Lưu ý Thiết kế PCB với Altium Designer

Các thuật ngữ thường gặp trong PCB

Gerber

Định dạng Gerber hay Gerber format là định dạng vector ASCII mở cho hình ảnh nhị phân 2D . Đây là tiêu chuẩn được sử dụng bởi phần mềm mạch in (PCB) để mô tả hình ảnh bảng mạch in, gồm các lớp đồng, mặt hàn, chỉ dẫn,…

Gerber được sử dụng làm dữ liệu cho chế tạo mạch in PCB. Mạch in được thiết kế nhờ một hệ thống thiết kế hỗ trợ bằng máy tính CAD. Các hệ thống này xuất dữ liệu để điều khiển các thiết bị gia công PCB. Dữ liệu này thường chứa tệp Gerber cho mỗi lớp hình ảnh (lớp đồng, lớp mặt hàn, lớp chỉ dẫn hoặc lớp lụa…).
Trong quá trình chế tạo bảng mạch, Gerber là định dạng đầu vào chuẩn cho máy photoplotter và tất cả các thiết bị chế tạo khác cần dữ liệu hình ảnh. Các tệp Gerber cũng chứa một lớp ‘stencil’ cho việc hàn dán, và các vị trí trung tâm của các linh kiện để cho phép nhà lắp ráp PCB tạo ra các nếp gấp, đặt và gắn kết các thành phần.

Trong ngành sản xuất mạch in (PCB). Tất cả các nhà máy sản xuất mạch in đều sử dụng gerber file được export từ các phần mềm vẽ mạch điện tử như Orcad, Altium designer, Proteus, Eagle, Sprint Layout, KidCad… xuất tấm phim để sản xuất mạch in… Dưới đây là các layer thường được sử dụng để sản xuất mạch in trong các phần mềm vẽ mạch phổ biến:

Layer

Layer là lớp mạch hay còn gọi là mặt. Các bạn thường nghe là mạch 1 lớp, mạch 2 lớp, mạch 4 lớp,… Thì đơn giản layer lớp đồng mỏng được phủ trên board hoặc nằm bên trong board… từ lớp đồng này người ta sẽ tạo ra những đường mạch để kết nối các chân linh kiện trên bảng mạch…
Hiện nay có nhiều loại mạch có loại 1 lớp, 2 lớp, 4 lớp, 6 lớp, thậm chí là 26 hoặc 40 lớp… Phổ biến thường thấy nhất là mạch 2 lớp FR4 gồm 2 lớp cơ bản top (trên) và bottom (dưới). Người ta hay gọi tắt là top-layer và bot-layer hay gọi là lớp tóp và lớp bót.

Trace

 Những đường đồng tạo thành đường mạch kết nối chân linh kiện người ta gọi là trace. Khi vẽ thì một số phần mềm thường gọi là line nhưng khi gia công thì người ta thường quy ước là trace. Trace là đường mạch kết nối các linh kiện với nhau hoặc trường hợp đặc biệt trace có thể đóng vai trò là anten trên mạch (module ESP8266, RF…).

Pad

Hay còn gọi là chân linh kiện trên board… Là thành phần để tiếp xúc giữa đường mạch và linh kiện… Dùng để hàn thiếc vào chân linh kiện… những pad này thường được mạ thiếc, OSP, hoặc vàng để dễ hàn, bảo vệ chân linh kiện và cũng nhưng tăng khả năng dẫn điện, chịu nhiệt của linh kiện,…

Drill

Là lỗ khoan trên PCB. Có nhiều loại lỗ khoan trên board:
Lỗ khoan được mạ (plated) là những lỗ bên trong có 1 lớp đồng và được mạ thiếc hoặc OSP,… nhằm kết nối những đường mạch của những lớp khác nhau lại với nhau… lỗ via cũng là một loại lỗ khoan được mạ và thường thấy nhất những lỗ của những chân linh kiện cắm,…

Lỗ khoan không được mạ (unplated): những lỗ này thường được khoan nhưng không có tác dụng dẫn điện… Cơ bản thường thấy là những lỗ để bắt vít, lỗ gắn tản nhiệt,…

Solder mask

Là lớp màu, sơn được phủ lên trên bề mặt board… tùy theo yêu cầu người đặt mạch mà sẽ có những màu sắc khác nhau… tác dụng của lớp này là để bảo vệ board mạch không bị oxi hóa, không bị chập chạm khi cháy nổ,… Đi kèm vớisolder mask sẽ là một khái niệm rất thú vị nhưng ít người biết đó là solder mask resist… Đây là 1 lớp đơn giản gồm những pad, đường mạch, lỗ,…có tác dụng là mở mặt nạ hàn… không cho phủ màu lên những điểm này. Để lộ ra những pad và đường mạch cần mạ thiếc.

