu thấp tần có thể sử dụng đơn điểm tiếp đất; với tín hiệu cao tần cần tiếp đất gần

và sử dụng phương thức tiếp đất diện tích lớn

- Nếu trên mạch in có linh kiện có dòng lớn, như rơ le, loa … đường đất của chúng tốt nhất là được đi riêng, giảm tạp âm của đất.

- Nguồn của mạch tương tự và mạch số, đường đất nên bố trí riêng, giúp giảm thiểu nhiễu lần nhau giữa mạch tương tự và mạch số Để tránh việc dòng điện của phần mạch số thông qua đường đất sinh ra nhiễu với phần mạch tương tự, thường sử dụng phương pháp chia cắt đường đất giúp các đường đất của từng bộ phận tạo thành đường hồi tiếp, sau đó mới nối với đất chung Ví dụ như trên hình, phần đất của mạch số và tương tự là riêng

Để đảm bảo tính hoàn chỉnh của tín hiệu, tại cổng nguồn, thông qua điện trở

0 Ohm hoặc cuộn cảm nhỏ để nối với đất chung

- Nguyên tắc mạch vòng nhỏ nhất: Diện tích vòng do đường tín hiệu và đường hồi tiếp đất tạo thành cần nhỏ nhất có thể, diện tích vòng càng nhỏ, phát xạ ra ngoài càng nhỏ, nhiễu thu từ bên ngoài cũng càng nhỏ, như trong hình trang trước Đối với nguyên tắc này, khi phân chia mặt tiếp đất, cần tính tới phân bố của đường tín hiệu quan trọng và mặt tiếp đất; với thiết kế hai lớp, trong tình huống cần lưu lại không gian đủ cho nguồn điện, thông thường phủ đất với phần còn dư lại, ngoài ra còn thêm vào một số via, giúp liên kết tín hiệu ở hai mặt, đối với các đường tín hiệu quan trọng, sử dụng đường đất cách ly

8 Nguyên tắc cách ly tín hiệu

- Khi linh kiện trên bo mạch in cần bọc kim cách ly, có thể chụp bọc kim bên ngoài linh kiện, ở mặt đối diện phía dưới ứng với vị trí linh kiện cũng chụp lên một chụp bọc kim dẹt (hoặc tấm kim loại), liên kết hai chụp bọc kim này với đất Theo đó tạo lên hộp bọc kim hoàn chỉnh

- Đường mạch in nếu cần cách ly, khi yêu cầu không cao, có thể sử dụng cách ly đường mạch in Đối với bo nhiều lớp, thường sử dụng qua lớp

nguồn và lớp đất, vừa giải quyết vấn đề đi dây đường nguồn, đường đất, vừa thực hiện cách ly đường tín hiệu

- Đối với một số tín hiệu quan trọng, như tín hiệu clock, tín hiệu đồng bộ hoặc tín hiệu tần số cao, nên tính tới việc sử dụng cách ly đường bao hoặc phủ đồng, sử dụng đường đất để cách ly trái phải, trên dưới đường mạch, đồng thời cũng tính đến việc liên kết đất cách ly với đất thực như trên hình vẽ.

9 Nguyên tắc khống chế độ dài đường mạch

Nguyên tắc khống chế độ dài đường mạch là nguyên tắc đường ngắn, khi thiết kế nên cố gắng co ngắn đường mạch, giảm nhiễu do độ dài đường mạch gây ra, như hình dưới đây

Đặc biệt là các đường tín hiệu quan trọng, như đường clock, bắt buộc đặt

bộ dao động gần với linh kiện sử dụng clock Khi cấp clock cho nhiều linh kiện thì căn cứ tình huống cụ thể