Qui trình thiết kế mạch PCB

Cty điện tử ROBOTA Qui trình thiết kế mạch PCB QUI TRÌNH THIẾT KẾ MẠCH PCB I. QUI TRÌNH CHUNG 1. Vẽ đường bao khung cho mạch in theo đúng kích thước thiết kế. 2. Sắp xếp các linh kiện cho gọn, hợp lý sao cho đường mạch nối giữa 2 chân linh kiện là ngắn nhất, đẹp và tối ưu nhất. 3. Điều chỉnh kích thước các pad (vòng tròn chân linh kiện), theo qui định của thiết kế, thông thường là: 1,6mm đối với chân IC đóng gói dạng DIP (2 hàng chân), 1,8mm đến 2mm đối với các chân cắm, jumper, chân transistor công suất… 4. Điều chỉnh độ rộng của đường dây theo đúng thiết kế. Chú ý các đường dây mass và dây nguồn phải đủ độ rộng, thường lớn hơn 1mm. Các đường dây tín hiệu khoảng 05mm đối với mạch 1 lớp ít linh kiện hoặc 0,3mm đố với mạch 2 lớp hoặc 0,25mm đối với các mạch phức tạp nhiều lớp nhiều linh kiện. 5. Điều chỉnh độ rộng của pad lỗ via khỏang 1mm đối với mạch 2 lớp, 1,6mm đối với mạch 1 lớp. 6. Tiến hành vẽ mạch bằng tay, thông thường công việc này là khâu tốn nhiều thời gian nhất trong qui trình vẽ mạch để đạt được mạch in chất lượng và thẩm mỹ cao. 7. Sau khi vẽ xong mạch, cần phủ đồng cho mạch để tăng khả năng chống nhiễu. Lớp phủ đồng phải nối mass. II. CÁC ĐỊNH NGHĨA: 1. Pad: là đường viền bao quanh chân linh kiện, trong Layout hỗ trợ nhiều kiểu Pad để chúng ta lựa chọn như: • Round. • Square. • Oval. • Annular. • Oblong. • Rectangle. • Thermal Relief 2. Layer: là các lớp trong layout. Các lớp này dùng làm cơ sở để gia công mạch in, vì vậy người thiết kế PCB cần phải biết rõ chức năng của từng lớp. Dưới đây là chức năng của các lớp quan trọng. • BOTTOM: là lớp mạch bên dưới. • TOP: là lớp mạch bên trên. Linh kiện thường được hàn ở lớp này. • INTER1 tới INTER12: là các lớp mạch nằm ở giữa mạch in, nếu vẽ mạch nhiều lớp thì mới sử dụng tới các lớp này. • SMTOP: là lớp cấm phủ xanh ở mặt TOP. Thông thường các chân linh kiện sử dụng lớp này để ngăn không cho phủ xanh lên chân linh kiện. Nếu không có lớp này thì sơn xanh sẽ phủ lên chân linh kiện, lúc đó chúng ta sẽ không hàn được. • SMBOT: tương tự như SMTOP, đây là lớp mặt dưới. BS. Lê Công Dũng 1 Cty điện tử ROBOTA Qui trình thiết kế mạch PCB • SSTOP: là lớp in hình linh kiện, hay in chữ lên mạch in. • DRLDWG: lớp kí hiệu chân linh kiện. • DRILL: là lớp lỗ khoan chân linh kiện. Lỗ khoan chân linh kiện to hay nhỏ là dựa vào lớp này. • Ngoài ra còn có các lớp khác như: SPTOP, SPBOT, SSBOT, ASYTOP, ASYBOT… 3. Via: là lỗ khoan xuyên mạch để nối 2 lớp mạch ở mặt TOP và BOTTOM lại với nhau. III. CÁC THAO TÁC 1. Định đơn vị đo: Công việc đầu tiên để bắt đầu vẽ layout là định đơn vị đo. Nhấn tổ hợp phím Ctrl + G, hộp thoại System Settings xuất hiện như bên dưới. BS. Lê Công Dũng 2 Cty điện tử ROBOTA Qui trình thiết kế mạch PCB Trong Display Units, chọn Millimeters(mm) sau đó chọn OK. 2. Vẽ đường bao khung cho mạch: Đường bao là đường viền bao