Khi vẽ mạch đôi lúc bạn cần phủ thiếc để tăng công suất cho những đường mạch của bạn… Bạn chỉ cần vẽ những đường mạch cần đó trên lớp resist này, tự động khi gia công người ta sẽ không phủ xanh lên những đường này cho bạn… mà sẽ mạ một lớp thiếc lên… và về bạn có thể tha hồ bôi thiếc chồng lên lớp thiếc của nhà sản xuất nhé…

Solder Paste

Solder paste được dùng để hỗ trợ quá trình hàn các linh kiện dán (SMD – Surface mount component). Vùng che phủ bởi Solder paste sẽ không bị ảnh hưởng nếu ta dùng Solder Mask – Nói cách khác Solder paste làm cho phần mạch hiện ra để dễ dàng cho việc hàn linh kiện dù solder mask có phủ nó hay không. Nếu dùng linh kiện SMD cần phải dùng Solder Paste.

Silk-screen (Overlay layer)

Đây là lớp trên cùng dùng để in tên linh kiện, in tên mạch hoặc logo mà bạn muốn in trên board… Tùy theo yêu cầu của khách hàng và đặc điểm của board mà lớp này sẽ có màu sắc khác nhau không nhất thiết là màu trắng như chúng ta thường thấy… Có thể là xanh, đen, trắng, đỏ,… nhưng những loại chữ có màu sắc khác thường sẽ tốn thêm chi phí so với những màu thông thường nhé.

 Lớp này có mặt ở cả lớp Top và Bottom (Top Overlay và Bot Overlay).  Nếu sử dụng các lớp này thì phải xuất kèm file cung cấp cho nhà sản xuất.  Các lớp bên trong (Internal layers) sẽ không có các lớp này. Lớp này có thể có hoặc không, tuy nhiên mình khuyên luôn luôn phải có lớp này vì nó rất có ích cho việc debug hoặc đặt linh kiện.

Mechanical Layer

Trong board phải có ít nhất 1 lớp Mechanical để phục vụ cho việc gia công. Lớp Mechanical cơ bản mà ta hay sử dụng là lớp M1 – định hình đường outline (đường bao) của board mạch như hình trên. Bên gia công mạch in sẽ dựa vào đường bao này để cắt board đồng. Đường outline đơn giản có thể là 1 hình chữ nhật hoặc có thể phức tạp hơn (cong, cut outs, …). Các lớp Mechanical khác dùng để bổ trợ thông tin chi tiết.

Keep Out Layer

Trong khi lớp Mechanical định nghĩa đường biên của board thì keepout layer định nghĩa khu vực làm việc của bạn. Các linh kiện phải đặt bên trong lớp này. Keep out layer không có ý nghĩa về mặt vật lý tuy nhiên nó giúp các EDA tool phát hiện ra lỗi nếu user đặt linh kiện vi phạm khu vực keepout. Hay nói cách khác lớp này trợ giúp cho quá trình kiểm lỗi (Design Rules Check).

Routing Layers

Lớp routing chứa các đường mạch (trace) kết nối giữa các linh kiện. Lớp routing có thể ở top – bottom và có thể ở giữa tùy số lớp của board mạch. Thông thường đây là các lớp chiếm thời gian làm việc nhiều nhất.

Ground Planes Layer và Power Planes Layer

Thông thường 2 lớp này được phủ đồng toàn bộ và Ground Plane Layer được kết nối đến GND, Power Plane Layer được kết nối đến nguồn. Khá đơn giản phải không nào. Và cũng giống như routing layer, 2 Layer này có thể ở top, bottom hoặc nằm ở các lớp giữa tùy board mạch. Có sự hiện diện của 2 lớp này làm cho việc đi dây nguồn trở nên thuận tiện hơn rất nhiều phải không các bạn. Trong Altium nếu ta khai báo lớp là Ground Plane thì toàn bộ vùng trong outline sẽ được phủ đồng khi gia công mạch in.

Split Planes

Power Plane và Ground Plane có thể chia thành nhiều section như hình trên trong những trường hợp mạch của chúng ra sử dụng nhiều mức điện áp khác nhau như +5V và -5V, …

Annular ring

Annular ring là vòng tròn đồng xung quanh một lỗ trên mạch in, có thể là chân linh kiện hoặc lỗ via.

Finger

Đây là pad đặc biệt, nằm trên cạnh của mạch, dùng để kết nối 2 mạch với nhau. Finger thường được sử dụng trong các mạch như RAM, card trên máy tính PC, máy tính công nghiệp,….

Slot

Các phần bị khoét trên mạch in mà không phải lỗ thì được coi là slot. Slot trên mạch in có tác dụng khác nhau, tùy vào thiết kế, ví dụ: cách ly, phù hợp với yêu cầu cơ khí, tách mạch sau khi gia công,…

Panel

Panel là một mạch lớn bao gồm nhiều mạch nhỏ có thể được tách ra dễ dàng nhờ V-score hoặc mouse bits. Sở dĩ nhà sản xuất phải sắp xếp các mạch nhỏ lên một panel để thuận tiện, tiết kiệm cho quá trình chế tạo mạch in và lắp ráp linh kiện.

 V-score (V-cut)

Để phân tách các mạch in từ panel, ta có thể sử dụng V-score. Đường V-score thực chất là một đường cắt sẵn nhưng chưa đứt hẳn, mà nhà sản xuất chỉ tạo ra một đường rãnh đánh dấu. Cách cắt này khá giống như thợ xây cắt gạch men, cắt kính.

