Xây dựng thư viện các linh kiện

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ BOARD NHÚNG HỆ ĐIỀU HÀNH LINUX

2.3. Xây dựng thư viện các linh kiện

2.3.2. Xây dựng thư viện các linh kiện

Trong phần này, cách xây dựng linh kiện sẽ được trình bày chi tiết. Cách xây dựng Pad của chân các loại linh kiện cho tới việc sắp xếp các Pad và đường viền bao quanh linh kiện. Pad và việc sắp xếp các Pad chính xác sẽ giúp đảm bảo linh kiện được hàn chắn chắn trên bề mặt và kết nối với đường mạch trong board. Trong khi

đó, đường viền của linh kiện sẽ giúp quan sát được các linh kiện có đặt trùng lên nhau hay không?

2.3.2.1. Tạo Pad cho chân linh kiện trong mạch in

Pad của chân linh kiện là phần diện tích có thể hàn chì một chân linh kiện lên được, và tất nhiên nó phải lớn hơn hoặc bằng kích thước chân lớn nhất trong thực tế.

Kích thước thêm vào để có Pad từ kích thước chân thực tế phụ thuộc vào các kiểu chân khác nhau. Khi thêm vào chắc chắn rằng khoảng trống giữa hai Pad sẽ bị thu hẹp lại. Các khoảng trống này được yêu cầu đủ lớn để hạn chế tối đa lỗi do công việc hàn linh kiện. Dưới đây trình bày cách tạo Pad các linh kiện cho các kiểu chân cụ thể.

- Kiểu chân Gull Wing

Ft T Fh w g

B

Hình 2-17 Pad của kiểu chân Gull Wing

Hình 2-17 thể hiện các kích thước cần quan tâm để tạo nên Pad của kiểu chân Gull Wing. Trong đó, vùng phủ màu đen tương ứng với chì sau khi đã được hàn. Các kích thước cụ thể sẽ được đề nghị như trong Bảng 2-3.

Hoàn toàn tương tự như trên, kiểu chân SOIC và SOP cũng có cách xây dựng Pad giống với kiểu chân Gull Wing nhưng có một số khác biệt. Kiểu chân SOIC có khoảng cách tâm giữa hai chân là 0,635 mm thì độ rộng của SOIC Pad từ 0,381 mm đến 0,4046 mm hoặc bằng độ rộng lớn nhất của chân linh kiện được ghi trong datasheet.

Còn kiểu chân SOIC có khoảng cách tâm giữa hai chân là 1,27 mm thì độ rộng của SOIC Pad từ 0,635 mm đến 0,762 mm, nếu là linh kiện có công suất lớn thì có thể làm độ rộng SOIC Pad lớn hơn 0,762 mm sao cho khoảng trống giữa hai Pad không được nhỏ hơn 0,2032 mm. Kiểu chân SOP có khoảng cách tâm giữa hai chân là 0,4

mm thì độ rộng của SOP Pad nhỏ nhất là 0,254 mm; còn nếu SOP có khoảng cách tâm giữa hai chân là 0,5 mm thì độ rộng của SOP Pad từ 0,2794 mm đến 0,3048 mm.

Bảng 2-3 Các kích thước Pad của kiểu chân Gull Wing

Mô tả Ký hiệu Công thức hoặc đề nghị

Pad cộng thêm hướng ra Ft (từ 1/3 tới 1/2) * T Pad cộng thêm hướng vào Fh (từ 2/3 tới 3/3) * T Độ rộng của Pad w B lớn nhất hoặc

B thông thường (B normal/typical) cộng thêm 0,0254 mm đến 0,0762 mm sao cho g không được nhỏ hơn 0,2032 mm

Khoảng trống giữa hai Pad g Không được nhỏ hơn 0,2032 mm hoặc Những linh kiện có khoảng cách giữa tâm của 2 chân liền kề nhỏ hơn 0,508 mm thì g phải nhỏ hơn 0,2794 mm

- Kiểu chân hình J

Ft T Fh w g

B

Hình 2-18 Pad của kiểu chân hình J

Bảng 2-4 Các kích thước Pad của kiểu chân hình J

Mô tả Ký hiệu Công thức hoặc đề nghị

Pad cộng thêm hướng ra Ft (từ 2/3 tới 3/2) * 2T Pad cộng thêm hướng vào Fh (từ 1/3 tới 1/2) * 2T

Độ rộng của Pad w B lớn nhất hoặc 0,254 mm Khoảng trống giữa hai Pad g Lớn hơn hoặc bằng 0,2032 mm

Kiểu chân hình J xuất hiện trong board chủ yếu thuộc kiểu đóng gói diode và cuộn dây. Các linh kiện này thường chịu dòng tải lớn nên Pad của các loại này có thể lớn hơn. Nhưng khoảng trống giữa các Pad “g” phải được đảm bảo theo quy tắc nêu trong Bảng 2-4.

