Giáo trình Thiết kế mạch in - Lê Hoàng Anh

pdf 204 trang ngocly 18/05/2021 1760
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Thiết kế mạch in - Lê Hoàng Anh", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_thiet_ke_mach_in_le_hoang_anh.pdf

Nội dung text: Giáo trình Thiết kế mạch in - Lê Hoàng Anh

  1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG GIÁO TRÌNH THIẾT KẾ MẠCH IN THS. LÊ HOÀNG ANH Tháng 4/2014
  2. LỜI NÓI ĐẦU Giáo trình “Thiết kế mạch in” được biên soạn dựa trên tài liệu “PCB Design Using OrCAD Capture and Layout” và kinh nghiệm thực tế của tác giả nhằm mục đích cung cấp cho sinh viên những kiến thức cơ bản về thiết kế sơ đồ mạch in trong lĩnh vực kỹ thuật điện-điện tử. Nội dung giáo trình giới thiệu về cấu tạo vật lý, quy trình thiết kế và sản xuất bo mạch in, giới thiệu những tổ chức và các tiêu chuẩn công nghiệp trong lĩnh vực thiết kế mạch in. Tài liệu này sử dụng phần mềm OrCAD phiên bản 9.2 để mô tả các thao tác trong quá trình thiết kế trên những ví dụ cụ thể giúp các bạn sinh viên dễ dàng tham khảo và thực tập các kỹ năng sử dụng phần mềm. Nội dung giáo trình gồm 8 chương và các phần phụ lục: Chương 1: Giới thiệu về cấu tạo vật lý của bo mạch in và chức năng của phần mềm hỗ trợ thiết kế. Chương 2: Trình bày tổng quát về các bước trong quy trình thiết kế mạch in. Chương 3: Hướng dẫn cách thiết lập Project và giới thiệu các công cụ cơ bản trong OrCAD Layout. Chương 4: Giới thiệu các tổ chức và các tiêu chuẩn thiết kế mạch in trong công nghiệp. Chương 5: Trình bày chi tiết về quy trình lắp ráp, cách thức hàn linh kiện, quy ước về khoảng cách giữa các linh kiện và nguyên tắc thiết kế footprint. Chương 6: Hướng dẫn sử dụng các công cụ thiết kế sơ đồ mạch nguyên lý trong OrCAD Capture. Chương 7: Hướng dẫn sử dụng các công cụ thiết kế sơ đồ mạch in trong OrCAD Layout. Chương 8: Ví dụ minh họa Phụ lục A: Danh sách tên viết tắt dạng đóng gói linh kiện và thư viện footprint tương ứng trong layout Phụ lục B: Sơ đồ mạch nguyên lý tham khảo Phụ lục C: Hướng dẫn cài đặt phần mềm orcad 9.2 Phụ lục D: Địa chỉ một số cơ sở sản xuất mạch in Phụ lục E: Hướng dẫn thi công bo mạch in một lớp Mọi thông tin góp ý xin vui lòng gửi về Khoa Cơ Điện-Điện Tử trường đại học Lạc Hồng. Địa chỉ: số 10 Huỳnh Văn Nghệ, phường Bửu Long, thành phố Biên Hòa, tỉnh Đồng Nai. Tác giả ThS. Lê Hoàng Anh lehoanganh.lhu@gmail.com
  3. MỤC LỤC Lời nói đầu CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1 1.1 Phần mềm hỗ trợ thiết kế và OrCAD 1 1.2 Quy trình gia công mạch in 2 Lớp lõi mạch in và cách sắp xếp các lớp 2 Quy trình sản xuất mạch in 4 Kỹ thuật in và ăn mòn hóa học 5 Kỹ thuật phay cơ khí 7 1.3 Chức năng của OrCAD Layout trong quy trình thiết kế mạch in 8 1.4 Định dạng file trong Layout 10 Định dạng file .MAX 10 File hậu xử lý (Gerber) 10 File và lớp lắp ráp linh kiện 10 CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH THIẾT KẾ MẠCH IN 12 2.1 Giới thiệu chung 12 2.2 Thiết kế sơ đồ mạch nguyên lý với Capture 12 Tạo project mới 12 Sắp xếp linh kiện 15 Kết nối mạch nguyên lý 17 Tạo file Layout netlist trong Capture 18 2.3 Thiết kế sơ đồ mạch in với Layout 19 Liên kết file netlist với Layout 19 Tạo đường bao bo mạch in 24 Sắp xếp footprint 26 Vẽ đường mạch in 26 Tối ưu hóa đường mạch in 27 CHƯƠNG 3: CẤU TRÚC CỦA MỘT PROJECT VÀ CÁC CÔNG CỤ TRONG LAYOUT 29 3.1 Thiết lập project 29
  4. Cấu trúc của project 29 Thư viện linh kiện (Library) 30 3.2 Môi trường và công cụ thiết kế mạch in trong Layout 31 File định dạng tiêu chuẩn kỹ thuật (Board technology files) 31 Tính năng tự động chọn footprint (AutoECO) 32 Giao diện chương trình và cửa sổ thiết kế (Session Frame và Design Window) 34 Thanh công cụ (Tool bar) 35 CHƯƠNG 4: CÁC TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ MẠCH IN TRONG CÔNG NGHIỆP 41 4.1 Các tổ chức tiêu chuẩn 41 4.2 Phân loại mạch in 41 Phân loại theo ứng dụng 41 Phân loại theo khả năng sản xuất 42 Phân loại theo cấu trúc 42 4.3 Các tiêu chuẩn chế tạo 43 4.4 Kích thước và sai số bo mạch in 43 Kích thước bảng mạch in tiêu chuẩn 43 Diện tích gá và hiệu suất sử dụng bo mạch in 43 Độ dày tiêu chuẩn bo mạch in 44 4.5 Đường mạch đồng và sai số ăn mòn 44 4.6 Kích thước lỗ khoan tiêu chuẩn 45 CHƯƠNG 5: QUY TRÌNH SẢN XUẤT BO MẠCH 46 5.1 Quy trình lắp ráp linh kiện 46 Lắp ráp linh kiện thủ công 46 Lắp ráp linh kiện tự động 46 5.2 Quy trình hàn linh kiện 49 Hàn linh kiện thủ công 49 Hàn linh kiện dạng sóng (Wave soldering) 49 Hàn linh kiện dạng sấy 50
  5. 5.3 Vị trí đặt và hướng của linh kiện 51 5.4 Khoảng cách tối thiểu giữa các linh kiện bố trí trên PCB 53 5.5 Thiết kế footprint và padstack theo yêu cầu sản xuất 55 Mẫu footprint linh kiện dán (SMD: Surface-Mounted Devices) 56 Thiết kế padstack cho linh kiện dán 57 Mẫu footprint linh kiện xuyên lỗ 59 Thiết kế padstack cho linh kiện dạng xuyên lỗ 60 CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ MẠCH NGUYÊN LÝ VỚI ORCAD CAPTURE. 63 6.1 Công cụ vẽ sơ đồ mạch nguyên lý 63 Select 63 Place part 63 Place wire 65 Place junction 67 Place Bus 68 Place bus entry 69 Place net alias 70 Place power, Place ground 71 Place no connect 72 Place port 72 Place text 74 Place line, Place polyline, Place rectangle, Place ellipse, Place arc 74 6.2 Chỉnh sửa linh kiện 75 Xoay linh kiện (Rotate) 75 Lấy đối xứng linh kiện theo phương ngang (Mirror Horizontally) 75 Lấy đối xứng linh kiện theo phương dọc (Mirror Vertically) 76 Chỉnh sửa chân linh kiện (Edit part) 76 6.3 Thay đổi kích thước trang vẽ mạch nguyên lý 79 6.4 Tạo linh kiện mới 80 6.5 Các bước thiết lập chuẩn bị cho việc thiết kế mạch in trên Layout 83
  6. Gán fooprint cho linh kiện trong Capture 84 Tạo nhóm cho các linh kiện có liên hệ với nhau 87 Ghi chú (Annotate) 88 Kiểm tra lỗi (Design rules check) 89 Tạo file Netlist 91 CHƯƠNG 7: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ MẠCH IN VỚI ORCAD LAYOUT 93 7.1 Tạo file Layout mới 93 Thư viện footprint trong Layout 93 Quy ước đặt tên thư viện footprint 95 7.2 Chỉnh sửa footprint 98 Công cụ Text tool 99 Công cụ Pin Tool 100 Công cụ Obstacle Tool 100 7.3 Thay đổi hệ đơn vị đo và kích thước lưới trang vẽ 101 7.4 Tạo footprint mới 102 Thêm chân Pin 103 Vẽ đường bao linh kiện 104 Thay đổi hình dạng Padstacks 107 Thay đổi kích thước lỗ khoan 108 Lưu footprint vừa tạo 109 7.5 Vẽ đường mạch in 110 Những chú ý về điện khi sắp xếp linh kiện trên PCB 110 Tụ Bypass và cách kết nối 111 Độ rộng đường mạch in và khả chịu dòng 112 Các công cụ vẽ đường mạch in 112 Thay đổi độ rộng đường mạch in 116 Chỉnh sửa, sắp xếp tên footprint 117 Vẽ đường bao bo mạch in 118 Phủ đồng, phủ mass 119
  7. Kích thước lỗ khoan (Drill chart) 122 7.6 Thiết kế mạch in nhiều lớp 122 Chọn lớp mạch in 123 Thêm via và dây jumper 123 Thay đổi hình dạng, kích thước Pad của via 124 Đo kích thước bo mạch in 125 Thay đổi hình dạng con trỏ 125 Định vị trí gốc tọa độ 125 7.7 Chỉnh sửa đường mạch nguyên lý trong Layout 126 7.8 Vẽ đường mạch in tự động 126 CHƯƠNG 8: VÍ DỤ MINH HỌA 131 8.1 Tổng quan các bước thiết kế 131 8.2 Ví dụ minh họa về thiết kế sơ đồ mạch in 133 Lập kế hoạch và các bước chuẩn bị ban đầu 133 Thiết lập Project trong phần mềm OrCAD Capture 135 Vẽ sơ đồ mạch nguyên lý với Capture 136 Kết nối mạch nguyên lý 137 Tạo các kết nối nguồn và mass 137 Chuẩn bị cho công đoạn thiết kế mạch in trên Layout 138 Xác định các yêu cầu của bo mạch 140 Xuất file thiết kế sang OrCAD Layout sử dụng công cụ AutoECO 141 Xuất các file Gerber cần thiết cho nhà sản xuất 149 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC A: Danh sách tên viết tắt dạng đóng gói linh kiện và thư viện footprint tương ứng trong Layout PHỤ LỤC B: Sơ đồ mạch nguyên lý tham khảo PHỤ LỤC C: Hướng dẫn cài đặt phần mềm orcad 9.2 PHỤ LỤC D: Địa chỉ một số cơ sở sản xuất mạch in PHỤ LỤC E: Hướng dẫn thi công bo mạch in một lớp
  8. MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Cấu tạo của linh kiện trong Capture [1] 2 Hình 1.2 Bo mạch in 2 lớp [1] 3 Hình 1.3 Ghép nối các lớp lõi [1] 3 Hình 1.4 Hai cách thức sắp xếp cho bo mạch in 6 lớp [1] 3 Hình 1.5 Cách sắp xếp các lớp trong bo mạch in nhiều lớp [1] 4 Hình 1.6 Bo mạch đồng với lớp phủ cản quang [1] 5 Hình 1.7 Mặt nạ in (a) Mặt nạ dương (b) Mặt nạ âm [1] 6 Hình 1.8 Mặt nạ dương được đặt lên lớp phủ cản quang [1] 6 Hình 1.9 Lớp cản quang trên bo đồng sau khi qua công đoạn rửa [1] 6 Hình 1.10 Lớp đồng không cần thiết được loại bỏ ra khỏi tấm bo [1] 7 Hình 1.11 Đường mạch đồng và pad sau khi qua công đoạn ăn mòn và tẩy bỏ lớp 7 Hình 1.12 Đường mạch đồng sau khi qua công đoạn phay cơ khí [1] 8 Hình 1.13 Lớp đường mạch in [1] 8 Hình 1.14 (a) Bề mặt bo đồng có via tản nhiệt thực tế, (b) Bề mặt bo đồng quan sát trong phần mềm Layout [1] 9 Hình 1.15 Lớp phủ tránh oxy hóa quan sát trong thực tế và trên phần mềm Layput [1] 9 Hình 1.16 Bo mạch in với lớp ký hiệu quy ước kích thước lỗ khoan và lớp đường bao linh kiện quan sát trên phần mềm Layout [1] 10 Hình 1.17 Bảng ký hiệu, kích thước và số lượng lỗ khoan [1] 10 Hình 2.1 Khởi động phần mềm Capture trong Windows 7 và Windows 8 12 Hình 2.2 Tạo Project mới trong phần mềm Capture 13 Hình 2.3 Hộp thoại New Project 13 Hình 2.4 Hộp thoại PCB Project Wizard 14 Hình 2.5 Ví dụ về một New Project 14 Hình 2.6 Công cụ Place Part 15 Hình 2.7 Hộp thoại Place Part 15 Hình 2.8 Thêm thư viện linh kiện 16 Hình 2.9 Đặt linh kiện lên trang vẽ 17 Hình 2.10 Công cụ Place Wire 17 Hình 2.11 Kết nối mạch nguyên lý giữa các linh kiện với nhau 18 Hình 2.12 Công cụ tạo file Netlist 18 Hình 2.13 Thiết lập đơn vị và đường dẫn cho file netlist 19 Hình 2.14 Báo cáo kết quả tạo file netlist 19 Hình 2.15 Khởi động phần mềm Layout trong Windows 7 và Windowns 8 20
  9. Hình 2.16 Tạo file mới trong phần mền Layout 20 Hình 2.17 Hộp thoại Load Template File, Load Netlist Source và Save File As 21 Hình 2.18 Hộp thoại Automatic ECO Utility và Link Footprint to Component 21 Hình 2.19 Gán footprint cho linh kiện trong thư viện có sẵn 22 Hình 2.20 Cửa sổ thiết kế mạch in trong phần mềm Layout 23 Hình 2.21 Công cụ View trong Layout 24 Hình 2.22 Công cụ Online DRC 24 Hình 2.23 Công cụ vẽ đường bao bo mạch in Obstacle 25 Hình 2.24 Hộp thoại Edit Obstacle 25 Hình 2.25 Vẽ đường bao bo mạch in 26 Hình 2.26 Công cụ sắp xếp footprint 26 Hình 2.27 Công cụ vẽ mạch in tự động và vẽ mạch in bằng tay 27 Hình 2.28 Hộp thoại Clean up Design 27 Hình 3.1 Cửa sổ Project manager 29 Hình 3.2 Thư viện linh kiện 31 Hình 3.3 Hộp thoại yêu cầu gán footprint cho linh kiện 33 Hình 3.4 Giao diện chương trình và cửa sổ thiết kế 34 Hình 3.5 Thanh công cụ Tool bar 35 Hình 3.6 Cửa sổ Query 36 Hình 3.7 Các chức năng của công cụ Component [1] 37 Hình 3.8 (a) Tọa độ con trỏ (X, Y) và độ phân giải lưới (G) 39 Hình 4.1 Độ rộng đường mạch in và hiệu ứng ăn mòn ngược [1] 44 Hình 5.1 Linh kiện chân cắm dạng xuyên trục và chân cắm hình trụ 47 Hình 5.2 Linh kiện dán đóng gói dạng ống (tubes), khay ma trận (matrix trays), băng cuộn (tape and reel) 48 Hình 5.3 Máy lắp ráp linh kiện tự động (pick-and-place machine) 48 Hình 5.4 Linh kiện xuyên lỗ được gắn lên bo bằng cách bẻ chân 48 Hình 5.5 Phương pháp hàn linh kiện dạng sóng với góc nhìn theo hình chiếu cạnh [1] 50 Hình 5.6 Phương pháp hàn linh kiện dạng sóng với góc nhìn theo hình chiếu đứng [1] 50 Hình 5.7 Hướng đặt của linh kiện dán khi hàn dạng sóng [1] 50 Hình 5.8 Quy trình hàn linh kiện dạng sấy [1] 51 Hình 5.9 Thông số kỹ thuật về kích thước và hình dạng của linh kiện [1] 56 Hình 5.10 Các kích thước của footprint [1] 56 Hình 5.11 Padstack linh kiện dán [1] 57 Hình 5.12 Cửa sổ thiết lập kích thước padstack 59
  10. Hình 5.13 (a) Linh kiện chân cắm dạng trụ 60 Hình 5.14 (a) Các tham số kích thước của linh kiện chân cắm dạng xuyên trục 60 Hình 6.1 Các công cụ vẽ sơ đồ mạch nguyên lý 63 Hình 6.2 Công cụ Slect 63 Hình 6.3 Công cụ Place part 63 Hình 6.4 Hộp thoại Place part 64 Hình 6.5 Hộp thoại Browse file 64 Hình 6.6 Cửa sổ Preview 65 Hình 6.7 Công cụ Place wire 65 Hình 6.8 Vị trí kết nối của các linh kiện 67 Hình 6.9 Chưa thực hiện nối dây và nối dây thành công 67 Hình 6.10 Công cụ Place junction 67 Hình 6.11 Chức năng của công cụ Place junction 68 Hình 6.12 Công cụ Place bus 68 Hình 6.13 Các linh kiện được kết nối bằng công cụ Place wire tạo ra nhiều đường kết nối song song gây khó khăn cho việc kiểm tra sơ đồ mạch nguyên lý 68 Hình 6.14 Đường bus thay thế các đường kết nối song song 69 Hình 6.15 Công cụ Place bus entry 69 Hình 6.16 Nhánh kết nối các dây dẫn vào bus 69 Hình 6.17 Công cụ Place wire được sử dụng để nối các chân linh kiện vào bus 70 Hình 6.18 Công cụ Place net alias 70 Hình 6.19 Hộp thoại Place net alias 70 Hình 6.20 Đặt tên cho đường bus 71 Hình 6.21 Công cụ Place power 71 Hình 6.22 Công cụ Place ground 71 Hình 6.23 Các ký hiệu nguồn và mass 71 Hình 6.24 Công cụ Place no connect 72 Hình 6.25 Đánh dấu các chân không sử dụng bằng công cụ Place no connect 72 Hình 6.26 Công cụ Place port 72 Hình 6.27 Kết nối các chân sử dụng công cụ Place wire 72 Hình 6.28 Các ký hiệu Place port 73 Hình 6.29 Hộp thoại Place hierarchical port 73 Hình 6.30 Sử dụng công cụ Place port để kết nối các chân linh kiện 73 Hình 6.31 Công cụ Place text 74 Hình 6.32 Hộp thoại Place text 74 Hình 6.33 Chèn đoạn văn bản vào trang vẽ 74 Hình 6.34 Các công cụ đồ họa 74