quanh board mạch. Trên thanh công cụ, nhấp trái chuột chọn công cụ Obstacle Tool, tại vị trí đánh dấu như hình bên dưới. Trên màn hình Click phải chuột rồi chọn New như hình vẽ. Tiến hành vẽ từ điểm bắt đầu tới vị trí cuối của hình chữ nhật ta sẽ có được đường bao như hình vẽ. BS. Lê Công Dũng 3 Cty điện tử ROBOTA Qui trình thiết kế mạch PCB Cần chú ý lớp đường bao là lớp Global Layer (lớp 0). Nếu vẽ xong hình đường bao mà không phải lớp này, chúng ta cần đổi lớp bằng cách dùng chuột chọn đường bao rồi Click phải chuột, một menu hiện ra sau đó bạn chọn Property, một hộp thoại sẽ xuất hiện như hình. Click chuột chọn vào đây để thay đổi lớp Click chuột chọn vào đây để thay đổi loại Obstacle Thay đổi độ rộng của đường bao Sau khi chọn xong, nhấn OK để kết thúc lệnh. 3. Di chuyển, sắp xếp linh kiện: Chọn nút này để thao tác với linh kiện Chọn nút này ở trạng thái không cho phép giống như hình Sau khi chọn xong, ta có thể dễ dàng thao tác với các linh kiện như: • Di chuyển: bấm chuột vào thân linh kiện cần di chuyển, sau đó rê chuột tới vị trí cần đặt rôì nhấp chuột một lần nữa để cố định vị trí linh kiện mới. • Xoay linh kiện: bấm chuột vào thân linh kiện, sau đó nhấn phím R để xoay chiều của linh kiện. BS. Lê Công Dũng 4 Cty điện tử ROBOTA Qui trình thiết kế mạch PCB Linh kiện chưa xoay Linh kiện đã xoay • Mirrored linh kiện: bấm chuột vào thân linh kiện, sau đó nhấn phím T để xoay chiều của linh kiện. • Lock linh kiện: bấm chuột vào thân linh kiện, sau đó nhấn phím L để khóa của linh kiện. Chú ý: Sau khi chọn linh kiện nhấp phải chuột, một menu các lệnh thao tác với linh kiện sẽ hiện ra. Chỉ việc nhấp chuột chọn lệnh tương ứng để thực hiện. • Lệnh thay đổi Footprint (thay đổi linh kiện): bấm chuột vào thân linh kiện, sau đó nhấn tổ hợp phím Ctrl + E hoặc Click phải chuột rồi chọn menu Property một hộp thoại sẽ hiện ra. Bấm vào đây để thay đổi chân linh kiện, sau đó nhấn OK để chấp nhận thay đổi. 4. Thay đổi hình dạng, kích thước Pad linh kiện: Trên thanh công cụ, chọn nút Pin Tool như hình vẽ. BS. Lê Công Dũng 5 Cty điện tử ROBOTA Qui trình thiết kế mạch PCB Để thay đổi hình dạng và kích thước chân linh kiện, click chuột vào chân linh kiện cần thay đổi, sau đó nhấn tổ hợp phím Shift + T, một bảng sẽ xuất hiện như hình. Hình dạng chân Kích thước chân Chúng ta cần quan tâm tới các lớp sau: • Lớp TOP và BOTTOM: thay đổi độ rộng, hình dạng Pad. • GND, POWER, SMTOP, SMBOP: độ rộng của các lớp này bằng độ rộng của lớp TOP và BOTTOM + 0,5mm. • Lớp DRILL: là độ rộng lỗ khoan. Với IC chân thường thì lỗ khoan khoảng 0,9mm, với các chân cắm hay jumper thì lỗ khoan khỏang 1,2mm. Để thay đổi độ rộng cần click chuột vào tên lớp cần thay đổi, sau đó nhấn tổ hợp phím Ctrl+E hoặc Double click vào lớp , một hộp thoại sẽ xuất hiện. Trong khung Pad Shape của hộp thoại Edit Padstack Layer chọn hình dáng chân linh kiện. Trong ô Pad Width và Pad Height chọn kích thước chân linh kiện, sau đó nhấn OK để châp nhận thay đổi. BS. Lê Công Dũng 6 Cty điện tử ROBOTA Qui trình thiết kế mạch PCB Chú ý: Ở lớp DRILL đối với IC chân DIP thông thường thì khỏang 0,9mm, đối với IC dán thì lớp này chọn Undefine (không có lỗ khoan). 