6 Mẹo Thiết Kế PCB Thực Tế Để Tránh 90% Các Vấn Đề Sản Xuất! Ngay Cả Người Mới Bắt Đầu Cũng Có Thể Bắt Đầu Nhanh Chóng

Khi thiết kế mạch, nhiều người tập trung toàn bộ năng lượng vào sơ đồ và lựa chọn linh kiện, vội vàng kết thúc giai đoạn bố trí và đi dây PCB. Kết quả? Hoặc là lỗi thường xuyên xảy ra trong quá trình sản xuất tại nhà máy, hoặc là bảng mạch bị trục trặc sau một thời gian ngắn sử dụng—quá nhiệt, nhiễu tín hiệu, hàn kém—những vấn đề này thực sự có thể tránh được trước thông qua thiết kế khoa học. Hôm nay, chúng ta sẽ phân tích các kỹ thuật cốt lõi của thiết kế PCB để giúp bạn nhanh chóng tạo ra các bảng mạch ổn định về chức năng, có thể sản xuất được!

I. Đặt Linh Kiện: Không Chỉ Gọn Gàng, Dễ Hàn và Khả Năng Sử Dụng

Việc đặt linh kiện là nền tảng của thiết kế PCB, đòi hỏi cả việc tuân thủ logic mạch và khả năng tương thích với quy trình sản xuất. Nhiều người mới bắt đầu chỉ theo đuổi một "vẻ ngoài gọn gàng", bỏ qua các yêu cầu thực tế về hàn và lắp ráp.

Định hướng thống nhất giúp tiết kiệm thời gian

Việc đặt các linh kiện tương tự như điện trở và tụ điện theo cùng một hướng giúp giảm nhu cầu điều chỉnh góc thường xuyên của máy trong quá trình hàn, cải thiện hiệu quả và giảm khả năng xảy ra các mối hàn nguội và hàn sai. Các linh kiện có kích thước khác nhau không được cản trở lẫn nhau.

Tránh đặt các linh kiện nhỏ trực tiếp bên dưới hoặc phía sau các linh kiện lớn. Nếu không, khi hàn linh kiện lớn, linh kiện nhỏ sẽ bị cản trở, tạo ra một "vùng bóng" cản trở việc hàn.

Đơn giản hóa việc lắp ráp bằng cách phân loại các linh kiện.
Cố gắng đặt các linh kiện gắn bề mặt (SMT) ở cùng một mặt của bảng mạch và tập trung các linh kiện xuyên lỗ (TH) ở trên cùng. Điều này tránh việc lật đi lật lại trong quá trình lắp ráp tại nhà máy, giảm chi phí sản xuất. Nếu hai loại linh kiện phải được sử dụng cùng nhau, hãy xem xét trước chi phí quy trình lắp ráp bổ sung.

II. Thiết kế đường mạch: Đường dây điện, nối đất và tín hiệu phải tỉ mỉ.

Sau khi đặt các linh kiện, hãy lên kế hoạch đi dây của đường dây điện, nối đất và tín hiệu, vì điều này ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định của mạch. Nhiều vấn đề về nhiễu tín hiệu và mất ổn định điện năng bắt nguồn từ các vấn đề về đi dây.

Lớp điện và nối đất trên các lớp bên trong.
Đặt các lớp điện và nối đất bên trong bảng mạch, duy trì tính đối xứng và căn giữa. Điều này ngăn bảng mạch bị uốn cong và cho phép định vị linh kiện chính xác hơn. Khi cấp nguồn cho chip, hãy sử dụng các đường mạch dày hơn và tránh các kết nối chuỗi (kết nối các linh kiện nối tiếp) để ngăn chặn sự mất ổn định điện áp.

Đường tín hiệu phải "ngắn và thẳng." Đường tín hiệu giữa các linh kiện phải đi theo đường ngắn nhất có thể; kết nối trực tiếp được ưu tiên hơn các đường cong. Nếu một linh kiện cần được cố định theo chiều ngang, hãy chạy đường mạch theo chiều ngang một đoạn ngắn trước khi chuyển sang chiều dọc. Điều này ngăn chặn dòng hàn trong quá trình hàn gây ra sự sai lệch của linh kiện; ngược lại, việc chạy đường mạch theo chiều dọc trước có thể khiến linh kiện bị nghiêng.

Chiều rộng đường mạch phải tuân theo dòng điện. Đối với các tín hiệu dòng điện thấp thông thường (chẳng hạn như tín hiệu kỹ thuật số và tương tự), đường mạch rộng 0,010 inch (10mil) là đủ. Nếu dòng điện vượt quá 0,3 amps, chiều rộng đường mạch phải được tăng lên; dòng điện càng cao, đường mạch càng rộng để tránh quá nhiệt và cháy.

III. Thiết kế cách ly: Kỹ thuật số, tương tự và nguồn điện phải riêng biệt.

Mạch cung cấp điện áp cao, dòng điện cao có thể dễ dàng gây nhiễu cho các mạch điều khiển hoặc tương tự nhạy cảm, dẫn đến vấn đề "rung tín hiệu" mà nhiều người gặp phải. Cách ly thích hợp làm giảm đáng kể nhiễu.