  11. Hình 6.35 Các hình vẽ được tạo bởi công cụ đồ họa 75 Hình 6.36 Các chức năng chỉnh sửa linh kiện 75 Hình 6.37 Xoay linh kiện 76 Hình 6.38 Chức năng Mirror Horizontally và Mirror Vertically 76 Hình 6.39 Cửa sổ chỉnh sửa linh kiện 77 Hình 6.40 Thay đổi kích thước đường bao linh kiện 77 Hình 6.41 Hộp thoại Pin properties 78 Hình 6.42 Hình dạng các loại chân theo tiêu chuẩn IEEE 78 Hình 6.43 Các thuộc tính điện của chân linh kiện 79 Hình 6.44 Cửa sổ Edit part 80 Hình 6.45 Hộp thoại Save part instance 80 Hình 6.46 Hộp thoại thay đổi kích thước trang vẽ 80 Hình 6.47 Tạo thư viện chứa linh kiện mới 81 Hình 6.48 Thư viện chứa linh kiện tạo mới 81 Hình 6.49 Hộp thoại New part properties 82 Hình 6.50 Tạo LED 7 đoạn 82 Hình 6.51 Đường dẫn lưu trữ thư viện chứa linh kiện vừa tạo 83 Hình 6.52 Update Cache 84 Hình 6.53 Cửa sổ Properties spreadsheet của linh kiện 85 Hình 6.54 Tạo file BOM 85 Hình 6.55 Ví dụ về một file BOM 86 Hình 6.56 Copy tên footprint cần gán cho linh kiện 86 Hình 6.57 Gán footprint cho linh kiện trong Capture 87 Hình 6.58 Tạo nhóm cho các linh kiện 88 Hình 6.59 Công cụ tạo ghi chú Annotate 88 Hình 6.60 Hộp thoại Annotate 89 Hình 6.61 Công cụ kiểm tra lỗi 89 Hình 6.62 Hộp thoại Design rules check 90 Hình 6.63 Tab ERC matrix 90 Hình 6.64 Bảng liệt kê lỗi 91 Hình 6.65 Thông tin chi tiết về vị trí lỗi 91 Hình 6.66 Công cụ tạo file Netlist 91 Hình 6.67 Hộp thoại tạo file Netlist 92 Hình 6.68 Tạo file Netlist thành công 92 Hình 7.1 Hộp thoại Link footprint to component 93 Hình 7.2 Linh kiện chân cắm dạng “J” và dạng gull-wing 94 Hình 7.3 Footprint của linh kiện 24 chân đóng gói dạng DIP [1] 96
  12. Hình 7.4 Quy ước đặt tên footprint [1] 96 Hình 7.5 Kích thước linh kiện 24 chân có dạng đóng gói DIP [1] 97 Hình 7.6 Kích thước thực tế của linh kiện 16 chân đóng gói dạng SOIC 97 Hình 7.7 (a) Footprint của linh kiện 16 chân dạng SOIC - (b) Giới hạn các kích thước tối thiểu [1] 97 Hình 7.8 Công cụ Library Manager 98 Hình 7.9 Cửa sổ Library Manager 98 Hình 7.10 Chỉnh sửa footprint sẵn có trong thư viện 99 Hình 7.11 Công cụ Text 99 Hình 7.12 Hộp thoại Text Edit 100 Hình 7.13 Công cụ Pin tool 100 Hình 7.14 Gốc tọa độ được đặt tại chân số 1 và tọa độ vị trí con trỏ được hiển thị trên màn hình 101 Hình 7.15 Công cụ Obstacle tool 101 Hình 7.16 Hộp thoại System Settings 102 Hình 7.17 Hộp thoại Create New Footprint 102 Hình 7.18 Kích thước thực tế của Op-Amp LM741 103 Hình 7.19 Tạo footprint cho linh kiện Op-Amp LM741 103 Hình 7.20 Khoảng cách giữa các mắt lưới được thiếp lập trong System Settings 104 Hình 7.21 Sắp xếp đầy đủ các chân Op-Amp LM741 104 Hình 7.22 Công cụ Obstacle tool và Color settings 105 Hình 7.23 Bảng quy ước màu các lớp 105 Hình 7.24 Chọn lớp vẽ đường bao linh kiện 106 Hình 7.25 Thay đổi hình dạng đường bao 106 Hình 7.26 Đường bao linh kiện hoàn chỉnh 107 Hình 7.27 Hộp thoại Edit Pad 107 Hình 7.28 Công cụ View Spreadsheet 108 Hình 7.29 Cửa sổ Padstacks 108 Hình 7.30 Hộp thoại Edit padstacks 109 Hình 7.31 Footprint của linh kiện sau khi đã thay đổi hình dạng và kích thước Pad 109 Hình 7.32 Hộp thoại Save Footprint As 110 Hình 7.33 Phân chia bo mạch thành các vùng riêng biệt để chống nhiễu 111 Hình 7.34 Cách thức kết nối tụ bypass 112 Hình 7.35 Độ rộng đường mạch in nhỏ nhất đối với bo mạch có độ dày 1oz và độ lệch nhiệt độ là ∆ = 10° 113 Hình 7.36 Cửa sổ Design 113 Hình 7.37 Công cụ Component tool 114
  13. Hình 7.38 Công cụ Online DRC 114 Hình 7.39 Sử dụng công cụ Component để sắp xếp footprint các linh kiện 114 Hình 7.40 Công cụ Reconnect Mode 115 Hình 7.41 Công cụ Edit Segment Mode 115 Hình 7.42 Tránh sử dụng các đường mạch in gấp khúc 90° trong mạch tần số và tốc độ cao 115 Hình 7.43 Công cụ View Spreadsheet 116 Hình 7.44 Cửa sổ Nets 116 Hình 7.45 Hộp thoại Edit Net 116 Hình 7.46 Vẽ các đường mạch in với độ rộng 50 Mils 117 Hình 7.47 Công cụ Text tool 117 Hình 7.48 Sắp xếp tên linh kiện 118 Hình 7.49 Công cụ Obstacle tool 118 Hình 7.50 Hộp thoại Edit Obstacle 118 Hình 7.51 Đường bao bo mạch in 119 Hình 7.52 Vẽ đường bao vùng phủ đồng 119 Hình 7.53 Tạo các vùng phủ đồng để tăng khả năng chịu dòng của đường mạch 120 Hình 7.54 Phủ mass dạng Solid 120 Hình 7.55 Hộp thoại Hatch Pattern 121 Hình 7.56 Phủ dạng lưới với Width=10 mil, Hatch Rotation=30°, Hatch Grid=50 mil 121 Hình 7.57 Phủ dạng đường thẳng với Width=10 mil, Hatch Rotation=30°, Hatch Grid=50 mil 122 Hình 7.58 Bảng kích thước lỗ khoan 122 Hình 7.59 Vẽ mạch in 2 lớp 123 Hình 7.60 Thêm Via 124 Hình 7.61 Đường mạch in chuyển từ lớp TOP sang lớp BOT bằng cách thêm Via 124 Hình 7.62 Thay đổi hình dạng và kích thước Pad của Via 125 Hình 7.63 Đo kích thước bo mạch in 125 Hình 7.64 Thay đổi hình dạng con trỏ và vị trí gốc tọa độ 126 Hình 7.65 Công cụ Connection tool 126 Hình 7.66 Sắp xếp footprint linh kiện 127 Hình 7.67 Vẽ đường bao bo mạch in 127 Hình 7.68 Thiết lập số lớp vẽ đường mạch in 128 Hình 7.69 Hộp thoại Route Layer 129 Hình 7.70 Vẽ đường mạch in tự động 129
  14. Hình 8.1 Mạch đếm 0-9 sử dụng IC đếm 74LS90 và IC giải mã LED 7 đoạn 74LS47 134 Hình 8.2 Tạo project mới 135 Hình 8.3 Nhập tên và đường dẫn lưu project 135 Hình 8.4 Thêm thư viện linh kiện vào project 135 Hình 8.5 Công cụ Snap to grid 136 Hình 8.6 Thêm thư viện tìm kiếm linh kiện vào project 136 Hình 8.7 Chân nguồn và mass của các linh kiện dạng số thường không được hiển thị 138 Hình 8.8 Tạo đường bao bo mạch in và định vị các lỗ khoan gá bo 142 Hình 8.9 Bảng hiển thị danh sách lớp và công cụ Reconnect mode 143 Hình 8.10 Tìm kiếm linh kiện cần sắp xếp 143 Hình 8.11 Tạo danh sách các linh kiện cần sắp xếp theo loại linh kiện 144 Hình 8.12 Tạo danh sách các linh kiện theo nhóm 145 Hình 8.13 Sắp xếp linh kiện theo nhóm như đã tạo trong phần Capture 145 Hình 8.14 Chọn lựa các lớp cần thay đổi thuộc tính 146 Hình 8.15 Cấu hình thuộc tính cho lớp 146 Hình 8.16 Thiêt lập kích thước độ rộng đường mạch 147 Hình 8.17 Sử dụng công cụ Edit Segment Mode để vẽ các đường mạch in 147 Hình 8.18 Thống kê tỉ lệ đường mạch in đã thực hiện 148 Hình 8.19 Hiển thị lớp kích thước lỗ khoan 148 Hình 8.20 Kiểm tra kích thước lỗ khoan với bảng thống kê 149 Hình 8.21 Thay đổi kích thước lỗ khoan 149 Hình 8.22 Thiết lập cho phép lớp xuất file Gerber 150 Hình 8.23 Thông báo xuất file Gerber 150 Hình 8.24 Các file Gerber được tạo ra và lưu trữ trong thư mục con 151
  15. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Phần mềm hỗ trợ thiết kế và OrCAD Thuật ngữ phần mềm hỗ trợ kỹ thuật (CAE: Computer Aided-Engineering) được định nghĩa là các phần mềm được sử dụng để hỗ trợ trong thiết kế kỹ thuật từ việc xây dựng bản vẽ, phân tích đến công đoạn sản xuất. Phần mềm hỗ trợ thiết kế (CAD: Computer-Aided- Design) là một dạng của CAE được sử dụng để xây dựng bản vẽ thiết kế của hệ thống. Phần mềm CAD được xây dựng riêng cho ngành công nghiệp điện tử được gọi là ECAD (Electronic CAD) hoặc EDA (Electronic Design Automation). Những công cụ phần mềm này làm giảm chi phí và thời gian phát triển sản phẩm bởi vì các phần mềm cho phép mô phỏng và phân tích các thiết kế trước khi sản xuất thử nghiệm. Để có thể đưa vào sản xuất các thiết kế phải đạt được những yêu cầu đặt ra trong quá trình xây dựng bản vẽ, mô phỏng và phân tích trên phần mềm. Những phần mềm được sử dụng để hỗ trợ trong công đoạn sản xuất được gọi là CAM (Computer-Aided-Manufacturing). Công cụ CAM sử dụng các phần mềm và dữ liệu được tạo ra bởi CAE để điều khiển các máy sản xuất tự động chuyển các thiết kế thành các sản phẩm cụ thể. Trong lĩnh vực thiết kế mạch in hiện nay cũng có nhiều phần mềm hỗ trợ thiết kế như OrCAD, Allegro, Altium, Eagle, Proteus mỗi phần mềm lại có những ưu điểm, nhược điểm riêng và việc chọn lựa sử dụng phần mềm nào phụ thuộc vào sở thích của người sử dụng và yêu cầu từ nhà sản xuất mạch in. Phần mềm OrCAD phiên bản 9.2 được tác giả sử dụng để minh họa cho các ví dụ trong tài liệu này. OrCAD/Cadence chứa và quản lý nhiều phần mềm CAD/CAM hỗ trợ trong lĩnh vực công nghiệp điện tử bao gồm các phần mềm như Capture, PSpice và Layout. Các phần mềm này chạy độc lập nhưng có thể tạo ra các file liên kết với nhau. Ngoài ra phần mềm OrCAD còn có thể liên kết với các công cụ CAD/CAM khác như GerbTool, SPECCTRA hoặc Allegro. Trong đó Capture là thành phần trung tâm và là công cụ EDA quan trọng. Capture chứa các thư viện linh kiện được dùng để vẽ sơ đồ mạch nguyên lý độc lập hoặc sơ đồ mạch dùng để liên kết với PSpice, Layout hoặc cả hai phần mềm này. Vai trò của Capture được mô tả như trong Hình 1.1. Các chân (Pin) của một linh kiện trong Capture có thể được liên kết với các chân của mô hình linh kiện trong PSpice và hình dạng chân thực tế (footprint) trong Layout. PSpice là công cụ CAE chứa các mô hình toán học được sử dụng cho việc mô phỏng. Phần mềm Layout là một công cụ CAD được sử dụng để chuyển đổi sơ đồ mạch nguyên lý sang sơ đồ mạch in thực tế. File netlist được sử dụng để liên kết các linh kiện trong sơ đồ 1
  16. mạch nguyên lý với mô hình linh kiện trong PSpice và footprint linh kiện trong Layout. Ngoài ra để trở thành một công cụ CAD, phần mềm Layout còn có chức năng giống như là phần mềm ngoại vi của công cụ CAM bằng cách tạo ra dữ liệu để các công cụ khác hoạt động trong quá trình sản xuất mạch in (PCB: Printed Circuit Board) ví dụ như GerbTool Bằng cách kết hợp ba công cụ Capture, PSpice và Layout trong một gói phần mềm, OrCAD được xem là một công cụ mạnh để hỗ trợ việc thiết kế sơ đồ mạch nguyên lý, kiểm tra và xây dựng sơ đồ mạch in. Hình 1.1 Cấu tạo của linh kiện trong Capture [1] Yếu tố quan trọng để thiết kế và sản xuất thành công một dự án đó chính là phải hiểu rõ yêu cầu của từng PCB và biết cách sử dụng các công cụ để đáp ứng những yêu cầu này. 1.2 Quy trình gia công mạch in Để hiểu rõ hơn mục tiêu của giáo trình này chúng ta cần nắm được quy trình gia công và sản xuất mạch in. Bo mạch in (PCB) bao gồm hai phần chính, tấm bo (lớp nền) và đường mạch in (đường mạch đồng). Tấm bo (substrate) tạo ra một lớp nền để gắn linh kiện (component/part) và các đường mạch đồng (copper trace), đồng thời tạo ra lớp cách điện giữa các linh kiện, thường được làm bằng chất liệu sợi thủy tinh không cháy FR4. Ngoài ra còn được làm bằng teflon, ceramic và polyme đặc biệt. Lớp lõi mạch in và cách sắp xếp các lớp Trong quá trình sản xuất, PCB ban đầu là một tấm bo (gọi là C-stage) được phủ bởi các lớp đồng như trong Hình 1.2. Các lớp đồng này được dán lên tấm bo, độ dày của lớp đồng này được tính bằng đơn vị oz/ft2 (ounces/foot2). Trong đó 1 oz/ft2 tương đương với 1.2-1.4 mils (0.0012–0.0014 inch). Thông thường thì chúng ta bỏ qua không đọc “/ft2” mà chỉ tham chiếu vào đơn vị oz. Một tấm bo có thể được phủ lên một hoặc hai lớp đồng. 2
  17. Bo mạch in nhiều lớp có cấu tạo từ một hoặc nhiều tấm bo trong đó mỗi tấm bo có thể được phủ một lớp hoặc cả hai lớp đồng gọi là lõi. Các lớp lõi này được dán lại với nhau như trong Hình 1.3, giữa các lõi này là lớp sợi thủy tinh tẩm nhựa (Prepreg: pre- impregnated) gọi là B-stage. Sau khi sắp xếp các lớp này được ghép lại với nhau bằng cách ép và sấy khô. Hình 1.2 Bo mạch in 2 lớp [1] Hình 1.3 Ghép nối các lớp lõi [1] Có 3 cách sắp xếp lõi khi sản xuất bo mạch in nhiều lớp. Hình 1.4 trình bày 2 trong số 3 phương pháp sắp xếp với ví dụ bo mạch gồm 4 lớp đường mạch in và 2 lớp nguồn. Hình 1.4 (a) trình bày cách sắp xếp 3 lớp lõi và hai lớp prepreg, trong khi đó Hình 1.4 (b) cũng biểu diễn cách sắp xếp bo mạch 6 lớp nhưng từ 2 lớp lõi để tạo ra 4 lớp đường mạch in bên trong (inner layer) và 2 lớp bên ngoài (outer layer) là các tấm lá đồng. Hình 1.4 Hai cách thức sắp xếp cho bo mạch in 6 lớp [1] (a) Nhiều lõi với lớp bên ngoài được phủ đồng (b) Nhiều lõi với lớp ngoài cùng là các tấm lá đồng 3