5. Thay đổi độ rộng của đường dây: Trên thanh công cụ chọn nút lệnh View Spreadsheet như hình Một menu lệnh được xổ xuống, sau đó chọn Nets. Một bảng sẽ xuất hiện như hình bên dưới. Tên của các đường dây nằm trong khung Net Name, độ rộng của đường dây nằm trong khung BS. Lê Công Dũng 7 Cty điện tử ROBOTA Qui trình thiết kế mạch PCB Tên của các đường dây Độ rộng của các đường dây Để thay đổi độ rộng dây, click chuột vào tên dây tương ứng sau đó nhấn tổ hợp phím Ctrl +E hoặc Double click vào nó, một hộp thoại sẽ xuất hiện như hình. Sau đó nhập vào độ rộng tương ứng trong 3 ô Min Width, Conn Width, Max Width rồi chọn OK để chấp nhận lệnh. BS. Lê Công Dũng 8 Cty điện tử ROBOTA Qui trình thiết kế mạch PCB Độ rộng tối thiểu Độ rộng trung bình Độ rộng tối đa Chú ý: Thông thường đối với những mạch đơn giản 1 lớp thì đường nguồn và mass khoảng 1,5mm đến 2,5mm, các đường tín hiệu khoảng 0,5mm. Mạch 2 lớp phức tạp thì đường nguồn và mass tối thiếu là 0,7mm, các đường tín hiệu tối thiểu 0,2mm (thường là 0,3mm). Sau khi vẽ mạch xong cần phủ đồng đường mass để tăng khả năng chống nhiễu. 6. Thay đổi độ rộng Via: Chọn menu Tool => Via => Modify Padstacks… một bảng sẽ xuất hiện như bên dưới. Kéo con trượt bên phải lên tới vị trí trên cùng như hình vẽ. BS. Lê Công Dũng 9 Cty điện tử ROBOTA Qui trình thiết kế mạch PCB • Để thay đổi độ rộng Via chọn 2 lớp TOP và BOTTOM nhấn Ctrl+E một hộp thoại xuất hiện như hình dưới, nhập vào ô Pad Width và Pad Height độ rộng của lỗ Via. Đối với mạch 1 lớp thì độ rộng là 1,6mm. Đối với mạch 2 lớp trở lên thì khoảng 1mm. Trong khung Pad Shape chọn Round là loại hình tròn. • Để thay đổi độ rộng lỗ khoan của Via, chọn 2 lớp DRLDWG và DRILL sau đó nhấn Ctrl +E và nhập vào 2 ô Pad Width và Pad Height như trên. Thông thường độ rộng lỗ khoan bằng độ rộng Pad Via trừ 0,7mm. Như vậy, nếu Pad Via là 1,6mm thì lỗ khoan là 0,9mm. Còn Pad Via là 1mm thì lỗ khoan là 0,3mm. BS. Lê Công Dũng 10 Cty điện tử ROBOTA Qui trình thiết kế mạch PCB 7. Sử dụng công cụ Dimension để đo khoảng cách: Việc đo đạt khoảng cách, kích thước trong thiết kế PCB là cực kì quan trọng. Việc đo khoảng cách dùng vào các công việc như, tạo chân linh kiện tạo đường bao board mạch… Để sử dụng công cụ này, Click chuột vào menu Tool => Dimension=>New. Để thực hiện đo, trên màn hình thiết kế Click chuột tại vị trí bắt đầu đo và kéo chuột tới vị trí kết thúc sau đó nhấp chuột kết thúc. Kết quả đo sẽ hiển thị ở giữa đường mũi tên. Kết quả phép đo là 90,57mm Để xóa đường này, nhấp chọn nó và nhấn phím Delete. BS. Lê Công Dũng 11 Cty điện tử ROBOTA Qui trình thiết kế mạch PCB Chú ý: Đơn vị của phép đo là do chúng ta chọn trong hộp thoại System Settings. Chi tiết ở mục 1 “Định đơn vị đo”. 