Mouse bites

Nếu không muốn sử dụng V-score để phân tách các mạch thì người ta có thể dùng mouse bites – vết chuột gặm. Bằng cách kết hợp các slot cùng với tổ hợp các lỗ khoan giúp cho việc tách các mạch nhỏ sau khi gia công được dễ dàng.

Via trong PCB

 PCB có thể có một hoặc nhiều lớp xếp chồng lên nhau. Để liên kết nối các đường mạch (trace) ở các lớp khác nhau, người ta sử dụng via. Via có cấu tạo tương tự như  Plated through hole (Pad cho linh kiện cắm) nhưng kích thước nhỏ hơn và có nhiều loại với mục đích sử dụng khác nhau.

Via là một trong những thành phần quan trọng trong PCB nhiều lớp. Khi nói đến mạch nhiều lớp đồng nghĩa với PCB có mật độ linh kiện và trace dày đặc. Trong những mạch như vậy, số lượng via được sử dụng rất lớn. Chính vì vậy, chi phí cho chế tạo via có thể chiếm tới 30% đến 40% giá của mạch in.

Thông thường, via được chia thành 3 loại chính là Through-hole Via, Blind Via và Buried Via.

Ba loại via được sử dụng trong PCB

Through-hole Via

Through-hole Via

Through-hole Via (via xuyên lỗ) là via mà đi từ mặt trên cùng đến mặt dưới cùng của bảng mạch. Đây là loại via đơn giản và được sử được sử dụng phổ biến nhất. Khi nhắc đến via, người ta thường nghĩ đến loại via này.

Rivet để chế tạo via với ID, OD là đường kính trong và đường kính ngoài

Để chế tạo through-hole via, người ta chỉ cần sử dụng khoan hoặc laser để tạo lỗ khoan trên PCB. Tiếp theo, mạch in được mạ hoặc tán đinh (rivet) để liên kết các lớp. Vì gia công tương đối đơn giản nên chi phí cho loại via này khá rẻ.  Tuy nhiên, nhược điểm là chúng chiếm nhiều diện tích trên các lớp mạch.

Mạch in được đóng via

Buried Via

Buried via (via ngầm) là loại via kết nối các lớp bên trong PCB. Do vậy, loại via này nằm ẩn trong mạch.

Khi mạch trở nên phức tạp, nhiều đường mạch (trace) trên các lớp bên trong chỉ có nhu cầu kết nối riêng với nhau mà không cần xuyên qua tất cả các lớp. Buried via ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu đó.

Via này có vẻ khá tinh tế, chỉ làm đúng chức năng, nhiệm vụ kết nối những gì cần thiết với nhau. Chúng nằm ẩn bên trong giúp tăng không gian sắp xếp linh kiện trên các lớp ngoài cùng (top layer và bottom) cũng như không gian để đi dây trên các lớp mà via này không xuyên qua. Với điểm lợi này mà buried via thường được sử dụng trong các mạch mật độ cao (HDI – high-density circuit board) với các IC dạng BGA.

Mạch này chứa rất nhiều buried via ở dưới nhưng chúng ta không nhìn thấy 

Hiện đại thường đi liền với tốn kém và phức tạp. Người ta không thể xếp tất cả các lớp của mạch rồi khoan lỗ via mà phải tạo lỗ via trên từng lớp rồi sau đó sắp xếp các lớp này lại để tạo thành mạch in. Nghe có vẻ đơn giản nhưng việc căn chỉnh để tất cả các lỗ via, đường mạch ở các lớp khác nhau đúng như thiết kế là vô cùng phức tạp, dễ xảy ra sai lệch. Vì thế, chế tạo mạch in có loại via này rất tốn kém.

Blind Via

Blind via

Blind via (via cụt) giống như Through-hole via nhưng một bên via chỉ liên kết với các lớp bên trong mà không xuyên qua mạch. Vì cấu tạo như vậy mà via này có tên là blind via – “via cụt”.

Blind via nằm trên cùng vị trí trong tọa độ phẳng

Chiều dài của via phụ thuộc vào số lớp bên trong mà via kết nối tới. Loại via này có một điểm thú vị là trên PCB có thể có những blind via cùng vị trí nhưng không chạm vào nhau. Điều này dễ bị lầm tưởng via đó là through-hole via, đánh lạc hướng, gây khó khăn trong ăn trộm thiết kế 

Có thể xem blind via là trường hợp đặc biệt của buried via khi có một lớp cần kết nối nằm ở ngoài cùng. Vì vậy, Bline via cũng giúp tiết kiệm không gian trên mạch (ở lớp nó không xuất hiện).

Blind via trên PCB có chip BGA

Nguồn tham khảo: https://dientusync.com/, https://machdienlythu.vn/,…

Smtaz chuyên nhận Hàn cắm linh kiện điện tử - Nhận mua linh kiện theo đơn đặt hàng - Nhận hàn dán SMT số lượng vừa và nhỏ phù hợp với cả sinh viên và khách hàng muốn làm mạch thử nghiệm - Nhận Code vẽ mạch lập trình Arduino, AVR 8051, các dòng STM