  18. Lớp đường mạch in (routing layer) trong Hình 1.4 được biểu diễn bằng các đường đứt nét và 2 lớp nguồn được biểu diễn bằng đường thẳng liên tục. Vì các lớp bên ngoài sau đó sẽ được đưa qua công đoạn ăn mòn và các tấm lá đồng (Foil) thì có giá thành rẻ hơn so với các lớp phủ đồng (Clad) do đó phương pháp sắp xếp các lớp như trong Hình 1.4 (b) được sử dụng rộng rãi hơn. Cách sắp xếp thứ ba sử dụng nhiều kỹ thuật khác nhau được dùng để sản xuất các bo mạch có độ phức tạp cao. Hình 1.5 trình bày cách sắp xếp trong bo mạch nhiều lớp thường gặp bao gồm một lõi 4 lớp được xếp ở giữa sau đó thêm vào hai lớp ngoài cùng (lớp TOP và lớp BOTTOM). Các kỹ thuật khác được sử dụng để tạo ra các loại lỗ via như via xuyên lớp (through via), via ngầm (buried via), via mù (blind via) và các lỗ khoan (noplated hole). Điện trở và tụ điện cũng có thể được tích hợp bên trong tấm bo. Hình 1.5 Cách sắp xếp các lớp trong bo mạch in nhiều lớp [1] Quy trình sản xuất mạch in Các đường mạch đồng (copper trace) và Pad trên các bo mạch in được tạo ra bằng cách tách bỏ các lớp đồng không cần thiết ra khỏi bo mạch. Có hai phương pháp thường dùng để loại bỏ các lớp đồng này đó là phương pháp ăn mòn kim loại sử dụng axit lỏng và phương pháp phay cơ khí. Phương pháp ăn mòn bằng axit được sử dụng phổ biến hơn khi sản xuất bo mạch với số lượng lớn vì có thể gia công nhiều bo mạch cùng một thời điểm. Nhược điểm của phương pháp ăn mòn axit là sử dụng hóa chất nguy hiểm và phải bổ sung thường xuyên, hóa chất này có thể được tái sử dụng hoặc bỏ đi. Phương pháp phay cơ khí thường được áp dụng cho việc sản xuất số lượng nhỏ và các bo mạch chạy thử nghiệm. Cho dù phương pháp nào được sử dụng thì cũng phải tạo ra một bản đồ đường mạch đồng dạng số. Mục đích của các phần mềm hỗ trợ thiết kế (CAD) như OrCAD Layout là tạo ra các bản đồ này. 4
  19. Kỹ thuật in và ăn mòn hóa học Việc chọn lựa các lớp đồng cần tách ra khỏi bo mạch trong quá trình ăn mòn yêu cầu phải loại bỏ các lớp đồng không mong muốn và giữ lại các lớp đồng cần thiết khỏi tác động của chất ăn mòn. Các lớp đồng này được cách ly khỏi chất ăn mòn nhờ vào lớp polyme gọi là lớp phủ ngăn cản ánh sáng (photoresist) được phủ lên bề mặt bo đồng như trong Hình 1.6. Lớp cản quang này được phủ lên bo đồng theo hình dạng các bo mạch bằng kỹ thuật in gọi là photolithography. Các đường mạch in được phủ lớp cản quang sẽ bảo vệ lớp đồng bên dưới khỏi chất ăn mòn và phơi ra các lớp đồng cần được loại bỏ. Hình 1.6 Bo mạch đồng với lớp phủ cản quang [1] Kỹ thuật in lớp cản quang gồm hai bước, phơi sáng bằng tia cực tím (UV: ultraviolet) và rửa ảnh trong bể chất hóa học. Có hai loại lớp phủ cản quang đó là lớp cản dương (positive reseist) và lớp cản âm (negative resist) như trong Hình 1.7. Khi phơi lớp cản dương dưới tia cực tím thì lớp phủ polyme này sẽ bị vỡ và có thể tách ra khỏi lớp đồng, ngược lại thì lớp cản âm lại được bảo vệ dưới ánh sáng của tia cực tím. Mặt nạ in được sử dụng để phơi các thành phần mong muốn của lớp cản quang. Mặt nạ là một tấm phim hoặc thủy tinh chuyên dụng có màu trắng và đen, các đường mạch in (trace) và Pad được in trên mặt nạ này. Các mặt nạ được sử dụng lại nhiều lần đôi khi được chế tạo trên thủy tinh thay vì trên tấm phim. Mặt nạ được đặt lên trên lớp cản quang như trong Hình 1.8 và được phơi dưới ánh sáng tia cực tím. Vùng màu đen ngăn cản tia cực tím và vùng màu trắng (trong suốt) cho tia cực tím tác động vào lớp cản quang, do đó hình ảnh bo mạch được in lên lớp cản quang. Mỗi lớp của bo mạch in sử dụng một mặt nạ riêng biệt. Phần mềm OrCAD Layout tạo ra dữ liệu để máy in làm ra các mặt nạ này. 5
  20. Hình 1.7 Mặt nạ in (a) Mặt nạ dương (b) Mặt nạ âm [1] Hình 1.8 Mặt nạ dương được đặt lên lớp phủ cản quang [1] Một phương pháp khác để phơi lớp cản quang đó là sử dụng máy in laser để in trực tiếp đường mạch lên lớp cản quang, đây là kỹ thuật mới được gọi là LDI (laser direct imaging), kỹ thuật này có ưu điểm là không cần sử dụng mặt nạ. Sau khi lớp cản quang được phơi sáng thì bo mạch được rửa trong hóa chất gọi là công đoạn rửa bo. Ở công đoạn này thì lớp cản dương sẽ bị vỡ và được tách ra trong khi đó lớp cản âm sẽ được giữ lại dưới ánh sáng của tia cực tím. Chất rửa thông thường đối với lớp cản dương là NaOH (natri hydroxide) và lớp cản âm là Na2CO3 (natri carbonate). Khi được phơi sáng và rửa xong thì hình ảnh bo mạch in được tạo bởi lớp cản quang nằm lại trên lớp đồng như Hình 1.9. Hình 1.9 Lớp cản quang trên bo đồng sau khi qua công đoạn rửa [1] 6
  21. Bước tiếp theo bo mạch được đưa vào dung dịch axit ăn mòn FeCl3 hoặc Na2S2O8. Dung dịch ăn mòn không ảnh hưởng lên lớp cản quang mà tác động lên lớp đồng và loại bỏ lớp đồng này ra khỏi tấm bo như trong Hình 1.10. Hình 1.10 Lớp đồng không cần thiết được loại bỏ ra khỏi tấm bo [1] Khi lớp polyme cản quang được rửa sạch thì đường mạch đồng cuối cùng có được như trong Hình 1.11. Hình 1.11 Đường mạch đồng và pad sau khi qua công đoạn ăn mòn và tẩy bỏ lớp cản quang [1] Kỹ thuật phay cơ khí Như đã được trình bày ở phần trên phay cơ khí cũng là một cách để tạo ra các đường mạch in. Để phay bo mạch in, máy CNC (computer numerical control) được lập trình với dữ liệu đầu vào là bản đồ dạng số của bo mạch in và máy CNC sẽ bào mòn các đường mạch đồng không cần thiết. Những đường mạch đồng không sử dụng có thể được loại bỏ hoàn toàn như trong Hình 1.11 hoặc chỉ loại bỏ một phần đủ để cách ly đường mạch đồng với pad như trong Hình 1.12. Cách này sẽ làm giảm thời gian gia công nhưng lại gây ảnh hưởng đến trở kháng của đường mạch. 7
  22. Hình 1.12 Đường mạch đồng sau khi qua công đoạn phay cơ khí [1] 1.3 Chức năng của OrCAD Layout trong quy trình thiết kế mạch in Phần mềm OrCAD Layout được sử dụng để thiết kế PCB bằng cách tạo ra file mô tả dạng số các lớp mạch in cho máy in bo và máy CNC để sản xuất mạch in. Trong một bo mạch in có nhiều lớp mạch riêng biệt như lớp đường mạch đồng ở lớp trên (top), lớp dưới (bottom) và các lớp bên trong như lớp kích thước lỗ khoan (drill hole sizes), lớp vị trí (locations), lớp phủ tránh oxy hóa (soldermasks), lớp tên linh kiện (silk screens), lớp phủ chì (solder paste), lớp đường bao linh kiện (part placement) và lớp kích thước bo (board dimensions). Tất cả các lớp này không được mô tả như nhau trong Layout, một số lớp xuất hiện khi thao tác trên phần mềm sẽ xuất hiện trên bo mạch thực tế trong khi đó một số lớp sẽ không xuất hiện trên bo mà chỉ quan sát được trên phần mềm. Các lớp được nhìn thấy trên bo mạch thực tế là lớp đường bao bo mạch in (board outline), lớp đường mạch in đồng (routed copper), lớp tên linh kiện (silk screens), lớp phủ chì (solder paste) và lớp hướng dẫn lắp ráp linh kiện. Những lớp không nhìn thấy được đó là lớp bề mặt bo đồng, lớp lỗ khoan, và lớp phủ tránh oxy hóa. Hình 1.13 cho thấy các lớp đường mạch in (ví dụ như lớp trên, lớp dưới và lớp bên trong) khi quan sát trên phần mềm Layout. Lớp nền có màu đen, các đường mạch in và pad trên mỗi lớp được thể hiện theo các màu sắc khác nhau để dễ dàng quan sát. Hình 1.13 Lớp đường mạch in [1] 8
  23. Hình 1.14 (a) và (b) thể hiện sự khác nhau giữa lớp bề mặt bo đồng vật lý có via tản nhiệt và sự thể hiện bo đồng này trong phần mềm Layout. Trong Hình 1.14 (b) lớp nền màu đen đó chính là bề mặt bo đồng và những vùng màu vàng là lớp đồng được bị loại bỏ. Hình 1.14 (a) Bề mặt bo đồng có via tản nhiệt thực tế, (b) Bề mặt bo đồng quan sát trong phần mềm Layout [1] Hình 1.15 (a) trình bày lớp phủ tránh oxy hóa với các lỗ trống cho phép chì hàn tác động lên các pad khi gắn linh kiện và Hình 1.15 (b) thể hiện lớp phủ này khi quan sát trên phần mềm Layout. Hình 1.15 Lớp phủ tránh oxy hóa quan sát trong thực tế và trên phần mềm Layput [1] Hình 1.16 là một ví dụ về ký hiệu lớp kích thước lỗ khoan và tên linh kiện trong Layout. Những hình tròn màu đỏ đậm là vị trí và kích thước lỗ khoan, những ký hiệu có màu đỏ tươi hơn được sử dụng để mã hóa về kích thước lỗ khoan được quy ước trong bảng như Hình 1.17. Những đường màu trắng chính là lớp đường bao linh kiện như được trình bày ở trên. 9
  24. Hình 1.16 Bo mạch in với lớp ký hiệu quy ước kích thước lỗ khoan và lớp đường bao linh kiện quan sát trên phần mềm Layout [1] Hình 1.17 Bảng ký hiệu, kích thước và số lượng lỗ khoan [1] 1.4 Định dạng file trong Layout Định dạng file .MAX Khi thiết kế bo mạch trên phần mềm Layout, file thiết kế sẽ được máy tính lưu trữ với tên file có phần mở rộng .MAX. Khi bo mạch đã hoàn chỉnh và chuẩn bị đưa vào sản xuất phần mềm Layout sẽ xử lý file thiết kế và chuyển đổi file này cho phù hợp với định dạng của máy CNC hoặc máy in. Những file này gọi là file Gerber. File hậu xử lý (Gerber) Quá trình hậu xử lý tạo ra file Gerber riêng biệt cho từng lớp bo như đã đề cập ở trên. Phần mềm Layout có thể xuất ra hơn 30 file khác nhau để mô tả các thông số kỹ thuật của PCB. Ví dụ về các file này với phần mở rộng và chức năng được trình bày trong Bảng 1.1, một số file còn lại sẽ được thảo luận ở các chương tiếp theo. File và lớp lắp ráp linh kiện Phần mềm Layout tạo ra file thông số kỹ thuật của các lớp nhưng một số file này không sử dụng cho việc sản xuất PCB mà được dùng cho việc lắp ráp linh kiện tự động lên PCB. Đầu tiên là lớp phủ chì (solder paste), lớp này được sử dụng để ghép nối mặt nạ chọn vị trí phủ chì cho các pad trên bo mạch in từ đó các linh kiện được hàn tự động vào bo mạch. Lớp phủ chì này chỉ có ở lớp trên (.SPT) và lớp dưới (.SPB) của bo mạch in. Thứ hai là lớp lắp ráp linh kiện, file này chứa các thông tin được sử dụng cho máy lắp ráp linh kiện 10
  25. tự động (pick-and-place machines) như là thông tin về loại linh kiện, vị trí và hướng đặt của linh kiện trên PCB. Giống như lớp phủ chống oxy hóa (soldermask), chỉ có một lớp lắp rắp linh kiện cho mặt trên (.AST) và lớp lắp ráp linh kiện cho mặt dưới (.ASB). Bảng 1.1 Các file Gerber tạo ra bởi phần mềm Layout [1] Tên file và phần mở rộng Chức năng BoardName .AST Top side assembly (mặt lắp ráp linh kiện lớp trên) BoardName .SPT Top side solder paste (mặt phủ chì lớp trên) BoardName .SST Top side silk screen (tên linh kiện lớp trên) BoardName .SMT Top side soldermask (mặt phủ chống oxy hóa lớp trên) BoardName .TOP Top side copper (usually routing) (mặt đồng lớp trên) BoardName .IN1 Inner layer 1 (routing or plane) (lớp mạch in số 1) BoardName .IN2 Inner layer 2 (routing or plane) (lớp mạch in số 2) BoardName .Inx Inner layer x (routing or plane) (lớp mạch in thứ n) BoardName .PWR Power layer (a plane layer) (lớp nguồn) BoardName .GND Ground layer (a plane layer) (lớp mass) BoardName .BOT Bottom side copper (usually routing) (mặt đồng lớp dưới) BoardName .SMB Bottom side soldermask (mặt phủ chống oxy hóa lớp dưới) BoardName .SSB Bottom side silk screen (tên linh kiện lớp dưới) BoardName .SPB Bottom side solder paste (mặt phủ chì lớp dưới) BoardName .ASB Bottom side assembly (mặt lắp ráp linh kiện lớp dưới) BoardName .DRD Board outline info (lớp đường bao bo mạch in) Throughhole .tap Drill information (lớp kích thước lỗ khoan chân linh kiện) CÂU HỎI ÔN TẬP: 1. Các thành phần chính của bo mạch in là gì? 2. Hãy cho biết các chất liệu cách điện thường sử dụng làm lớp nền để gắn linh kiện và các đường mạch là gì? 3. Hãy trình bày 3 cách sắp xếp lớp lõi khi sản xuất bo mạch in nhiều lớp? 4. Độ dày lớp đồng được tính theo đơn vị gì? 5. Hãy cho biết các phương pháp dùng để tách bỏ những lớp đồng không cần thiết ra khỏi bo mạch in là gì? Ưu nhược điểm của từng phương pháp? 11
  26. CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH THIẾT KẾ MẠCH IN 2.1 Giới thiệu chung Nội dung chương này giới thiệu các bước cơ bản để xây dựng sơ đồ mạch nguyên lý bằng phần mềm Capture sau đó chuyển sơ đồ mạch nguyên lý sang sơ đồ mạch in trên phần mềm Layout. Các bước thực hiện bao gồm: 1. Mở phần mềm Capture và thiết lập Project bằng cách sử dụng PC Board Wizard 2. Vẽ sơ đồ mạch nguyên lý sử dụng OrCAD Capture 3. Sử dụng Capture để tạo file netlist với phần mở rộng .MNL được sử dụng cho Layout 4. Mở Layout và chọn file tiêu chuẩn công nghệ PCB (file có phần mở rộng .TCH) 5. Lưu Project Layout với phần mở rộng .MAX 6. Sử dụng phần mềm Layout để chuyển file netlist với phần mở rộng .MNL sang file .MAX 7. Vẽ đường bao bo mạch in 8. Sắp xếp linh kiện bên trong đường bao bo mạch in 9. Vẽ các đường mạch in 10. Xuất các file kỹ thuật để sản xuất mạch in 2.2 Thiết kế sơ đồ mạch nguyên lý với Capture Tạo project mới Trước khi tiến hành việc gia công bo mạch in, chúng ta cần phải có một mạch điện để thực hiện việc thiết kế mạch in. Chúng ta sử dụng phần mềm Capture để vẽ sơ đồ mạch nguyên lý. Hình 2.1 Khởi động phần mềm Capture trong Windows 7 và Windows 8 Sau khi mở phần mềm Capture, giao diện phần mềm xuất hiện chúng ta chọn menu File>New>Project như Hình 2.2. 12