8. Đi dây trong Layout OrCAD: Trên thanh công cụ, chọn nút lệnh Edit Segment Mode. Trong màn hình Layout Click chọn đường dây muốn vẽ, di chuyển chuột đến vị trí cần đến và nhấp chuột tiếp để chạy dây. Xem hình. Để thao tác với việc đi dây, bằng cách click chọn một dây cần đi rồi click phải chuột ta có các lệnh liên quan trong menu sau: • Finish: kết thúc đi dây, khi nhấn phím F thì Layout tự động nối phần còn lại của dây đang vẽ vào điểm kết thúc. • Unroute Segment: bỏ vẽ một đoạn, khi nhấn phím G thì đoạn dây tại vị trí chuột đang chọn sẽ bị xóa không nối. • Unroute: bỏ nối cả đường dây, khi nhấn phím D thì đoạn dây đã nối sẽ bỏ được bỏ nối. • Change Width: thay đổi độ rộng dây, khi nhấn phím W thì hộp thoại Track Width hiện ra, nhập độ rộng dây vào hộp thoại để thay đổi độ rộng. BS. Lê Công Dũng 12 Cty điện tử ROBOTA Qui trình thiết kế mạch PCB • Add Free Via: dùng để thêm Via, khi nhấn phím E thì một Via xuyên lớp sẽ được thêm vào. 9. Phủ đồng cho mạch: Sau khi vẽ mạch xong ta cần phủ đồng cho mạch, bằng cách chọn công cụ Obstacle Tool trên thanh công cụ. Trong màn hình layout, click phải chuột chọn New sau đó nhấn tổ hợp phím Ctrl +E một hộp thoại xuất hiện. Trong ô Obstacle Type chọn Copper pour để phủ đồng. Trong ô Width nhập giá trị 1mm. Trong ô Obstacle Layer chọn lớp BOTTOM để phủ ở lớp BOTTOM. Trong ô Clearance nhập vào giá trị 1mm. Trong ô Net Attachment (“-” for none): chọn GND để nối mass lớp phủ đồng. Nhấn OK để kết thúc lệnh. BS. Lê Công Dũng 13 Cty điện tử ROBOTA Qui trình thiết kế mạch PCB BS. Lê Công Dũng 14 Cty điện tử ROBOTA Qui trình thiết kế mạch PCB (Hình chưa phủ đồng) (Hình đã phủ đồng) 10. Kiểm tra lỗi và xử lí lỗi: Click chọn menu Auto => Design Rule Check… một hộp thoại xuất hiện. Chọn giống với hình hộp thoại sau đó nhấn OK. BS. Lê Công Dũng 15 Cty điện tử ROBOTA Qui trình thiết kế mạch PCB Nếu mạch có lỗi thì một thông báo sẽ xuất hiện như sau: Để sửa lỗi, chúng ta dời các đường mạch hoặc các chân tại vị trí báo lỗi (vị trí lỗi là vị trí có khoanh tròn) ra xa nhau. Các lỗi trong mạch chủ yếu là do lỗi chạm chân. Các chân quá gần, hoặc khoảng cách giữa 2 đường mạch quá gần so với khoảng cách qui định tối thiểu trong hộp thoại Route Spacing (chọn menu Option => Golbal Spacing…) IV. CÁC VẤN ĐỀ KHÁC: 1. Tạo Footprint linh kiện: Trên thanh công cụ, chọn công cụ Library Manager như hình vẽ. Một cửa sổ của Library Manager xuất hiện như hình dưới. BS. Lê Công Dũng 16 Cty điện tử ROBOTA Qui trình thiết kế mạch PCB BS. Lê Công Dũng 17 Vùng thiết kế Footprint Cửa sổ chứa các thư viện trong Layout Các Footprint trong thư viện. Để bắt đầu tạo mới một Footprint linh kiện, bạn chọn nút lệnh Hộp thoại Create New Footprint… xuất hiện, bạn nhập tên linh kiện cần tạo