- Kiểu chân LCC – Leadless Chip Carrier

Ft T Fh w g

B

Hình 2-19 Pad của kiểu chân LCC

Bảng 2-5 Các kích thước Pad của kiểu chân LCC

Mô tả Ký hiệu Công thức hoặc đề nghị

Pad cộng thêm hướng ra Ft 0,254 mm Pad cộng thêm hướng vào Fh 0,127 mm

Độ rộng của Pad w B + 0,254 mm

Khoảng trống giữa hai Pad g Lớn hơn hoặc bằng 0,2032 mm - Kiểu chân QFN – Quad Flat No-leads và MLF – Micro Lead Frame

Các kích thước trong Hình 2-20 sẽ không có đề nghị nào cụ thể mà dựa vào datasheet của từng linh kiện mà chọn giá trị phù hợp. Trong đó, sau khi tăng độ rộng của các Pad, khoảng trống giữa các Pad vẫn phải được đảm bảo lớn hơn 0,2032 mm.

Kiểu chân QFN và MLF có chân nối đất rất lớn ngay dưới bụng của linh kiện tên là

“Exposed Die Pad – E-Pad”, chân này còn một chức năng khác nữa là tản nhiệt rất tốt cho linh kiện nên nó còn có tên gọi khác là “Thermal Pin”. Thông thường, via sẽ được phân bố đều trên toàn bộ diện tích của chân này với mật độ thích hợp. Và các via này thuộc về linh kiện chứ không phải thuộc về board. Nghĩa là, các via có sẵn trong thư viện linh kiện chứ không cần phải thêm vào sau khi đưa linh kiện vào board.

Ft

Fh T

w g

B

e E

Hình 2-20 Pad của kiểu chân QFN và MLF - Kiểu chân Ceramic Chip (0603, 0805, 1210 …)

Ft T Fh w

B

H

Hình 2-21 Pad của kiểu chân Ceramic Chip

Bảng 2-6 Các kích thước Pad của kiểu chân Ceramic Chip

Mô tả Ký hiệu Công thức hoặc đề nghị

Pad cộng thêm hướng ra Ft 1/2 * H

Pad cộng thêm hướng vào Fh Lớn nhất là 0,254 mm

Độ rộng của Pad w B + 0,0762 mm

Kiểu chân Ceramic là kiểu rất phổ biến cho các loại tụ điện, điện trở và các loại cuộn dây. Trên board có rất nhiều linh kiện có kiểu chân này, nhưng nếu có cùng kiểu thì có thể sử dụng lại thư viện. Trong thư viện, mặc dù là kích thước giống nhau nhưng vẫn chia ra 3 loại linh kiện của kiểu chân này đó là điện trở, tụ điện và cuộn dây. Vì kiểu chân Ceramic rất thông dụng nên ngoài các kích thước được nêu ra ở

đây, các nhà sản xuất, hãng phân phối linh kiện có những đề nghị các giá trị kích thước có sai khác một ít nhưng vẫn có thể sử dụng để tạo linh kiện

- Kiểu chân BGA – Ball Grid Array

Viên b i chì Soldermask Đồng

Vị trí mở sold ermas k

D

S T

D P

Lớp cách điện của PCB Linh kiện kiểu chân BGA

Chì hàn

P

Hình 2-22 Pad của kiểu chân BGA Trong Hình 2-22:

- S là đường kính Pad của chân trên vỏ đóng gói của linh kiện - T là đường kính của viên bi chì dưới bụng linh kiện

- P là đường kính mở Soldermask – lớp chống dính chì - D là đường kính Pad đồng của linh kiện

Bảng 2-7 Các kích thước Pad của kiểu chân BGA

Khoảng cách tâm giữa hai chân Kích thước viên bi chì Kích thước đề nghị

0,8 mm (31,49 mils) Bất kỳ D = S

1 mm (39,37 mils) Bất kỳ D = S

0,5 mm (19,68 mils) Bất kỳ D = S (1)

Bất kỳ >= 0,635 mm (25 mils) D = S

Chú ý: (1) Trong trường hợp này, P < D, nghĩa là lớp soldermask phủ lên rìa của Pad; các trường hợp còn lại thì P > D.

Các linh kiện có kiểu chân BGA hầu hết là các loại MCU có hàng trăm chân hoặc các IC RAM. Trong board, MCU IMX 6 và các IC DDR3 DRAM có kiểu chân này.