  27. Hình 2.2 Tạo Project mới trong phần mềm Capture Hộp thoại New Project xuất hiện, chúng ta nhập tên Project, chọn mục PC Board Wizard. Tại mục Location chúng ta chọn đường dẫn để lưu trữ Project, nếu không Project sẽ được lưu tự động vào đường dẫn mặc định và chúng ta phải nhớ để có thể mở Project này khi cần sau đó là chọn OK. Hình 2.3 Hộp thoại New Project Hộp thoại PCB Project Wizard xuất hiện như trong Hình 2.4, hộp thoại này cho phép chúng ta thêm các thư viện cần thiết vào Project. Chúng ta có thể kéo thanh cuộn để tìm các thư viện này sau đó chọn Add hoặc chọn Remove nếu như chúng ta muốn bỏ các thư viện nay ra và chọn Finish để hoàn tất việc thiết lập cho Project. 13
  28. Hình 2.4 Hộp thoại PCB Project Wizard Cửa sổ Project Manager sẽ xuất hiện ở góc trên, phía bên trái màn hình của phần mềm Capture như trong Hình 2.5, đồng thời cửa sổ Schematic sẽ tự động mở ra. Nếu không chúng ta có thể mở bằng cách click chuột vào biểu tượng dấu “+” tại projectname.dsn, tiếp theo là tại thư mục Schematic và chọn Page 1. Nếu như không nhìn thấy các dấu “chấm” trên trang vẽ của bạn điều này có nghĩa là chức năng hiển thị lưới (grid) trang vẽ đã bị tắt. Chúng ta có thể mở chức năng này bằng cách chọn công cụ (Snap to grid), biểu tượng công cụ này sẽ có màu xám nếu như chứa năng hiển thị lưới trang vẽ được bật. Hình 2.5 Ví dụ về một New Project Chú ý: Thanh công cụ bên trên tại của sổ phần mềm Capture sẽ thay đổi nếu như chúng ta chọn thao tác trên Project Manager hoặc thao tác trên Schematic Page. Nếu như chúng ta muốn sử dụng chức năng của các thanh công cụ này để thao tác trên Project Manager hoặc Schematic Page thì chúng ta phải chọn cho các cửa sổ này tích cực bằng cách click chuột 14
  29. vào cửa sồ làm việc. Các cửa sổ làm việc này sẽ thay đổi màu sắc khi được chọn tích cực thay vì có màu xám. Sắp xếp linh kiện 2.2.2.1 Lấy linh kiện ra trang vẽ Để có thể lấy các linh kiện ra trang vẽ, ta phải chọn để cửa sổ Schematic Page tích cực sau đó chọn công cụ Place Part trong thanh công cụ hoặc nhấn vào nút công cụ Place Part như trong Hình 2.6 hoặc nhấn phím P trên bàn phím. Hộp thoại Place Part xuất hiện như trong Hình 2.7. Trong mục Libraries chúng ta có thể chọn một hoặc nhiều thư viện bằng cách click chuột vào tên thư viện hoặc giữ phím Ctrl+click chuột hoặc Ctrl+A để chọn tất cả các thư viện có trong mục Libraries. Sau đó nhập tên linh kiện cần lấy vào mục Part hoặc có thể chọn linh kiện trong cửa sổ Part List bằng cách xem trước hình dạng linh kiện ở cửa sổ Preview. Hình 2.6 Công cụ Place Part Hình 2.7 Hộp thoại Place Part 15
  30. Trong mục Libraries chúng ta thấy chỉ có 3 thư viện (CAPSYM, DISCRETE và CONNECTOR) đây cũng chính là những thư viện mà chúng ta đã thêm vào khi tạo Project mới với PCB Project Wizard. 2.2.2.2 Thêm thư viện linh kiện vào Project Để có thể thêm các thư viện khác vào mục Libraries chúng ta có thể thực hiện ngay từ khi tạo Project mới với PCB Project Wizard hoặc chọn nút công cụ Add Library. Cửa sổ Browse File xuất hiện, tại cửa sổ Look in chúng ta phải chỉ đường dẫn đến thư mục chứa các thư viện linh kiện của phần mềm, thông thường là C:\Program Files\Orcad\Capture\Library, chọn các thư viện cần thiết hoặc có thể chọn tất cả các thư viện như trong Hình 2.8. Hình 2.8 Thêm thư viện linh kiện 2.2.2.3 Đặt linh kiện vào trang vẽ Sau khi tìm được linh kiện thích hợp chúng ta chọn OK và quay trở lại trang vẽ. Lúc này linh kiện được chọn sẽ được đính vào vị trí của con trỏ chuột. Chúng ta có thể chọn vị trí thích hợp sau đó click chuột trái để đặt linh kiện này trên trang vẽ như Hình 2.9, chỉ số của linh kiện sẽ được tăng tự động và bắt đầu là 1 (R1). Loại linh kiện này lại tiếp tục được đính vào con trỏ để người sử dụng dễ dàng lấy ra tiếp các linh kiện cùng loại. Khi hoàn thành việc lấy linh kiện chúng ta có thể click chuột phải chọn End Mode hoặc nhấn phím ESC để thoát khỏi chức năng này. Để thay đổi hướng của linh kiện chúng ta click chuột chọn linh kiện cần thay đổi (linh kiện được chọn sẽ chuyển thành màu đỏ), tiếp theo click chuột phải và chọn chức năng Rotate hoặc nhấn phím R trên bàn phím. 16
  31. Hình 2.9 Đặt linh kiện lên trang vẽ Kết nối mạch nguyên lý Để kết nối sơ đồ mạch nguyên lý chúng ta chọn công cụ Place wire như trong Hình 2.10 hoặc nhấn phím W trên bàn phím. Con trỏ chuột sẽ chuyển sang hình dạng chữ thập “+”. Mỗi linh kiện sẽ có các chân (lead) để kết nối với các linh kiện khác, vị trí nối dây có ký hiệu là ô hình vuông ở mỗi chân linh kiện. Để kết nối các linh kiện với nhau chúng ta click chuột vào vị trí nối dây của chân linh kiện cần kết nối, sau đó thả chuột tự do, di chuyển đến vị trí nối dây của chân linh kiện tiếp theo và click chuột để tạo kết nối. Con trỏ chuột sẽ tiếp tục hoạt động ở chức năng nối dây để chúng ta tạo đường dây nối đến các linh kiện khác. Nếu muốn kết thúc chức năng nối dây chúng ta click phải chuột chọn End Mode hoặc nhấn phím ESC. Hình 2.10 Công cụ Place Wire Các kết nối thành công khi những ô vuông ở đầu mỗi chân linh kiện biến mất, nếu như không bật chức năng hiển thị lưới trang vẽ như đã đề cập ở phần trên, chúng ta sẽ gặp khó khăn khi xác định vị trí nối dây của chân linh kiện điều này sẽ gây ra lỗi và không thể tạo được file netlist. 17
  32. Hình 2.11 Kết nối mạch nguyên lý giữa các linh kiện với nhau Tạo file Layout netlist trong Capture Khi những kết nối giữa các linh kiện hoàn tất thì bước tiếp theo đó chính là tạo file netlist (file văn bản có định dạng mã ASSCII mô tả mạch điện). Có nhiều loại file netlist khác nhau nhưng chúng ta sẽ tạo ra file Layout netlist. Chọn cửa sổ làm việc Project Manager, click chuột vào projectname.dsn nếu như chúng ta đang thao tác trên cửa sổ Schematic Page thì thanh công cụ sẽ bị ẩn đi. Nếu không nhìn thầy cửa sổ Project Manager chúng ta phải Restore hoặc Minimize cửa sổ Schematic Page. Sau đó chọn Tools>Create Netlist như Hình 2.12. Hình 2.12 Công cụ tạo file Netlist Hộp thoại Create Netlist xuất hiện, chọn Tab Layout như trong Hình 2.13, sau đó chọn đơn vị đo là inch hoặc milimet, tại thời điểm này chúng ta không chọn chức năng Run ECO 18
  33. to Layout, chức năng này sẽ được trình bày trong phần tiếp theo. Ở mục Netlist File chúng ta có thể nhập đường dẫn để lưu file netlist và chọn Finish để hoàn tất việc tạo file netlist. Hình 2.13 Thiết lập đơn vị và đường dẫn cho file netlist Phần mềm Capture sẽ tạo ra file netlist với phần mở rộng .MNL trong thư mục Output và một file báo cáo kết quả trong cửa sổ Session log. Nếu việc thiết kế mạch nguyên lý có lỗi thì không thể tạo được file netlist và các lỗi này được hiển thị trong Session log. Sau khi hoàn tất việc tạo file netlist chúng ta có thể tắt cửa sổ phần mềm Capture nhưng chúng ta nên mở song song cả Capture và Layout điều này cho phép chúng ta có thể xem lại sơ đồ mạch nguyên lý nếu cần thiết khi đang thao tác trên phần mềm Layout. Hình 2.14 Báo cáo kết quả tạo file netlist 2.3 Thiết kế sơ đồ mạch in với Layout Liên kết file netlist với Layout Chúng ta sử dụng file netlist đã tạo ra từ phần mềm Capture để thiết kế sơ đồ mạch in bằng cách khởi động phần mềm Layout như Hình 2.15. 19
  34. Hình 2.15 Khởi động phần mềm Layout trong Windows 7 và Windowns 8 Tiếp theo chúng ta tạo file mới bằng cách chọn menu File>New hoặc chọn biểu tượng Open new board như trong Hình 2.16. Hình 2.16 Tạo file mới trong phần mền Layout Hộp thoại Load Template File xuất hiện yêu cầu chúng ta phải chọn file định dạng công nghệ bo mạch in mẫu. Các file định dạng công nghệ bo mạch in mẫu này được lưu trong thư mục cài đặt phần mềm OrCAD (C:\Program Files\Orcad\Layout\Data). Chúng ta chọn file _DEFAULT.TCH và chọn nút Open như Hình 2.17, một số file công nghệ bo mạch in khác chúng ta sẽ đề cập trong phần tiếp theo. Hộp thoại Load Netlist Source xuất hiện yêu cầu chúng ta chọn file netlist đã tạo ra ở phần Capture. Chúng ta chọn đường dẫn chứa file netlist thích hợp rồi chọn Open. Hộp thoại Save File As xuất hiện yêu cầu chúng ta nhập đường dẫn và tên file với phần mở rộng .MAX. Thông thường phần mềm Layout sẽ tự động lưu với tên file và đường dẫn trùng với tên của file netlist. Chúng ta có thể chọn đường dẫn và tên file .MAX mới sau đó lưu lại bằng cách chọn nút Save. 20
  35. Hình 2.17 Hộp thoại Load Template File, Load Netlist Source và Save File As Tiếp theo hộp thoại Automatic ECO Utility xuất hiện, đây là chức năng tự động kiểm tra việc gán các footprint cho linh kiện. Nếu như có bất kỳ linh kiện nào chưa được gán footprint phần mềm Layout sẽ hiển thị hộp thoại yêu cầu gán footprint cho linh kiện Link Footprint to Component như Hình 2.18. Hầu hết các linh kiện trong file Capture mà chúng ta đã tạo ở phần trên chưa được gán footprint, chúng ta sẽ tìm hiểu cách gán footprint cho linh kiện khi thiết kế sơ đồ mạch nguyên lý với Capture ở chương 6. Chúng ta đọc thông báo trong hộp thoại Link Footprint to Component để biết được linh kiện nào cần được gán footprint (ví dụ như trong Hình 2.18 đó là R1). Hình 2.18 Hộp thoại Automatic ECO Utility và Link Footprint to Component 21
  36. Trong hộp thoại Link Footprint to Component chúng ta có 3 lựa chọn: 1. Link existing footprint to component Nếu chọn mục này chúng ta sẽ gán linh kiện với footprint sẵn có trong thư viện. 2. Create or modify footprint to library Nếu chọn mục này thì cửa sổ tạo footprint mới sẽ xuất hiện cho phép chúng ta tạo mới rồi gán footprint này cho linh kiện. 3. Defer remaining edits until completion Nếu chọn mục này chúng ta sẽ bỏ qua và để phần mềm tự động gán footprint cho linh kiện. Thông thường chúng ta chọn mục 1 để tiến hành việc gán footprint có sẵn trong thư viện cho linh kiện. Phần mềm Layout sẽ lưu lại việc gán footprint cho các linh kiện và bỏ qua bước này trong các lần kiểm tra sau. Mỗi loại linh kiện sẽ có các thư viện footprint khác nhau nhưng tại thời điểm này chúng ta không quan tâm đến việc gán chính xác footprint nào cho linh kiện vì chúng ta chỉ mới thảo luận về các bước cơ bản của quy trình thiết kế mạch in. Hình 2.19 Gán footprint cho linh kiện trong thư viện có sẵn Sau khi hoàn tất việc chọn footprint cho các linh kiện chúng ta sẽ vào cửa sổ môi trường thiết kế mạch in như Hình 2.20, tại đây chúng ta sẽ nhìn thấy footprint linh kiện, lớp phủ chống oxy hóa, tọa độ vị trí đặt các linh kiện, đường nối mạch nguyên lý, bảng ký hiệu thước lỗ khoan, gốc tọa độ trang vẽ 22
  37. Hình 2.20 Cửa sổ thiết kế mạch in trong phần mềm Layout Chúng ta sẽ thảo luận kỹ hơn về các đối tượng này trong những chương tiếp theo còn bây giờ chúng ta sẽ tập trung vào việc tạo đường bao bo mạch, sắp xếp linh kiện và vẽ đường mạch in. Chú ý rằng trên thanh Windows Task Bar bên dưới màn hình sẽ có hai ứng dụng Layout chạy cùng lúc, một cửa sổ là giao diện Blank (trống) của phần mềm Layout, cửa sổ còn lại là Design Window và chúng ta sẽ thao tác chủ yếu trên cửa sồ này. Để có thể quan sát tốt hơn chúng ta có thể sử dụng chức năng phóng to, thu nhỏ, dịch chuyển màn hình theo các hướng. Để phóng to hoặc thu nhỏ màn hình chúng ta đặt con trỏ tại vị trí cần quan sát chọn biểu tượng công cụ Zoom in, Zoom out, Zoom all hoặc có thể sử dụng phím I để phóng to, phím O để thu nhỏ và phím C để quan sát tại vị trí trung tâm của bo mạch in. Ngoài ra còn một số chức năng quan sát khác chúng ta có thể tham khảo thêm trong thanh công cụ View như Hình 2.21. 23
  38. Hình 2.21 Công cụ View trong Layout Tạo đường bao bo mạch in Tiếp theo là bước tạo đường bao bo mạch in. Đầu tiên chúng ta cần tắt chức năng Design Rule Check (DRC) bằng cách click chuột vào biểu tượng Online DRC để ẩn đi khung kiểm tra lỗi hoặc giới hạn diện tích vẽ đường mạch in (khung đường đứt nét màu trắng), lúc này biểu tượng DRC sẽ ẩn đi như trong Hình 2.22. Cũng có một biểu tượng DRC khác nhưng chức năng này dùng để kiểm tra lỗi thiết kế trước khi gửi file cho nhà sản xuất mạch in. Hình 2.22 Công cụ Online DRC Nếu không tắt chức năng Online DRC chúng ta sẽ không thể sắp xếp linh kiện hoặc vẽ đường mạch in ra bên ngoài khung đường thẳng đứt nét màu trắng. Để tạo đường bao bo mạch in chúng ta chọn công cụ Obstacle, sau đó click chuột phải chọn New, tiếp tục click phải chuột lần thứ hai và chọn Properties. Hộp thoại Edit Obstacle xuất hiện như Hình 2.24, trong mục Obstacle Type chọn Board Outline, mục Obstacle 24