Nối đất nguồn và nối đất điều khiển phải riêng biệt. Nối đất nguồn và nối đất điều khiển của mỗi nguồn điện phải được định tuyến riêng biệt, không trộn lẫn với nhau. Nếu cần kết nối, nó chỉ nên được thực hiện ở cuối đường dẫn điện để tránh dẫn truyền nhiễu. Cách ly nghiêm ngặt các mạch kỹ thuật số và tương tự

Nếu bảng mạch chứa các mạch kỹ thuật số (chẳng hạn như bộ vi điều khiển) và các mạch tương tự (chẳng hạn như cảm biến), chúng phải được bố trí riêng biệt và các đường trở kháng thích hợp phải được cung cấp cho mặt phẳng nối đất của lớp trung gian. Tín hiệu tương tự chỉ nên đi trên nối đất tương tự và không được giao nhau với nối đất kỹ thuật số để giảm nhiễu ghép điện dung.

IV. Tản nhiệt: Đừng để nhiệt phá hủy bảng mạch của bạn

Nhiều bảng mạch gặp phải tình trạng suy giảm hiệu suất hoặc thậm chí bị cháy sau một thời gian sử dụng, rất có thể là do tản nhiệt không đủ. Điều này đặc biệt đúng đối với các linh kiện điện, nơi sự tích tụ nhiệt có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến tuổi thọ của chúng.

Xác định "Những gã khổng lồ nhiệt"

Kiểm tra thông số kỹ thuật của linh kiện để biết thông số điện trở nhiệt (TRT) của nó. TRT càng thấp thì tản nhiệt càng tốt. Giữ các linh kiện công suất cao (chẳng hạn như bóng bán dẫn và chip nguồn) tránh xa các linh kiện nhạy cảm và thêm tản nhiệt hoặc quạt nhỏ nếu cần.

Miếng đệm khí nóng là chìa khóa

Các linh kiện xuyên lỗ phải sử dụng miếng đệm khí nóng. Chúng làm chậm quá trình tản nhiệt của các chân, đảm bảo nhiệt độ đủ trong quá trình hàn và ngăn ngừa các mối hàn nguội. Ngoài ra, việc thêm các miếng đệm "giọt nước mắt" tại các điểm kết nối giữa các miếng đệm và đường mạch sẽ tăng cường khả năng hỗ trợ của lá đồng và giảm ứng suất nhiệt và cơ học.

Phương pháp kết nối miếng đệm khí nóng điển hình

V. Miếng đệm khí nóng: Một "Công cụ kỳ diệu" để sửa chữa các khuyết tật hàn

Nhiều người mới bắt đầu không biết về chức năng của miếng đệm khí nóng, dẫn đến hở mạch, mối hàn nguội và mối hàn kém, không thể giải quyết được bằng cách điều chỉnh nhiệt độ lò nướng nhiều lần. Nguyên nhân gốc rễ của vấn đề nằm ở thiết kế dây.

Các khu vực lớn của lá đồng nguồn hoặc nối đất nóng lên chậm và tản nhiệt nhanh chóng. Nếu các đầu hàn của các linh kiện nhỏ (chẳng hạn như điện trở và tụ điện đóng gói 0402) được kết nối trực tiếp với lá đồng lớn, nhiệt độ sẽ không đạt đến điểm nóng chảy của mối hàn trong quá trình hàn, dẫn đến mối hàn nguội. Trong quá trình hàn thủ công, nhiệt được dẫn đi nhanh chóng, cũng ngăn cản việc hàn thành công.

Nguyên tắc của miếng đệm khí nóng rất đơn giản: kết nối các miếng đệm với một khu vực lớn của lá đồng thông qua một số dải đồng mỏng đảm bảo tính dẫn điện đồng thời giảm diện tích tản nhiệt. Điều này cho phép các miếng đệm duy trì nhiệt độ đủ trong quá trình hàn, đảm bảo mối hàn bám chắc vào các miếng đệm.

VI. Kiểm tra thiết kế: Đừng tiết kiệm ở bước cuối cùng

Sau khi hoàn thành thiết kế, luôn thực hiện kiểm tra kép; nếu không, ngay cả những lỗi nhỏ cũng có thể khiến toàn bộ bảng mạch không sử dụng được.

Đầu tiên, chạy "kiểm tra quy tắc": Sử dụng các chức năng Kiểm tra quy tắc điện (ERC) và Kiểm tra quy tắc thiết kế (DRC) trong phần mềm thiết kế để kiểm tra chiều rộng đường mạch, khoảng cách, ngắn mạch, mạng chưa được định tuyến, v.v., để đảm bảo tuân thủ các yêu cầu sản xuất.

Thứ hai, xác minh từng tín hiệu: Từ sơ đồ đến PCB, hãy kiểm tra kết nối của từng đường tín hiệu để tránh bỏ sót hoặc lỗi. Sử dụng chức năng che chắn của phần mềm để xác nhận rằng bố cục khớp với sơ đồ.

Kết luận

Thiết kế PCB có vẻ phức tạp, nhưng cốt lõi của nó xoay quanh "khả năng sản xuất" và "sự ổn định." Đặt các linh kiện đúng cách, đảm bảo các đường mạch ngắn và rộng, thực hiện cách ly và tản nhiệt tốt, sử dụng miếng đệm khí nóng một cách hiệu quả và cuối cùng, tiến hành kiểm tra kỹ lưỡng—sáu bước này sẽ giúp bạn tránh được hầu hết các cạm bẫy.

Người mới bắt đầu không cần phải cố gắng đạt đến sự hoàn hảo ngay từ đầu. Trước tiên, hãy nắm vững các kỹ năng cơ bản này, sau đó tối ưu hóa chúng kết hợp với các dự án thực tế. Bạn sẽ nhanh chóng có thể thiết kế các bảng mạch chất lượng cao. Hãy nhớ rằng, thiết kế PCB tốt không chỉ làm giảm chi phí sản xuất mà còn làm cho hiệu suất mạch ổn định hơn và kéo dài tuổi thọ của nó.