vào khung Name of Footprint như hình vẽ rồi nhấn OK. IC ATMEGA8 SMD là một IC dán, bạn cần download datasheet trên mạng về để xem chi tiết kích thước chân. Cty điện tử ROBOTA Qui trình thiết kế mạch PCB Hình bên dưới là kích thước chân thực tế của IC được cắt ra từ datasheet. Chúng ta dựa vào các kích thước này để vẽ. BS. Lê Công Dũng 18 Cty điện tử ROBOTA Qui trình thiết kế mạch PCB Để bắt đầu vẽ chúng ta cần định đơn vị đo là milimet xem chi tiết ở mục 1 “Định đơn vị đo” và nhập các thông số vào cửa sổ System Settings như hình vẽ rồi nhấn OK để chấp nhận. Trên thanh công cụ, chọn công cụ Pin Tool, sau đó nhấp chọn chân linh kiện và nhấn tổ hợp phím Shift + T . Của sổ Padstacks xuất hiện, cửa sổ này chứa kích thước của Footprint. Chúng ta có thể thay đổi hình dạng chân, kích thước chân, định kích thước lỗ khoan… ở đây. Ta xem lại hình vẽ kích thước thật của ATMEGA8 SMD ở trên thì thấy: • Độ rộng chân: B=0,45mm. • Khoảng cách 2 chân: e=0,8mm. • Chiều dài của chân: (D-D1)/2=(9,25-7,1)/2=1,075mm. Để cho việc hàn linh kiện sau này được dễ dàng chúng ta nên cho chiều rộng và chiều dài chân lớn hơn thêm một tí. Ta có thể cho. • Độ rộng chân B=0,5mm. • Chiều dài chân =5mm. BS. Lê Công Dũng 19 Cty điện tử ROBOTA Qui trình thiết kế mạch PCB Trong cửa sổ Padstacks chúng ta dùng chuột kéo chọn 2 lớp TOP và BOTTOM rồi nhấn tổ hợp phím Ctrl+E. Cửa sổ Edit Padstack xuất hiện, bạn nhập 2 giá trị chiều rộng và chiều dài chân linh kiện vào ô Pad Width và Pad Height. Trong khung Pad Shape chọn kiểu chân Oblong như hình vẽ rồi nhấn OK. BS. Lê Công Dũng 20 Cty điện tử ROBOTA Qui trình thiết kế mạch PCB Trở lại của sổ Padstacks , dùng chuột quét chọn các lớp được đánh dấu như hình vẽ bên dưới. Sau đó nhấn tổ hợp phím Ctrl+E để vào cửa sổ Edit Padstack. Trong khung Pad Shape của cửa sổ này bạn chọn Undefined rồi nhấn OK Chú ý: 2 lớp DRLDWG và lớp DRILL là lớp lỗ khoan, chúng ta đang thiết kế kinh kiện dán (không có lỗ khoan) nên không dùng lớp này. Nếu là linh kiện bình thường dạng DIP thì nên để kích thước lớp này bằng kích thước lớp TOP hoặc BOTTOM trừ 0,7mm. Trong cửa sổ Padstacks, chúng ta chọn tiếp 2 lớp còn lại là SMTOP và SMBOT rồi nhấn Ctrl+E để vào cửa sổ Edit Padstack. Bạn nhập 2 giá trị chiều rộng và chiều dài chân linh kiện vào ô Pad Width=0,6mm và Pad Height=5,1mm. Trong khung Pad Shape chọn kiểu chân Oblong rồi nhấn OK Chú ý: lớp SMTOP là lớp cấm phủ xanh mặt TOP và lớp SMBOT là lớp cấm phủ xanh mặt BOTTOM. BS. Lê Công Dũng 21 Cty điện tử ROBOTA Qui trình thiết kế mạch PCB Thoát khỏi cửa sổ Padstacks ra ngoài vùng thiết kết chúng ta đã thấy chân linh kiện thay đổi đúng như ý muốn. Xem hình. Để quay ngang chân linh kiện, bạn nhấp chuột vào chân linh kiện rồi nhấn phím R. BS. Lê Công Dũng 22 Cty điện tử ROBOTA Qui trình thiết kế mạch PCB Bây giờ chúng ta bắt đầu vẽ tiếp các chân còn lại bằng cách nhấn phím Insert. Bạn