  39. Layer chọn Global Layer và nhập kích thước độ rộng đường bao bo mạch trong mục Width (vi1 dụ: 50 mil) và chọn OK. Hình 2.23 Công cụ vẽ đường bao bo mạch in Obstacle Bây giờ con trỏ sẽ chuyển sang dạng chữ thập “+”. Chúng ta bắt đầu vẽ đường bao bo mạch in bằng cách click chuột tại vị trí gốc tọa độ sau đó thả chuột tự do rồi di chuyển đến vị trí số 2 click chuột, lập lại thao tác này cho vị trí số 3 và 4 như trong Hình 2.25. Hình 2.24 Hộp thoại Edit Obstacle 25
  40. Hình 2.25 Vẽ đường bao bo mạch in Sắp xếp footprint Các linh kiện khi xuất hiện trong cửa sổ Layout thường được đặt ở phía bên trái gốc tọa độ và sẽ ưu tiên sắp xếp các linh kiện gần nhau theo loại và số thứ tự, do đó sẽ rất khó để chúng ta quan sát kết nối giữa các linh kiện này. Để có thể chọn và di chuyển các footprint chúng ta sử dụng công cụ Component như trong Hình 2.26, click chuột vào footprint cần sắp xếp, thả chuột tự do sau đó di chuyển chuột đến vị trí mong muốn bên trong đường bao bo mạch in, click chuột lần nữa để cố định vị trí footprint. Sau khi footprint các linh kiện đã được sắp xếp chúng ta tiến hành vẽ các đường mạch in. Hình 2.26 Công cụ sắp xếp footprint Vẽ đường mạch in Có hai cách để tiến hành vẽ đường mạch in, chúng ta có thể vẽ đường mạch in tự động hoặc có thể sử dụng công cụ vẽ đường mạch in bằng tay. Để vẽ đường mạch in tự động chúng ta chọn menu Auto>Autoroute>Board phần mềm Layout sẽ tự động chọn đường mạch in và lớp vẽ tốt nhất để nối các đường mạch in này. Tùy thuộc vào việc sắp xếp các footprint, kích thước đường bao và độ phức tạp của các đường mạch in mà phần mềm Layout sẽ chọn số lượng các lớp khác nhau để thực hiện. Có 4 công cụ vẽ đường mạch in bằng tay đó là Auto Path Route, Shove Track, Edit Segment và Add/Edit Route. Phần mềm Layout cho phép vẽ mạch in lên đến 16 lớp, việc 26
  41. thiết lập thông số kỹ thuật cho các lớp cũng như giới thiệu về chức năng của các công cụ này sẽ được trình bày trong các chương tiếp theo. Hình 2.27 Công cụ vẽ mạch in tự động và vẽ mạch in bằng tay Tối ưu hóa đường mạch in Để có thể loại bỏ các lỗi không mong muốn tạo ra trong quá trình vẽ mạch in chúng ta chọn chức năng Auto>Clean up Design và chọn các đối tượng cần loại bỏ trong hộp thoại Clean up Design. Phần mềm sẽ kiểm tra các lỗi vẽ đường mạch in như là đường mạch in không nằm trên lưới (off-grid), đường mạch in tạo ra các góc nhọn (acute angle), lỗi pad, các via nằm chồng lên nhau (overlapping via). Nếu như chúng ta không muốn phần mềm kiểm tra và thay đổi bất kỳ đường mạch in nào chúng ta có thể dùng chức năng khóa bằng cách nhấn và giữ phím Ctrl đồng thời click chuột vào đường mạch cần khóa. Sau đó click chuột phải và chọn Lock. Hình 2.28 Hộp thoại Clean up Design 27
  42. CÂU HỎI ÔN TẬP: 1. Hãy trình bày các bước cơ bản để xây dựng sơ đồ mạch nguyên lý, sơ đồ mạch in trên phần mềm OrCAD Capture và Layout? 2. Hãy cho biết công cụ nào được sử dụng để vẽ các đường kết nối trong sơ đồ mạch nguyên lý? 3. Kết nối giữa các chân của linh kiện được xem là thành công khi nào? 4. Nhóm công cụ dùng để vẽ đường mạch in bằng tay gồm những công cụ nào? 5. Hãy cho biết 3 lựa chọn trong hộp thoại Link Footprint to Component có ý nghĩa gì? 1. Link existing footprint to component 2. Create or modify footprint to library 3. Defer remaining edits until completion 28
  43. CHƯƠNG 3: CẤU TRÚC CỦA MỘT PROJECT VÀ CÁC CÔNG CỤ TRONG LAYOUT 3.1 Thiết lập project Cấu trúc của project Khi chúng ta thiết lập một Project bằng cách chọn File>New>Project chúng ta sẽ có 5 lựa chọn đó là Project, Design, Library, VHDL hoặc là Text. Các chức năng mà chúng ta thường chọn để làm việc đó chính là Project và Library, chúng ta sẽ thảo luận nhiều hơn về hai chức năng này trong tài liệu. File VHDL được sử dụng trong lĩnh vực mô phỏng phần cứng, file Text đơn giản là dạng file văn bản được dùng cho việc ghi chú. Trong hộp thoại New Project sẽ có 4 chức năng cho phép chúng ta chọn lựa Analog or Mixed-Signal A/D, PC Board Wizard, Programmable Logic Wizard và Schematic. Chức năng Analog or Mixed-Signal A/D được sử dụng để mô phỏng mạch điện analog hoặc digital trên phần mềm PSpice. Chúng ta đã sử dụng chức năng PC Board Wizard cho việc thiết kế PCB. Chức năng Programmable Logic Wizard được sử dụng với các linh kiện lập trình và chúng ta sẽ không thảo luận trong tài liệu này còn Schematic là chức năng cơ bản được sử dụng để tạo ra các sơ đồ mạch nguyên lý với ký hiệu của các linh kiện. Hình 3.1 Cửa sổ Project manager Trong cửa sổ Project manager như Hình 3.1 chúng ta sẽ thấy rằng mỗi Project sẽ có 3 thư mục Design Resources, Outputs và Referenced Projects. Tại thời điểm ban đầu khi mới tạo Project thì 2 thư mục Outputs và Referenced Projects sẽ không có dữ liệu. Thư mục Design Resources chứa file thiết kế và Library. Một Project chỉ có thể chứa một bản thiết 29
  44. kế nhưng lại có thể chứa thư mục phụ trong đó chứa nhiều dữ liệu khác nhau. Thư mục Library chứa đường dẫn đến các thư viện được sử dụng trong thiết kế. File thiết kế chứa ít nhất một thư mục Schematic và một thư mục Design Cache. Một file thiết kế có thể chứa nhiều thư mục Schematic, trong mỗi thư mục Schematic có thể có nhiều trang vẽ (Page). Thư mục Design Cache lưu trữ các loại linh kiện được sử dụng trong bảng thiết kế. Nếu như chúng ta chỉnh sửa một linh kiện nào đó trên trang vẽ, phần mềm Capture sẽ copy và lưu trữ linh kiện đã chỉnh sửa đó vào trong Design Cache để chúng ta có thể dễ dàng lấy ra trang vẽ. Một thiết kế với một thư mục Schematic và một hoặc nhiều trang vẽ (Schematic page), các trang này được liên kết với nhau bởi ký hiệu kết thúc trang (off page) thì gọi là thiết kế đơn tầng (flat design). Một thiết kế với nhiều thư mục Schematic và nhiều trang vẽ hoặc chứa nhiều khối kết nối đa tầng (hierarchical blocks) thì gọi là thiết kế đa tầng. Thư viện linh kiện (Library) Để có thể lấy linh kiện ra trang vẽ chúng ta sử dụng công cụ Place Part. Sau khi hộp thoại Place Part xuất hiện chúng ta sẽ nhập tên linh kiện (bằng tiến anh) vào mục Part như trong Hình 3.2, hình dạng linh kiện sẽ xuất hiện ở cửa sổ Preview để chúng ta có thể kiểm tra trước khi mang ra trang vẽ. Chú ý: Thông thường khi cài đặt phần mềm lần đầu các thư viện linh kiện trong mục Libraries sẽ không có do đó chúng ta không thể tìm thấy linh kiện khi nhập tên vào mục Part. Để thêm thư viện linh kiện chúng ta chọn nút công cụ Add Library. Hộp thoại Browse File xuất hiện, thông thường phần mềm sẽ tự động trỏ đến đường dẫn chứa các thư viện hoặc các thư viện này được chứa trong thư mục cài đặt phần mềm OrCAD (C:\Program Files\Orcad\Capture\Library). Để có thể tìm kiếm linh kiện dễ dàng chúng ta nên thêm tất cả thư viện vào phần mềm bằng cách click chuột chọn một thư viện bất kỳ sau đó nhấn phím Ctrl+A và nhấn nút Open để kết thúc việc Add Library. Đồng thời tại mục Libraries chúng ta phải chọn tất cả thư viện như trong Hình 3.2, các thư viện được chọn sẽ có màu xanh. Như vậy chúng ta có thể tìm kiếm bất kỳ linh kiện nào có trong các thư viện của phần mềm. Để loại bỏ thư viện không sử dụng chúng ta chọn thư viện sau đó nhấn nút công cụ Remove Library. Nút công cụ Part Search cho phép chúng ta tìm thư viện chứa linh kiện, khi sử dụng chức năng này phần mềm yêu cầu phải nhập chính xác tên linh kiện. 30
  45. Hình 3.2 Thư viện linh kiện 3.2 Môi trường và công cụ thiết kế mạch in trong Layout File định dạng tiêu chuẩn kỹ thuật (Board technology files) Khi bắt đầu thao tác trên phần mềm Layout, chúng ta phải chọn file tiêu chuẩn kỹ thuật với phần mở rộng .TCH (technology template) trước khi mở file netlist có phần mở rộng .MNL. Chúng ta thường sử dụng file mặc định (default) nhưng chúng ta có thể chọn 21 file kỹ thuật khác nhau. File tiêu chuẩn kỹ thuật thiết lập các thông số như số lớp mạch in cho phép, kích thước Pad và lỗ khoan, đơn vị đo File tiêu chuẩn default được thiết lập là bo mạch in nhiều lớp cấp độ A. Theo tiêu chuẩn của Hiệp hội bo mạch in (IPC: Institute for Printed Circuits) thì có tất cả 3 cấp độ là A, B và C. Cấp độ A là bo mạch được thiết kế với mức độ phức tạp (complexity) thông thường. Trong tiêu chuẩn IPC-2221A chứa các quy định cho phép trong sản xuất mạch in (SFAs: standard fabrication allowances). Phần mềm Layout sử dụng các tiêu chuẩn này để thiết lập các đường mạch in cơ sở và khoảng cách giữa các đường mạch. Ví dụ như ở tiêu chuẩn cấp độ A, phần mềm Layout cho phép chỉ có duy nhất một đường mạch in đi qua giữa hai chân của IC (integrated circuit) dạng xuyên lỗ, kích thước Pad là 62 mil (0,062 inh), kích thước lỗ khoan chân IC là 38 mil độ phân giải lưới vẽ đường mạch in và pad là 25 mil, độ phân giải lưới đặt linh kiện là 100 mil, khoảng cách giữa các đường mạch in là 12 mil. Các file tiêu chuẩn kỹ thuật sử dụng cho bo mạch ở cấp độ B và C cho phép 2 và 3 đường mạch in tương ứng với hai cấp độ này đi qua giữa hai chân linh kiện, do đó kích thước của Pad sẽ nhỏ lại để tăng khoảng trống cho các đường mạch in đi qua. Một số file tiêu chuẩn kỹ thuật được mô tả như trong Bảng 3.1. 31
  46. Bảng 3.1 Các file tiêu chuẩn kỹ thuật [1] Sau khi chọn file tiêu chuẩn kỹ thuật phần mềm Layout sẽ yêu cầu mở file netlist với phần mở rộng .MNL mà chúng ta đã tạo trong Capture. Phần mềm Layout sẽ thêm các thông tin và lưu file mạch in với phần mở rộng .MAX, file .MAX này sẽ chứa các thông tin như kích thước bo mạch, vị trí đặt các linh kiện, kích thước và vị trí các đường mạch in Tính năng tự động chọn footprint (AutoECO) Sau khi lưu các thông tin cơ bản của một file mới, tính năng AutoECO (automatic engineering change order) trong phần mềm Layout sẽ xuất hiện yêu cầu chúng ta chọn footprint từ thư viện cho các linh kiện được liệt kê trong file .MNL. Chú ý: Từ lúc bắt đầu thiết kế mạch sơ đồ nguyên lý trên Capture cho đến khi chuyển sang thiết kế sơ đồ mạch in trên Layout, phần mềm sẽ tạo ra gần 40 file khác nhau để mô tả đầy đủ các thông tin về bản thiết kế. Nếu như chúng ta lưu nhiều Project vào cùng một thư mục thì sẽ rất khó để quản lý các file này, vì vậy chúng ta nên lưu mỗi Project vào một thư mục khác nhau. Nếu như các linh kiện không được gán footprint trong quá trình vẽ sơ đồ nguyên lý ở Capture hoặc các linh kiện này không được gán footprint trong phân mềm Layout thì tính năng AutoECO sẽ mở hộp thoại Link Footprint to Component với 3 lựa chọn như trong Hình 3.3, ý nghĩa của từng chọn lựa này đã được trình bày ở chương 2 mục 2.3.1. 32
  47. Hình 3.3 Hộp thoại yêu cầu gán footprint cho linh kiện Khi chọn lựa footprint cho các linh kiện xong phần mềm sẽ lưu lại thông tin này và tự động gán footprint cho các linh kiện cùng loại trong các Project tiếp theo. Chúng ta có thể loại bỏ việc gán tự động này bằng cách chủ động gán footprint cho linh kiện khi thiết kế trên Capture trước khi tạo file netlist .MNL. Nếu không thực hiện việc gán trước khi tạo file netlist phân mềm sẽ tự động gán các footprint mặc định cho linhh kiện sau đó chúng ta có thể thay đổi các footprint này trong trong quá trình thiết kế trên Layout hoặc Capture. Nếu như chọn chức năng thứ hai Create or modify footprint library cửa sổ Library Editor sẽ tự động mở ra cho phép chúng ta chỉnh sửa một footprint có sẵn hoặc tạo một footprint mới. Sau khi lưu footprint chúng ta có thể đóng cửa sổ Footprint Editor và quay trở lại tính năng AutoECO với ba chọn lựa như ban đầu. Tuy nhiên tại thời điểm này chúng ta sẽ chọn chức năng thứ nhất Link existing footprint to component để gán footprint có sẵn trong thư viện cho các linh kiện mà tính năng AutoECO yêu cầu. Nếu chọn chức năng thứ ba Defer remaining edits until completion thì tính năng AutoECO sẽ bỏ qua việc chọn footprint cho linh kiện hiện tại và tiếp tục tìm footprint cho các linh kiện còn lại trong file netlist .MNL. Nếu như tất cả các linh kiện không tìm thấy footprint thì tính năng AutoECO sẽ báo lỗi, kết thúc, không tạo ra bo mạch in và chúng ta phải thực hiện lại toàn bộ quá trình này. Khi mà tính năng AutoECO kết thúc với việc gán đầy đủ footprint cho các linh kiện trong mạch sơ đồ nguyên lý phần mềm Layout sẽ mở cửa sổ Design window. Các linh kiện sẽ được tự động đặt trên trang vẽ ở phía bên trái của gốc tọa độ và được nối với nhau bằng các đường màu vàng gọi là “rat’s nest”. Từ đây chúng ta có thể vẽ đường bao bo mạch, sắp xếp các linh kiện, vẽ các đường mạch in và tạo các file hậu xử lý. Để có thể thực hiện các nhiệm vụ này một cách thuần thục chúng ta cần biết cách sử dụng các công cụ trong phần mềm Layout. 33