Trong Bảng 2-7, kích thước của Pad được đề nghị ngoại trừ các yêu cầu khác từ nhà sản xuất. Linh kiện có kiểu chân BGA rất khó hàn, đặc biệt là ở Việt Nam. Do đó, phải tạo linh kiện thật sự chính xác để tránh những sai xót trong công đoạn hàn.

Khoảng cách tâm giữa hai chân lần lượt là 0,8 mm; 1 mm; 1,27 mm thì đường kính mở soldermask lớn hơn đường kính của Pad. Và khoảng cách tâm giữa hai chân chỉ là 0,5 mm thì bắt buộc đường kính mở soldermask nhỏ hơn đường kính của Pad.

Nhưng cần chú ý rằng, đường kính Pad trong hai trường hợp khác nhau, cụ thể là đường kính Pad của trường hợp khoảng cách tâm giữa hai chân là 0,5 mm thì nhỏ hơn.

2.3.2.2. Tạo linh kiện sử dụng trong mạch in

Trước khi tạo linh kiện, datasheet của linh kiện phải được tìm kiếm đầu tiên.

Trong đó, mục bản vẽ chi tiết các kích thước, khoảng cách, độ cao của linh kiện sẽ được trình bày ở một khu vực riêng và thường là ở phần đầu hoặc gần cuối của datasheet. Nhưng một số datasheet của một số connector thì liên kết tới một tệp riêng mô tả các thông tin này. Các kiểu đóng gói linh kiện rất nhiều hiện nay, do vậy phần trước chỉ trình các cách chọn kích thước Pad của một số loại linh kiện, từ đó có thể chọn các kích thước Pad của linh kiện khác sao cho phù hợp.

Tất cả các Pad có kích thước khác nhau của linh kiện phải được tạo trước khi đặt chúng vào đúng vị trí cần thiết. Lấy ví dụ, IC TXS02612 có chức năng mở rộng SDIO và chuyển mức logic. Theo datasheet của Texas Instrument, dòng IC này có 24 chân với 2 loại đóng gói QFN và BGA tương ứng với tên TXS02612RTWR và TXS02612ZQSR. Board iHearTech sử dụng IC TXS02612RTWR có hai loại Pad

bao gồm 24 Pad nguồn và tín hiệu có kích thước thực tế như Hình 2-23 và 1 Exposed Thermal Pad. Do vậy, hai loại Pad này phải được tạo trước khi tạo linh kiện TXS02612RTWR.

Hình 2-23 Kích thước Pad thực tế của IC TXS02612RTWR

Hình 2-23 chỉ mô tả một phần các kích thước của linh kiện, nhưng có thông tin rất quan trọng đó là khoảng cách giữa tâm của hai chân liền kề 0,5mm. Các Pad trong cùng hàng ngang hoặc hàng dọc phải được đặt chính xác 0,5mm không có sai số, vì nếu có sai số thì càng nhiều chân trên cùng một hàng thì sai số đó càng lớn. Việc đặt chính xác tất cả các Pad của linh kiện phải dựa vào các hình ảnh chi tiết khác trong datasheet. Trong một số datasheet, người ta có đề nghị các kích thước của Pad, của chân linh kiện thì nên tạo thư viện theo đề nghị này.

Sau khi đặt xong tất cả các Pad của linh kiện, đường bao quanh linh kiện phải được vẽ theo kích thước lớn nhất mà nhà sản xuất ghi. Các đường bao quanh này không được vẽ chồng lên Pad linh kiện mà phải ưu tiên tránh các Pad ra. Vì đường bao quanh của linh kiện sử dụng vật liệu cách điện và chỉ được in lên những nơi mà

mặt nạ chì được đóng lại mà tại các Pad thì được mở mặt nạ chì. Các đường bao quanh chính xác giúp tránh các linh kiện được đặt chạm nhau dẫn tới không hàn được.

Các linh kiện có chiều xác định như diode, LED, tụ tantalum, một số loại cuộn dây, tất cả IC, tất cả connector … phải có kí tự đánh dấu vị trí chân số một của linh kiện. Ngoài ra, một số linh kiện có số chân lên tới vài chục hoặc hàng trăm như IC audio codec, IC mở rộng USB … được sử dụng trong board iHearTech thì phải đánh số hoặc dấu gạch ngang “-” tại các chân có số thứ tự chia hết cho năm. Và các linh kiện có kiểu chân BGA (DDR3 DRAM và i.MX6 hai nhân) thì lại có kiểu đánh dấu chân khác tương tự như ô bàn cờ: hàng ngang thì đánh chữ cái, hàng dọc thì đánh số.