cần chú ý là phải sắp xếp chân cho đúng thứ tự chân và đúng khoảng cách 0,8mm tính từ giữa tâm của 2 chân như trên bản vẽ. Để đo khoảng cách bạn dùng công cụ đo như đã trình bày ớ mục 7 Sử dụng công cụ Dimemsion để đo khoảng cách. Sắp xếp các chân linh kiện theo đúng kích thước và thẳng hàng thì rất khó khăn, đòi hỏi bạn phải tận dụng hết chức năng các công cụ mới có thể làm được tốt điều này. Để di chuyển và đặt chân linh kiện theo đúng khoảng cách bạn có thể nhấn tổ hợp phím Ctrl+G để vào cửa sổ System Settings thay đổi một vài thông số. Như ta biết khoảng cách giữa 2 chân linh kiện là 0,8mm, vậy chúng ta có thể sửa các giá trị trong các ô thành 0,8 như hình vẽ. BS. Lê Công Dũng 23 Cty điện tử ROBOTA Qui trình thiết kế mạch PCB Tiếp theo bạn nhấp chuột vào nút lệnh Workspace Setting…. Hộp thoại Workspace Settings xuất hiện, bạn chọn như hình vẽ rồi nhấn Convert… Bây giờ bạn nhấn phím Insert và dễ dàng di chuyển chân linh kiện mà không sợ sai kích thước. Kết quả như hình vẽ. BS. Lê Công Dũng 24 Cty điện tử ROBOTA Qui trình thiết kế mạch PCB Bạn có thể kiểm nghiệm lại xem kết quả có đúng không bằng cách dùng công cụ đo kéo từ chân 1 đến chân 8 kết quả đo đúng bằng 0,8 x 7=5,6mm. Bạn thấy trên hình còn xuất hiện một dấu thập lớn để canh tọa độ, bạn có thể bật tắt dấu này bằng cách nhấn phím +. Bây giờ ta có thể vẽ tiếp các chân ở cạnh kế tiếp nhưng lại gặp một vấn đề là cần đặt chân tiếp theo ở vị trí nào. Dấu con trỏ canh tọa độ BS. Lê Công Dũng 25 Cty điện tử ROBOTA Qui trình thiết kế mạch PCB Như đã đo ở trên, khoảng cách từ chân 1 tới chân 8 là 5,6mm, mà khoảng cách D1 là 7,1mm. Vậy khoảng cách từ một chân ngoài cùng tới mép ngoài của thân IC sẽ bằng (7,1-5,6)/2=0.75mm. Xem hình vẽ. Tương tự như trên ta có thể vẽ hết các chân còn lại như hình vẽ. Như vậy chúng ta đã cơ bản vẽ xong một chân linh kiện, công việc tiếp theo là trang trí cho linh kiện. 0.75mm 0.75mm Vị trí chân tiếp theo BS. Lê Công Dũng 26 Cty điện tử ROBOTA Qui trình thiết kế mạch PCB Trên thanh công cụ, chọn nút lệnh Obstacle Tool. Sau đó, trong màn hình thiết kế, nhấp phải chuột chọn New…. Rồi nhấn tiếp tổ hợp phím Ctrl+E để vào hộp thoại Edit Obstacle. Chọn các thông số như hình vẽ rồi nhấn OK để chấp nhận. Bạn dùng chuột kéo vẽ từng đoạn, mỗi khi vẽ xong một đoạn, bạn nhấn phải chuột chọn lệnh End Command để kết thúc. Để vẽ tiếp đoạn khác, bạn tiếp tục làm lại như hướng dẫn ở trên. Một hình hoàn chỉnh đã vẽ như bên dưới. Lớp SSTOP là lớp sơn trắng in linh kiện Độ rộng 0,2mm BS. Lê Công Dũng 27 Cty điện tử ROBOTA Qui trình thiết kế mạch PCB Chúng ta đã vẽ xong Footprint của IC ATMEGA8 SMD, bây giờ bạn nhấn tổ hợp phím Ctrl+S để lưu lại Footprint.Hộp thoại Save Footprint xuất hiện, bạn nhấn vào nút Browse… để chọn thư viện cần lưu Footprint vào. Hoặc có thể tạo một thư viện mới bằng cách nhấn vào nút Create New Library… BS. Lê Công Dũng 28