  48. Giao diện chương trình và cửa sổ thiết kế (Session Frame và Design Window) Khi phần mềm Layout được kích hoạt cửa sổ giao diện phần mềm sẽ xuất hiện như trong Hình 3.4 (a). Sau khi liên kết với file netlist .MNL và tính năng AutoECO kết thúc, file mạch in .MAX được tạo ra thì cửa sổ thiết kế (Design window) sẽ xuất hiện như trong Hình 3.4 (b). Hình 3.4 Giao diện chương trình và cửa sổ thiết kế Sau khi cửa sổ Design Window xuất hiện chúng ta có thể đóng cửa sổ giao diện chính của phần mềm, chỉ mở duy nhất cửa sổ Design Window. Nhưng tốt nhất chúng ta nên mở cả hai cửa sổ này bởi vì cửa sổ giao diện chính cho phép phần mềm giao tiếp với các ứng dụng khác như Capture. Chúng ta không nên mở nhiều cửa sỗ Design Window cùng một lúc bởi vì chúng ta có thể tạo ra những thay đổi không mong muốn trên các cửa sổ khác khi đang thao tác. 3.2.3.1 Giao diện chương trình (Session Frame) Từ menu File trong cửa sổ giao diện chính của chương trình chúng ta có thể tạo một thiết kế mới hoặc mở một thiết kế có sẵn từ một phần mềm khác như PADS, Protel , menu Tool trên thanh công cụ cho phép chúng ta truy cập vào các file khởi tạo trong Layout (LSESSION.ini) để thay đổi các thiết lập của ứng dụng và thư viện footprint (Library Manager), từ đó chúng ta có thể tạo ra các footprint và các thư viện footprint linh kiện riêng. Ngoài ra menu Tool còn cho phép liên kết với các ứng dụng khác như Orcad Capture và Gerber Tool. 3.2.3.2 Cửa sổ thiết kế (Design Window) Cửa sổ thiết kế Design Window là môi trường để thực hiện việc thiết kế bo mạch in. Từ cửa sổ này chúng ta sẽ sử dụng các công cụ để sắp xếp, thay đổi, chỉnh sử footprint và vẽ các đường mạch in Có khoảng 200 tác vụ có thể thực hiện từ các công cụ trong cửa sổ thiết kế này. 34
  49. Thanh công cụ (Tool bar) Các công cụ trong thanh Tool bar được chia thành 4 nhóm chức năng như trong Hình 3.5 bao gồm 11 công cụ dành cho các chức năng thông thường (general project tools) như mở file, lưu file, zoom , nhóm thứ hai gồm 6 công cụ dành cho việc chọn đối tượng thao tác (object selection tools) như chọn linh kiện, chọn tên linh kiện, chọn đường nối mạch nguyên lý , nhóm thứ ba gồm 4 công cụ vẽ mạch in bằng tay (manual routing tools) và cuối cùng là 5 công cụ để thiết lập môi trường vẽ mạch in (environmental control tools). Hình 3.5 Thanh công cụ Tool bar 3.2.4.1 Công cụ dành cho các chức năng thông thường (General project tools) Open File Giống như công cụng Open File trong Window, công cụ này dùng để mở một project với phần mở rộng .MAX, file thông số kỹ thuật (.TCH, .TPL), file thư viện footprint Công cụ này cũng có thể mở bằng cách chọn File>Open. Save Project Công cụ này được dùng để lưu file với phần mở rộng .MAX hiện hành. Chúng ta có thể sử dụng công cụ này bằng cách chọn File>Save hoặc chọn Save As để lưu file hiện tại với một tên khác, thư mục khác hoặc có thể dùng để lưu các file thuộc tính của project. Library Manager Công cụ Library Manager được sử dụng để chỉnh sửa và tạo mới các footprint, hình dạng và kích thước của Pad. Delete Công cụ này được dùng để xóa các đối tượng trong cửa sổ thiết kế, nếu như chúng ta không chọn bất kỳ đối tượng nào thì công cụ này sẽ bị ẩn đi. Chúng ta có thể sử dụng phím Delete trên bàn phím cho chức năng này. Khi xóa các đối tượng quan trọng phần mềm Layout sẽ hỏi lại để chắc chắn rằng chúng ta có muốn xóa hay không. 35
  50. Find Khi chọn chức năng Find hộp thoại Find Coordinate or Reference Designator xuất hiện chúng ta có thể nhập tên linh kiện, Pad hoặc một tọa độ vị trí bất kỳ công cụ này sẽ di chuyển con trỏ về đúng vị trí cần quan sát. Edit Chọn một đối tượng trong cửa sổ thiết kế như linh kiện hoặc đường mạch in sau đó chọn chức năng Edit thì hộp thoại Edit Properties xuất hiện cho phép chúng ta thay đổi các thuộc tính của đối tượng. View Spreadsheets Công cụ View Spreadsheets được sử dụng rất nhiều trong phần mềm Layout để tác động đến các tham số thiết lập trang vẽ. Công cụ này cho phép thiết lập và hiển thị nhiều thông số cùng một thời điểm. Query Cửa sổ Query được sử dụng kết hợp với các công cụ trong nhóm Object Selection tools để xem thuộc tính của các đối tượng. Cửa sổ Query được mở bằng cách click chuột vào công cụ Query sau đó chọn một công cụ trong nhóm Object Selection tools rồi tác động lên đối tượng trên trang vẽ, các thuộc tính của đối tượng được hiển thị trên cửa sổ như Hình 3.6. Ngoài ra cửa sổ Query còn được sử dụng để tìm đối tượng trong trang vẽ bằng cách đưa con trỏ vào cửa sổ click chuột phải chọn Find/Goto sau đó nhập tên đối tượng ví dụ như R (resistor) hoặc C (capacitor) Cửa sổ Query sẽ hiển thị thuộc tính liên quan đến các đội tượng này. Hình 3.6 Cửa sổ Query 36
  51. 3.2.4.2 Công cụ chọn đối tượng thao tác (Object selection tools) Component Đây là công cụ rất mạnh với nhiều chức năng được sử dụng để thao tác với các footprint. Chức năng cơ bản của công cụ này là chọn lựa, di chuyển, chỉnh sửa và xóa footprint. Ngoài ra công cụ này còn có nhiều chức năng khác ví dụ như nếu chúng ta không chọn bất kỳ linh kiện (footprint) nào và click phải chuột thì các chức năng của công cụ này xuất hiện trong menu pop-up như trong Hình 3.7 (a) hoặc nếu chúng ta chọn một footprint nào đó và click chuột phải thì các chức năng khác của công cụ này sẽ xuất hiện như trong Hình 3.7 (b). Hình 3.7 Các chức năng của công cụ Component [1] (a) Không chọn footprint (b) Có chọn footprint Pin Chức năng cơ bản của công cụ này là dùng để chọn, di chuyển, chỉnh sửa và xóa một chân nào đó trong footprint. Giống như công cụ Component, công cụ này cũng có nhiều chức năng khác nhau nếu chúng ta chọn hoặc không chọn chân của footprint khi click chuột phải. Công cụ này thường được sử dụng để chỉnh sửa footprint trong Library Manager. 37
  52. Obstacles Công cụ này được sử dụng để vẽ, chọn, di chuyển, chỉnh sửa, copy và xóa các đường giới hạn (obstacle) phạm vi đặt linh kiện và phạm vi vẽ các đường mạch in. Thông thường các đường giới hạn này là đường bao linh kiện, đường giới hạn bo mạch in, vùng phủ đồng Để di chuyển mà không làm thay đổi kích thước đường bao chúng ta nhấn phím Ctlt+click chuột trái vào đường bao sau đó thả phím Ctrl, click và giữ chuột trái rồi di chuyển đường bao đến vị trí mới mong muốn. Để thay đổi kích thước đường bao chúng ta click chuột trái vào từng cạnh sau đó di chuyển đến các vị trí mong muốn rồi click chuột để cố định các cạnh của đường bao. Ngoài ra chúng ta có thể click chuột phải để chọn một số chức năng mở rộng khác của công cụ này. Text Công cụ này dùng để chọn, di chuyển, chỉnh sửa, copy và xóa chuỗi ký tự trên trang vẽ. Chúng ta có thể chọn công cụ này sau đó sử dụng phím Insert để chèn chuỗi ký tự lện trang vẽ hoặc sử dụng phím Ctrl+C để copy và dùng Ctrl+V để dán chuỗi ký tự. Connection Công cụ này được sử dụng để tạo ra các đường mạch nguyên lý mà trong Capture không có hoặc thiếu. Chúng ta có thể sử dụng công cụ này để tạo và xóa các đường mạch nguyên lý trực tiếp trong Layout. Error maker selection Công cụ này cho phép chúng ta chọn lỗi, tìm vị trí và xác định thông tin về lỗi tạo ra trong quá trình thiết kế mạch in sau khi sử dụng công cụ kiểm tra lỗi DRC. 3.2.4.3 Công cụ thiết lập môi trường vẽ mạch in (environmental control tools) Color Settings Công cụ này dùng để thiết lập màu cho các đối tượng trong trang vẽ như tên footprint, đường bao, lớp Công cụ này cũng được sử dụng để thiết lập cho các lớp hiển thị hoặc ẩn đi. Online Design Rule Check (DRC) Chức năng của công cụ này là ngăn ngừa việc đặt linh kiện và vẽ đường mạch in bên ngoài khu vực cho phép. 38
  53. Reconnect Mode Công cụ này có chức năng ẩn đi các đường mạch nguyên lý giúp chúng ta dễ dàng quan sát trong quá trình thiết kế. Refresh Công cụ này có chức năng hiển thị lại các đường mạch in bị nhòe trong quá trình vẽ và nối lại các đường mạch nguyên lý sao cho độ dài các đường này là ngắn nhất. Project DRC Công cụ này cho phép phần mềm kiểm tra toàn bộ thiết kế theo các tiêu chuẩn được thiết lập trong hộp thoại Check Design Rule. 3.2.4.4 Công cụ vẽ mạch in bằng tay (manual routing tools) Add/Edit Route Mode Chúng ta sử dụng công cụ Add/Edit Route Mode để tạo các đường mạch in từ đường nối mạch nguyên lý hoặc chỉnh sửa các đường mạch in có sẵn. Edit Segment Mode Chức năng cơ bản của công cụ Edit Segment Mode là di chuyển các đoạn và các góc của đường mạch in có sẵn. Chúng ta có thể sử dụng công cụ Edit Segment Mode để vẽ đường mạch in cho các đường mạch nguyên lý như công cụ Add/Edit Route Mode. 3.2.4.5 Tọa độ con trỏ, lưới đặt linh kiện và lớp mạch in hiện hành Phía bên dưới thanh Tool bar là thanh hiển thị tọa độ con trỏ, độ phân giải lưới đặt linh kiện và menu drop down hiển thị lớp mạch in hiện hành như Hình 3.8. Tọa độ con trỏ được xác định theo đơn vị mặc định Mil và liên quan đến vị trí gốc tọa độ của bo. Lưới đặt linh kiện thể hiện độ linh hoạt khi chúng ta sắp xếp footprint lên bo mạch, giá trị lưới càng nhỏ thì việc sắp xếp vị trí đặt càng dễ điều khiển. Menu hiển thị lớp mạch in hiện hành cho phép chúng ta chọn lớp mạch in để thao tác hoặc có thể ẩn đi khi cần quan sát các lớp còn lại. Hình 3.8 (a) Tọa độ con trỏ (X, Y) và độ phân giải lưới (G) (b) Menu hiển thị lớp mạch in hiện hành 39
  54. CÂU HỎI ÔN TẬP: 1. Cấu trúc của một Project gồm bao nhiêu thư mục? 2. Hãy cho biết đường dẫn chứa thư viện linh kiện thường được thiết lập ở đâu? 3. Hãy trình bày cách thức để có thể tìm kiếm linh kiện trong thư viện phần mềm nhanh nhất? 4. File tiêu chuẩn kỹ thuật với phần mở rộng .TCH được sử dụng để làm gì? 5. Thanh công cụ chính của phẩn mềm OrCAD Layout được chia thành 4 nhóm chức năng khác nhau đó là các nhóm nào? 40
  55. CHƯƠNG 4: CÁC TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ MẠCH IN TRONG CÔNG NGHIỆP 4.1 Các tổ chức tiêu chuẩn Khi bắt đầu thiết kế một PCB chúng ta thường đưa ra các yêu cầu về kích thước, hình dạng bo mạch, vị trí đặt linh kiện, cách thức sắp xếp các lớp mạch in, khoảng cách và độ rộng của các đường mạch in đây chính là các câu hỏi đúng được đặt ra để chúng ta tiến hành thiết kế nhưng vấn đề quan trọng là ai sẽ là người trả lời các câu hỏi này. Có rất nhiều tiêu chuẩn liên quan đến việc thiết kế mạch in. Một số tổ chức thiết lập các tiêu chuẩn như là các hướng dẫn, quy tắc công nhận thậm chí là điều luật trong lĩnh vực thiết kế mạch in như Institute for Printed Circuits (IPC-Association Connecting Electronics Industries), đây là tổ chức thương mại toàn cầu bao gồm hơn 2300 công ty thành viên. Tổ chức này được thành lập từ các thành viên hoạt động trong lĩnh vực công nghiệp như kỹ sư thiết kế, nhà sản xuất bo, công ty lắp ráp linh kiện, công ty sản xuất linh kiện và các tổ chức sản xuất thiết bị. Ngoài ra còn rất nhiều tổ chức khác cũng đưa ra các tiêu chuẩn kỹ thuật như Electronic Industries Alliance (EIA), International Engineering Consortium (IEC), Joint Electron Device Engineering Council (JEDEC), Military Standards, American National Standards Institute (ANSI), Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 4.2 Phân loại mạch in Cách thức thiết kế một PCB phụ thuộc vào nhiều yếu tố như là công dụng của bo mạch, mức độ phức tạp trong thiết kế và khả năng chế tạo, tiêu chuẩn cho phép của nhà sản xuất, loại linh kiện và công nghệ chế tạo. Việc phân loại tiêu chuẩn được xây dựng để hỗ trợ các nhà thiết kế, nhà sản xuất và khách hàng trao đổi thông tin với nhau. Các phân loại bao gồm phân loại theo ứng dụng, khả năng sản xuất và loại cấu trúc. Phân loại theo ứng dụng Thông thường các PCB ở một trong ba cấp độ ứng dụng. Theo các tiêu chuẩn của tổ chức IPC thì vật liệu ứng dụng và mức độ sai số được xác định theo các mức. Mức ứng dụng được dựa trên các yếu tố như là sự thay đổi cho phép độ dày lớp đồng, sai số vị trí, sai số kích thước lỗ khoan gồm các lớp như sau: Lớp 1: Các sản phẩm điện tử gia dụng như ti vi, máy chơi game, máy tính cá nhân. Lớp 2: Các sản phẩm điện tử chuyên dụng bao gồm các sản phẩm thương mại và quân sự có các chức năng đặc biệt như giao tiếp, phối hợp các khối và hệ thống cảm biến, các sản phẩm đòi hỏi khả năng tính toán lớn. 41
  56. Lớp 3: Các sản phẩm thương mại và quân sự đòi hỏi độ tin cậy cao trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau như các thiết bị y tế và hệ thống vũ khí. Phân loại theo khả năng sản xuất Được phân chia theo 3 mức độ khác nhau về khả năng sản xuất: Cấp độ A, các thiết kế thông thường - Độ phức tạp thấp Cấp độ B, các thiết kế trung bình - Độ phức tạp tiêu chuẩn Cấp độ C, các thiết kế cao cấp - Độ phức tạp cao Phân loại theo cấu trúc Phân loại theo cấu trúc được xác định dựa vào số lượng các lớp (một lớp, hai lớp hoặc nhiều lớp) và theo loại via được sử dụng để kết nối các lớp. Theo tiêu chuẩn của IPC thì có 6 loại bo được chế tạo đó là: Loại 1: Bo mạch in một lớp Loại 2: Bo mạch in hai lớp Loại 3: Bo mạch in nhiều lớp không có via mù (blind via) và via ngầm (buried via) Loại 4: Bo mạch in nhiều lớp có via mù (blind via) và via ngầm (buried via) Loại 5: Bo mạch in nhiều lớp lõi kim loại không có via mù (blind via) và via ngầm (buried via) Loại 6: Bo mạch in nhiều lớp lõi kim loại có via mù (blind via) và via ngầm (buried via) Mỗi loại PCB có thể được xác định bởi lớp sắp xếp phụ, lớp này miêu tả chi tiết cách sắp xếp các linh kiện trên bo mạch. Các lớp phụ này bao gồm: Lớp phụ A, chỉ có linh kiện dạng xuyên lỗ (THD: through-hole devices) Lớp phụ B, chỉ có linh kiện dán (SMD: surface-mounted devices) Lớp phụ C, hỗn hợp linh kiện dán và linh kiện xuyên lỗ dạng đơn giản Lớp phụ X, linh kiện dán hoặc xuyên lỗ phức tạp, khoảng cách nhỏ, linh kiện dạng đóng gói BGA Lớp phụ Y, linh kiện dán hoặc xuyên lỗ phức tạp, khoảng cách siêu nhỏ, linh kiện dạng đóng gói chip-scale Lớp phụ Z, linh kiện dán hoặc xuyên lỗ phức tạp, khoảng cách nhỏ, linh kiện dạng đóng gói flip-scale 42
  57. 4.3 Các tiêu chuẩn chế tạo Không có một quy trình chế tạo nào là hoàn hảo, mọi tquy trình đều có giới hạn và việc chế tạo PCB cũng như vậy. Các sai số thiết kế bao gồm vị trí và đường kính lỗ khoan, lớp phủ đồng và quá trình ăn mòn, độ phân giải của lớp phủ chống oxy hóa. Sai số gia công bo mạch in trở nên quan trọng hơn khi số lượng lớp, độ rộng đường mạch in tăng lên và khoảng cách giảm xuống. Lỗi sai số có thể sinh ra trong từng giai đoạn sản xuất mạch in và dẫn đến việc tạo ra bo mach in không đạt yêu cầu. Biết được giới hạn sản xuất có ý nghĩa quan trọng vì như vậy chúng ta có thể thiết kế bo mạch phù hợp với khả năng của nhà sản xuất. Bởi vì tuy thiết kế của chúng ta đạt được các tiêu chuẩn hiện tại nhưng mỗi nhà sản xuất bo mạch lại có những khả năng khác nhau. 4.4 Kích thước và sai số bo mạch in Kích thước bảng mạch in tiêu chuẩn Theo IPC bảng mạch in tiêu chuẩn (standard panel) có 16 kích thước khác nhau được ký hiệu bằng chữ và số, các thông số này thể hiện kích thước của bo mạch theo phương x và phương y. Các kích cỡ được ký hiệu từ A1-D4 như được trình bày trong Bảng 4.1 Bảng 4.1 Kích thước bảng mạch in tiêu chuẩn [1] Chúng ta cần biết kích thước của bảng mạch in tiêu chuẩn để có thể giảm chi phí gia công khi chủ động thiết kế các bo mạch có kích thước phù hợp với các kích thước chuẩn hoặc có thể ghép nhiều bo mạch trên cùng một bảng mạch tiêu chuẩn. Chú ý nếu linh kiện được ráp tự động bằng máy thì chúng ta cần biết giới hạn về kích thước để tránh trường hợp không thể ráp linh kiện lên bo do kích thước bo quá nhỏ hoặc quá lớn. Diện tích gá và hiệu suất sử dụng bo mạch in Khi các nhà sản xuất gia công bo mạch họ cần khoan các lỗ bên ngoài đường bao bo mạch để có thể cố định bo mạch vào máy gia công, phần diện tích để khoan các lỗ này gọi là diện tích gá (tooling area). Diện tích này yêu cầu khoảng 0.375-1.5 inch, khoảng cách này được đo từ cạnh đường bao bo mạch đến đường giới hạn của bang mạch tiêu chuẩn (theo tiêu chuẩn IPC-D-322). Khi đặt nhiều thiết kế trên cùng một bảng mạch thì khoảng 43
  58. cách tối thiểu giữ hai đường bao bo mạch của các thiết kế thường là 0.1-0.5 inch, mục đích là để có thể sử dụng tối đa bảng mạch in. Hầu hết các vấn đề trên đều được nhà sản xuất bo mạch xử lý thay cho người thiết kế nhưng nếu chúng ta nắm được các vấn đề nêu trên thì chúng ta có thể tối ưu việc sắp xếp linh kiện và giảm chi phí sản xuất. Độ dày tiêu chuẩn bo mạch in Như đã trình bày trong chương 1, PCB được cấu tạo từ việc ghép một hoặc nhiều lõi với các lớp sợi thủy tinh tẩm nhựa do đó độ dày của bo mạch in phụ thuộc vào số lượng các lớp này. Bảng 4.2 trình bày các độ dày tiêu chuẩn của bo mạch trong công nghiệp. Bảng 4.2 Độ dày tiêu chuẩn bo mạch in [1] 4.5 Đường mạch đồng và sai số ăn mòn Khi tiến hành ăn mòn kim loại thay vì sử dụng phương pháp phay thì các cạnh của đường mạch đồng không phẳng hoàn toàn như một bức tường thẳng đứng. Sự gồ ghề xuất hiện do độ phân giải hạn chế của mặt nạ, xảy ra do sự lưu thông của axit và bong bóng khí trong quá trình ăn mòn. Hình 4.1 cho thấy đường mạch in có dạng hình thang, lớp đồng ở phía dưới mặt nạ ngăn chất ăn mòn bị loại bỏ, hiện tượng này đượng gọi là ăn mòn ngược (etchback hoặc undercutting). Độ rộng đường mạch in ở phần đáy hình thang sẽ bằng với độ rộng của mặt nạ và kích thước này sẽ được sử dụng để tính toán khi có yêu cầu. Hình 4.1 Độ rộng đường mạch in và hiệu ứng ăn mòn ngược [1] 44
  59. Theo tiêu chuẩn IPC thì sai số độ rộng đường mạch in được cho phép từ ±0.4 mil - ±0.6 mil trên 1½ oz. Người thiết kế cần nắm được sự thay đổi về độ rộng đường mạch in để có thể tính toán được trở kháng và khả năng chịu dòng. Đối với các thiết kế thông thường thì độ rộng đường mạch in được tính toán theo kinh nghiệm thực tế. Theo tiêu chuẩn IPC- 2221A độ rộng nhỏ nhất và khoảng cách giữa các đường mạch in là 3.9 mil. Mỗi nhà sản xuất bo mạch lại có sai số về độ rộng và khoảng cách riêng của mình, thông thường giá trị này là 4 mil - 8 mil, tốt nhất là chúng ta nên liên lạc để có thể biết được khả năng của các nhà sản xuất trước khi tiến hành gia công. 4.6 Kích thước lỗ khoan tiêu chuẩn Lỗ khoan được khoan trên bo mạch in bằng nhiều kỹ thuật khác nhau như sử dụng mũi khoan xoắn, mũi phay, khoan laser và plasma. Độ chính xác về vị trí, kích thước và tốc độ khoan là các yếu tố được quan tâm. Người thiết kế bo cần phải biết kích thước lỗ khoan cho từng chân linh kiện (padstack). Kích thước tiêu chuẩn của mũi khoan được quy định trong tiêu chuẩn ANSI B19.11M. Tuy nhiên không phải nhà sản xuất bo mạch nào cũng khoan tất cả các kích thước lỗ khoan này. Khi chúng ta có một lỗ khoan có kích thước đặc biệt thì chúng ta nên thay đổi kích thước này cho phù hợp với khả năng của nhà sản xuất. Đối với các lỗ khoan có kích thước nhỏ gần bằng kích thước lỗ khoan có sẵn thì nhà sản xuất sẽ chọn kích thước lỗ khoan kích thước lỗ khoan có sẵn này để đảm bảo rằng các lỗ khoan này không nhỏ hơn lỗ khoan theo thiết kế, như vậy chúng ta mới có thể lắp ráp được linh kiện lên bo. Nhưng việc này sẽ ảnh hưởng đến độ rộng vòng giải nhiệt tại các chân linh kiện. CÂU HỎI ÔN TẬP: 1. Các phân loại chính của bo mạch in là gì? 2. Hãy trình bày kích thước các bảng mạch in tiêu chuẩn? 3. Hãy trình cho biết các thông số độ dày tiêu chuẩn của bo mạch in? 4. Diện tích cần thiết để gá bo mạch in vào máy gia công là bao nhiêu? 45
  60. CHƯƠNG 5: QUY TRÌNH SẢN XUẤT BO MẠCH 5.1 Quy trình lắp ráp linh kiện Bo mạch in sau khi gia công có thể được lắp ráp linh kiện thủ công hoặc lắp ráp tự động bằng máy. Cách thức lắp ráp phụ thuộc vào phân lớp công nghệ linh kiện (gồm các lớp từ A-Z như đã trình bày trong chương 4) và số lượng bo lắp ráp linh kiện cùng một thời điểm. Một số công ty thực hiện cả việc sản xuất bo mạch in và lắp ráp linh kiện nhưng số khác chỉ thực hiện một trong hai công việc trên. Cách thức lắp ráp linh kiện đóng vai trò quan trọng trong việc sắp xếp linh kiện trên PCB bởi vì việc sắp xếp này ảnh hưởng đến khoảng cách và hướng của các linh kiện trong quá trình hàn. Lắp ráp linh kiện thủ công Việc lắp ráp linh kiện thủ công thường được sử dụng cho các bo mạch chế tạo thử nghiệm với số lượng ít hoặc lắp ráp trước các linh kiện đặc biệt chuẩn bị cho công đoạn lắp ráp tự động. Cách thức lắp ráp linh kiện thủ công có thể được sử dụng cho cả công nghệ linh kiện dán (SMT: surface-mount technology) và linh kiện dạng xuyên lỗ (THT: through- hole technology). Đối với các bo mạch có số lượng ít thì một dây chuyền có thể có nhiều công nhân lắp ráp, trong đó mỗi người sẽ chuyên lắp ráp một loại linh kiện. Công đoạn lắp ráp linh kiện có thể được gián đoạn nhiều lần để thực hiện việc kiểm tra. Có thể kết hợp công đoạn lắp ráp và hàn linh kiện thủ công hoặc hàn tự động. Việc lắp ráp linh kiện thủ công có thể là một công việc nhàm chán. Hướng và vị trí đặt linh kiện thống nhất sẽ giúp cho công việc lắp ráp trở nên dễ dàng hơn. Ví dụ như hướng cực tính của linh kiện (diode, tụ điện ) cùng chiều nhau hoặc vị trí chân số 1 của tất cả IC (integrated circuits) được đặt theo cùng một hướng có thể làm giảm sai sót và tăng hiệu xuất lắp ráp. Lắp ráp linh kiện tự động Việc lắp ráp tự động hiện nay được sử dụng cho cả linh kiện dán và linh kiện xuyên lỗ. Máy ráp linh kiện được lập trình để tự động lấy linh kiện từ trong cuộn hoặc thùng chứa sau đó đặt linh kiện lên PCB đúng hướng và vị trí. Tốc độ ráp linh kiện xuyên lỗ có thể đạt từ 20.000-40.000 linh kiện trên một giờ (CPH: components per hour). Dữ liệu về vị trí đặt của linh kiện lập trình cho các máy lắp ráp tự động được cung cấp trong file Gerber tạo ra bởi phần mềm Layout hoặc một phần mềm CAM khác. Các linh kiện xuyên lỗ thường được ghép lại với nhau và được đóng gói theo dạng cuộn bằng cách dán các chân lại với nhau. Loại linh kiện này thường được đặt ở lớp trên của bo mạch và được hàn theo phương pháp hàn dạng sóng (các phương pháp hàn linh kiện sẽ được trình bày trong phần nội dung tiếp theo). Trình tự lắp ráp tự động linh kiện dạng 46
  61. xuyên lỗ sẽ bắt đầu với linh kiện dạng chân cắm xuyên trục (axial-leaded devices), tiếp theo là linh kiện dạng chân cắm hình trụ (radial-leaded devices), cuối cùng là các linh kiện có dạng đặc biệt. Hình 5.1 Linh kiện chân cắm dạng xuyên trục và chân cắm hình trụ Các linh kiện dán thường được đóng gói theo dạng ống (tubes), khay ma trận (matrix trays), băng cuộn (tape and reel) hoặc dạng khối. Các linh kiện này có thể được dán trên một hoặc cả hai mặt của PCB. Ban đầu lớp phủ chì (solder paste) được in lên các pad cần hàn của PCB. Tiếp theo các linh kiện được gắn lên bo tạm thời bằng máy tự động (pick- and-place machine) và được đưa qua lò sấy để lớp phủ chì tại các chân linh kiện nóng chảy, sau đó chì sẽ được làm nguội và các linh kiện được hàn cứng lên bo. Linh kiện dán có thể được gắn lên bo với tốc độ từ 10.000-100.000 con trên giờ (CPH). Khi có linh kiện dán trên cả hai mặt của PCB hoặc hỗn hợp giữa linh kiện dán và linh kiện xuyên lỗ thì phương pháp hàn dạng sấy và dạng sóng (reflow–wave soldering) sẽ được sử dụng để hàn linh kiện. Ban đầu linh kiện dán trên lớp Top sẽ được gắn lên bo và được hàn bằng phương pháp sấy. Tiếp theo linh kiện xuyên lỗ trên lớp Top sẽ được gắn lên bo bằng cách bẻ các chân linh kiện ở lớp Bottom như Hình 5.4 hoặc dán linh kiện lên lớp Top hoặc dựa vào sự ma sát giữa chân linh kiện và lỗ khoan. Bo mạch được lật lại, máy sẽ tự động dán keo vào các vị trí linh kiện ở lớp Bottom. Sau đó các linh kiện dán ở lớp Bottom được gắn lên bo bằng phương pháp thủ công hoặc tự động tại các vị trí vừa được dán keo (glue dots) trước đó, lớp keo này sẽ giữ các linh kiện dính trên bo cho đến khi các linh kiện này được hàn lên bo hoàn chỉnh. Tiếp theo bo mạch được đưa qua lò sấy để làm khô lớp keo, sau đó đưa qua công đoạn hàn dạng sóng để hàn linh kiện xuyên lỗ và linh kiện dán ở lớp Bottom. 47
  62. Hình 5.2 Linh kiện dán đóng gói dạng ống (tubes), khay ma trận (matrix trays), băng cuộn (tape and reel) Hình 5.3 Máy lắp ráp linh kiện tự động quy mô nhỏ (pick-and-place machine) Nếu bo có linh kiện dán ở cả hai mặt bo thì phương pháp hàn sấy được sử dụng. Các linh kiện dán ở lớp Top sẽ được gắn lên bo bằng lớp phủ chì ở nhiệt độ cao, sau đó bo được đưa qua lò sấy. Khi mà các linh kiện ở lớp Top đã được cố định thì bo mạch sẽ được lật lại và các linh kiện ở lớp Bottom sẽ được gắn lên bo ở nhiệt độ thấp hơn để tránh làm rơi các linh kiện ở lớp Top đã được hàn trước đó. Hình 5.4 Linh kiện xuyên lỗ được gắn lên bo bằng cách bẻ chân 48
  63. 5.2 Quy trình hàn linh kiện Linh kiện được hàn lên bo mạch để tạo ra các kết nối dẫn điện giữa chân linh kiện và các đường mạch in. Để các mối hàn đạt yêu cầu thì chì hàn phải nóng chảy và tạo thành một lớp kết nối giữa chân linh kiện và bo mạch in. Để bảo vệ các mối hàn khỏi bị oxy hóa, bo mạch sau khi hàn linh kiện hoàn chỉnh sẽ được mạ nickel hoặc palladi. Hàn linh kiện thủ công Phương pháp hàn thủ công được sử dụng rộng rãi cho nhiều ứng dụng như lắp ráp hoàn chỉnh linh kiện trên PCB, sửa chữa và thay thế linh kiện. Có nhiều công cụ hỗ trợ cho việc hàn thủ công như là máy khò (hot-air pencil), mỏ hàn (soldering iron) Ngoài tốc độ hàn chậm, giới hạn lớn nhất của phương pháp hàn thủ công đó là làm tăng khả năng phóng tĩnh điện và gây ra hiện tượng quá nhiệt tại vị trí hàn giữa linh kiện và PCB. Hàn linh kiện dạng sóng (Wave soldering) Bo mạch được gắn lên băng tải và được sấy trước khi đưa vào hàn như trong Hình 5.5 và Hình 5.6. Băng tải sẽ di chuyển bo mạch ngang qua bể chì nóng chảy với các gợn sóng thẳng đứng do đó chỉ có chì hàn tại các chân linh kiện ở lớp Bottom nóng chảy. Phương pháp này có thể sử dụng cho cả hai dạng linh kiện dán và xuyên lỗ còn phương pháp sấy chỉ thích hợp đối với linh kiện dán. Các linh kiện dán nhỏ hoặc các tụ tantalum có thể gặp vấn đề khi băng tải di chuyển bo mạch qua các gợn sóng. Đối với các linh kiện dán nhỏ lớp keo dùng để dán tạm linh kiện lên bo có thể lớn hơn các Pad do đó chì hàn không thể tiếp xúc hoặc ứng suất nhiệt độ có thể làm hỏng linh kiện dán lớn. Đối với các linh kiện dán ở lớp Bottom người thiết kế cần biết chiều di chuyển của bo mạch qua các gợn sóng khi hàn linh kiện. Linh kiện có thể được đặt giống như trong Hình 5.7, các linh kiện nhỏ không bị che bởi các linh kiện lớn hơn để mối hàn ở các linh kiện nhỏ đạt yêu cầu và không nối tắt các chân của IC. Việc nối tắt các chân linh kiện xảy ra do khoảng cách quá nhỏ giữa các chân của linh kiện dán. Vấn đề này thường xảy ra đối với hai chân cuối cùng của IC khi di chuyển bo ngang qua các gợn sóng, phần chì thừa có xu hướng sẽ dính và nối hai chân cuối lại với nhau. Để giải quyết vấn đề này các Pad gom chì (solder thieves) thường được thêm vào sau chân cuối cùng của IC dạng SMD để kéo lượng chì thừa ra khỏi các chân IC như trong Hình 5.7. Kích thước của Pad gom chì lớn hơn một chút so với kích thước Pad các chân của IC đồng thời khoảng cách giữa Pad gom chì và Pad cuối cùng của IC cũng lớn hơn so với khoảng cách giữa hai chân của IC. 49
  64. Hình 5.5 Phương pháp hàn linh kiện dạng sóng với góc nhìn theo hình chiếu cạnh [1] Hình 5.6 Phương pháp hàn linh kiện dạng sóng với góc nhìn theo hình chiếu đứng [1] Hình 5.7 Hướng đặt của linh kiện dán khi hàn dạng sóng [1] Hàn linh kiện dạng sấy Hàn linh kiện dạng sấy thường sử dụng đối với các linh kiện dán nhưng cũng có thể sử dụng để hàn cho các linh kiện dạng xuyên lỗ. Quy trình hàn linh kiện dạng sấy được trình bày như trong Hình 5.8. 50
  65. Hình 5.8 Quy trình hàn linh kiện dạng sấy [1] Lớp phủ chì (solder paste) bao gồm chì và chất làm chảy dưới dạng keo dính, được in lên bo mạch. Các linh kiện được gắn lên bo bằng máy sao cho chân của các linh kiện sẽ nằm trên lớp phủ chì này. Bo mạch được đặt lên băng tải đưa vào lò sấy khi nhiệt độ tăng lên chất làm chảy chì sẽ hoạt động. Sức căng bề mặt của lớp chì nóng chảy có khuynh hướng tự sắp xếp các linh kiện. Tuy nhiên nếu các linh kiện không được sắp xếp đúng vị trí và nhiệt độ nóng chảy tại các chân không tăng lên cùng lúc thì linh kiện có thể bị nghiêng và chỉ kết nối vào bo bằng một chân. 5.3 Vị trí đặt và hướng của linh kiện Một bo mạch hoàn chỉnh bao gồm tấm bo, các linh kiện và các cổng kết nối vào bo. Người thiết kế bo mạch cần phải biết cách sắp xếp sao cho việc lắp ráp các linh kiện dễ dàng và phải hình dung được bo mạch sau khi hoàn chỉnh sẽ như thế nào. Cấu trúc của bo (phân loại theo ứng dụng, khả năng sản xuất), công nghệ linh kiện (linh kiện dán hoặc xuyên lỗ) và phướng pháp hàn linh kiện (hàn dạng sóng, hàn dạng sấy) đóng vai trò quan trọng đến không gian và việc sắp xếp linh kiện trên bo. Vị trí và hướng đặt phụ thuộc vào loại linh kiện, phương pháp lắp ráp (thủ công, tự động) và các yêu cầu về kỹ thuật điện các yếu tố này không làm cho bo mạch chạy tốt hơn nhưng sẽ giúp cho việc lắp ráp, kiểm tra và sửa chữa dễ dàng hơn. Một số hướng dẫn về vị trí và hướng đặt của linh kiện: 1. Các linh kiện phải được sắp xếp gọn gàng, có trật tự và khoảng cách đều nhau. 2. Cạnh của các linh kiện phải được sắp xếp song song với cạnh đường bao của bo mạch in. 3. Nếu được hàn tự động thì các linh kiện dạng xuyên lỗ phải được xếp trên cùng một lớp. 51
  66. 4. Nếu bo mạch có cả linh kiện dán và xuyên lỗ được xếp trên cả hai lớp thì việc lắp ráp linh kiện có thể được chia ra thành nhiều giai đoạn, việc này có thể làm tăng chi phí gia công, tăng sai sót và làm cho việc gia công trở nên khó khăn hơn. 5. Không đặt các chip có chân cắm plastic (PLCC) hoặc tụ tantalum lớn ở lớp Bottom vì các linh kiện này có thể bị hỏng do nhiệt độ cao. 6. Nên sử dụng độ phân giải của lưới vẽ là 100 mil (2.5 mm), đối với các chân linh kiện không theo tiêu chuẩn thì có thể sử dụng độ phân giải là 2 mil (0.05 mm) theo tiêu chuẩn IPC-2221A. 7. Độ phân giải lưới dành cho các bo mạch có kiểm tra chịu tải là 0.1 inch (2.54 mm) 8. Hướng của các linh kiện có phân chia cực tính như tụ điện và diode nên được sắp thống nhất trên toàn bo mạch để thuận lợi cho việc kiểm tra và đo đạc. 9. Cần thêm vào các điểm tọa độ chuẩn (toàn cục và cục bộ) trên bo mạch để hỗ trợ cho các máy ráp linh kiện tự động có sử dụng công nghệ xử lý ảnh. 10. Nên sắp xếp các đầu kết nối (connectors) ở phía cạnh ngắn hơn của bo mạch khi sử dụng phương pháp hàn tự động. 11. Nên dành ra phần diện tích cần thiết ở các cạnh bo để có thể gá bo vào máy ráp linh kiện và điều tiết khi phần cứng thay đổi. 12. Đối với các linh kiện có khối lượng lớn hơn 5g/chân thì linh kiện này nên có giá đỡ cơ khí gắn lên bo đề phòng trường hợp linh kiện sẽ bị rơi ra khi bị rung động. 13. Quản lý nhiệt độ khi hàn và khi mạch hoạt động cần được chú ý trong quá trình thiết kế bo mạch. 14. Khi hai vấn đề cùng xảy ra, cần ưu tiên chú ý đến vấn đề về mặt điện hơn là về cơ khí. 15. Đối với các bo mạch có cả tín hiệu tương tự (analog) và số (digital) thì các linh kiện nên được tách riêng để giảm ảnh hưởng của tín hiệu nhiễu chuyển mạch trên bo analog. Mạch công suất lớn phải được cách ly với mạch công suất nhỏ và mạch nhiễu thấp. 52
  67. 5.4 Khoảng cách tối thiểu giữa các linh kiện bố trí trên PCB Bảng 5.1 Khoảng cách tối thiểu giữa các linh kiện dạng xuyên lỗ chân cắm xuyên trục [1] Bảng 5.2 Khoảng cách tối thiểu giữa các linh kiện dạng xuyên lỗ chân cắm hình trụ [1] 53
  68. Bảng 5.3 Khoảng cách tối thiểu giữa các IC dạng chân cắm xuyên lỗ [1] Bảng 5.4 Khoảng cách tối thiểu giữa IC và các linh kiện rời dạng chân cắm xuyên lỗ [1] Bảng 5.5 Khoảng cách tối thiểu giữa lỗ khoan và dây jumper [1] 54
  69. Bảng 5.6 Khoảng cách tối thiểu giữa các linh kiện rời dạng chân dán [1] Bảng 5.7 Khoảng cách tối thiểu giữa các IC dán [1] 5.5 Thiết kế footprint và padstack theo yêu cầu sản xuất Phần mềm Layout chứa rất nhiều footprint sẵn có tuy nhiên đôi lúc chúng ta cũng phải tạo riêng một số footprint cho các yêu cầu cụ thể mà thư viện không có. Việc thiết kế footprint cho các linh kiện dán và linh kiện xuyên lỗ cũng có nhiều điểm khác nhau. Một fooprint trong Layout bao gồm hình dạng từng chân linh kiện (padstack), tên linh kiện (silk- screen) và đường bao linh kiện (outline). 55
  70. Mẫu footprint linh kiện dán (SMD: Surface-Mounted Devices) Khi thiết kế một bo mạch nếu chúng ta cần một footprint không có sẵn trong thư viện Layout thì chúng ta phải thực hiện nhiều bước để có thể tạo được một footprint linh kiện mới. Nếu như linh kiện cần tạo có hình dạng gần giống với footprint có sẵn nhưng khác số chân thì chúng ta có thể chỉnh sửa và lưu lại với tên gọi mới, có thể thêm chân, thay đổi kích thước đường bao và lớp tên linh kiện. Để tạo footprint mới chúng ta cần thông số kỹ thuật từ nhà sản xuất linh kiện để tham khảo các gợi ý về hình dạng và kích thước fooprint như được mô tả trong Hình 5.9. Hình 5.9 Thông số kỹ thuật về kích thước và hình dạng của linh kiện [1] Từ thông số kỹ thuật của nhà sản xuất linh kiện chúng ta có thể xác định kích thước chiều rộng, chiều cao của Pad và khoảng cách giữa các Pad để tạo footprint mới trong Layout như trong Hình 5.10. Hình 5.10 Các kích thước của footprint [1] 56
  71. Trong đó: 푊푃: chiều rộng Pad 푃: chiều cao Pad 푆푒: khoảng cách giữa hai tâm của Pad theo chiều cao 푆 : khoảng cách giữa hai tâm của Pad theo chiều rộng Thiết kế padstack cho linh kiện dán Một padstack đạt yêu cầu là padstack tạo ra được liên kết tốt giữa chân linh kiện và PCB. Các padstack này phải cho phép có sự thay đổi về kích thước linh kiện, sai số sản xuất PCB, sai số vị trí đặt và đặc tính kỹ thuật của mối hàn. Các loại linh kiện xuyên lỗ thường có kích thước lớn nên có thể bỏ qua các sai số này nhưng đối với linh kiện dán thì sai số này thường nhỏ hơn. Như trong Hình 5.11 thì kích thước padstack cần phải lớn hơn kích thước chân linh kiện để chì có thể liên kết hai đối tượng này lại với nhau bằng chì hàn. Trong đó 퐽 được xác định là khoảng cách từ mép của Pad đến điểm đầu chân linh kiện, 퐽 là khoảng cách từ mép của Pad đến điểm cuối chân linh kiện, 퐽푆 là khoảng cách từ cạnh của Pad đến cạnh của chân linh kiện. Các giá trị của 퐽 , 퐽 và 퐽푆 phụ thuộc vào loại và mật độ linh kiện được cung cấp trong Bảng 5.8, 5.9 và 5.10. Để thiết kế padstack trong Layout chúng ta cần biết được thông số kỹ thuật về chiều rộng padstack 푊푃, chiều cao 푃 để có thể điền vào hộp thoại thiết lập kích thước của padstack như trong Hình 5.12. Hình 5.11 Padstack linh kiện dán [1] (a) Góc nhìn theo hình chiếu đứng (b) Góc nhìn theo hình chiếu cạnh 57
  72. Bảng 5.8 Giá trị khoảng cách 퐽 theo loại linh kiện và mật độ [1] Bảng 5.9 Giá trị khoảng cách 퐽 theo loại linh kiện và mật độ [1] Bảng 5.10 Giá trị khoảng cách 퐽푆 theo loại linh kiện và mật độ [1] 58
  73. Hình 5.12 Cửa sổ thiết lập kích thước padstack Sau khi thiết kế xong chúng ta cần đặt các padstack này vào các vị trí chính xác để hoàn thành việc thiết kế footprint. Mẫu footprint linh kiện xuyên lỗ Các linh kiện xuyên lỗ thường có dạng chân cắm xuyên tâm hoặc chân cắm hình trụ. Một ví dụ về tụ điện có chân cắm dạng hình trụ được mô tả như trong Hình 5.13. Thiết kế footprint cho loại linh kiện này được xác định cẩn thận từ cấu trúc của linh kiện. Các padstack được đặt tại vị trí trùng với các chân của linh kiện. Vị trí đặt của các padstack phụ thuộc vào độ dài thân linh kiện và hình dạng chân. Khoảng cách tối thiểu của các padstack được xác định theo công thức: 퐿푃 = 퐿 + 푛. 퐿 + 2퐿퐿 (5.1) Trong đó: 퐿푃: khoảng cách giữa hai Pad (từ tâm đến tâm) 퐿 : chiều dài thân linh kiện 퐿: đường kính chân linh kiện 퐿퐿 : chiều dài chân linh kiện từ thân đến vị trí uốn cong 푛: là hệ số phụ thuộc vào đường kính chân linh kiện theo Bảng 5.11 Bảng 5.11 Hệ số đường kính chân linh kiện 59
  74. Hình 5.13 (a) Linh kiện chân cắm dạng trụ (b) Footprint linh kiện chân cắm hình trụ trong Layout Hình 5.14 (a) Các tham số kích thước của linh kiện chân cắm dạng xuyên trục (b) Footprint linh kiện chân cắm dạng xuyên trục trong Layout Thiết kế padstack cho linh kiện dạng xuyên lỗ Khi thiết kế padstack cho linh kiện dạng xuyên lỗ chúng ta cần chú ý đến tỷ lệ giữa kích thước lỗ khoan và đường kính chân linh kiện, tỷ lệ giữa độ dày của bo và lỗ khoan (aspect ratio), bề rộng của vòng khuyên đồng bao quanh lỗ khoan (annular ring), khoảng cách giữa bề mặt Pad và mặt phẳng của lớp, cuối cùng là khả năng của nhà sản xuất. 5.5.4.1 Tỷ lệ giữa kích thước lỗ khoan và đường kính chân linh kiện Kích thước lỗ khoan phải đủ lớn để chân linh kiện có thể trượt qua dễ dàng nhưng không nên quá rộng vì như vậy sẽ tạo ra hiện tượng mao dẫn làm chảy chì trong quá trình hàn. Kích thước lỗ khoan được tính theo công thức: =( 퐿 + 2 푃) (5.2) Trong đó: : đường kính thước lỗ khoan 퐿: đường kính chân linh kiện 푃: độ dày của lớp đồng (nếu không biết có thể chọn 푃=1 mil) : hệ số sai số ( =1.5-3.5, thông thường chọn =1.5) 60
  75. 5.5.4.2 Bề rộng của vòng khuyên đồng bao quanh lỗ khoan (annular ring width) Sau khi xác định kích thước lỗ khoan thì bước tiếp theo là xác định kích thước của Pad. Hiệu số giữa kích thước lỗ khoan và kích thước Pad là kích thước vòng khuyên. Đây chính là lớp đồng dùng để hàn linh kiện vào bo mạch. Kích thước Pad càng lớn thì mối hàn càng lớn nhưng kích thước Pad quá lớn sẽ không cần thiết vì như vậy nhiệt độ hàn phải cao. Kích thước Pad nhỏ sẽ tạo ra mối hàn không chắc chắn. Kích thước Pad được tính toán theo công thức: 푃 = + 2 + (5.3) Trong đó: 푃: đường kính Pad : kích thước lỗ khoan hoàn chỉnh = − 2 푃 : kích thước vòng khuyên nhỏ nhất theo Bảng 5.12 : tiêu chuẩn sản xuất cho phép theo Bảng 5.13 Hình 5.15 Thông số thiết lập Pad cho linh kiện xuyên lỗ Bảng 5.12 Kích thước nhỏ nhất của vòng khuyên Bảng 5.13 Tiêu chuẩn sản xuất cho phép 61