Nguyên tắc bố trí linh kiện trên bảng mạch in (PCB)
Trong Thiết kế bố trí mạch in (PCB), Việc bố trí các linh kiện là yếu tố quan trọng. Nó ảnh hưởng đến độ gọn gàng của bảng mạch, độ dài và số lượng đường mạch in. Nó cũng ảnh hưởng đến độ tin cậy tổng thể của thiết bị. Dưới đây là một số quy tắc cơ bản mà việc bố trí linh kiện trên bảng mạch in (PCB) cần tuân thủ.
Phân phối đều và nhất quán
Đặt các linh kiện sao cho chúng được phân bố đều trên toàn bộ bảng mạch. Duy trì mật độ và khoảng cách giữa các linh kiện một cách nhất quán. Không để các linh kiện lấp đầy hoàn toàn bảng mạch. Để lại một khoảng trống xung quanh các cạnh của bảng mạch. Kích thước của khoảng trống này phụ thuộc vào diện tích của bảng mạch và cách bảng mạch được cố định trong sản phẩm. Các linh kiện nằm ngay trên cạnh của bảng mạch PCB phải cách cạnh bảng mạch ít nhất 3 mm. Trong các thiết bị điện tử, thường để lại khoảng 5 đến 10 mm khoảng trống dọc theo mỗi cạnh.
Nói chung, hãy đặt các linh kiện ở một bên của bảng mạch in (PCB) khi có thể. Mỗi chân dây của linh kiện nên sử dụng một pad hàn riêng biệt.
Không có sự chồng chéo và khoảng cách đủ rộng.
Các thành phần không nên chồng chéo từ trên xuống dưới theo cách gây ra sự giao nhau. Giữ khoảng cách đủ giữa các thành phần liền kề. Khoảng cách không được quá nhỏ để tránh tiếp xúc vật lý. Nếu hai thành phần gần nhau có sự chênh lệch điện thế lớn, hãy duy trì khoảng cách an toàn giữa chúng. Trong môi trường thông thường, khoảng cách không khí an toàn là khoảng 200 V trên mỗi mm. Tức là, nếu dự kiến có sự chênh lệch điện thế cao, hãy tăng khoảng cách.
Chiều cao lắp đặt thấp
Đảm bảo chiều cao lắp đặt của các linh kiện thấp nhất có thể. Chiều cao của chân linh kiện không nên vượt quá khoảng 5 mm so với bề mặt bảng mạch. Nếu các linh kiện quá cao, chúng sẽ không chịu được rung động và va đập tốt. Các linh kiện cao có thể bị nghiêng, đổ ngã hoặc chạm vào các linh kiện lân cận. Điều này làm giảm độ tin cậy.
Hướng trục và tính đều đặn
Xác định hướng trục của các linh kiện dựa trên cách PCB sẽ được lắp đặt và cố định trong sản phẩm cuối cùng. Đối với các mảng linh kiện thông thường, căn chỉnh trục của các linh kiện lớn sao cho chúng đứng thẳng so với sản phẩm. Điều này cải thiện độ ổn định cơ học trên bảng mạch. Căn chỉnh trục giúp giữ các linh kiện cố định dưới tác động của rung động.
Khoảng cách giữa các pad và góc uốn của dây dẫn
Các miếng đệm ở hai đầu của linh kiện nên cách nhau một khoảng rộng hơn so với chiều dài trục của linh kiện. Khi uốn các chân linh kiện, không nên uốn ngay tại gốc. Hãy để lại một đoạn chân thẳng trước khi uốn—ít nhất 2 mm—để tránh làm hỏng thân linh kiện. Điều này giúp giảm áp lực lên chân linh kiện và mối hàn.
Cách các linh kiện được lắp đặt và cố định trên bảng mạch in (PCB)
Có hai kiểu lắp đặt chính cho các linh kiện trên bảng mạch in (PCB): lắp đặt dọc (thẳng đứng) và lắp đặt ngang (nằm ngang). Lắp đặt ngang có nghĩa là trục của linh kiện song song với bề mặt PCB. Lắp đặt dọc có nghĩa là trục vuông góc với bề mặt PCB. Cả hai phương pháp đều có ưu và nhược điểm. Hãy sử dụng chúng linh hoạt khi thiết kế. Bạn có thể sử dụng một kiểu hoặc kết hợp cả hai. Đảm bảo mạch điện chịu được rung động, dễ bảo trì và bố trí linh kiện đều đặn. Điều này cũng sẽ giúp khi bố trí đường dẫn tín hiệu.
Lắp đặt thẳng đứng (lắp đặt đứng)
Các thành phần được lắp đặt theo chiều dọc chiếm ít diện tích bo mạch hơn. Bạn có thể lắp đặt nhiều linh kiện hơn trên mỗi đơn vị diện tích. Điều này rất hữu ích cho các thiết kế sản phẩm có mật độ cao như radio cầm tay và máy trợ thính. Nhiều thiết bị cầm tay nhỏ gọn sử dụng phương pháp lắp đặt theo chiều dọc.
Tuy nhiên, các bộ phận thẳng đứng nên có kích thước nhỏ và nhẹ. Các bộ phận lớn hoặc nặng không phù hợp để lắp đặt thẳng đứng. Các bộ phận nặng làm giảm độ bền cơ học và khả năng chống rung. Chúng có thể bị nghiêng hoặc rơi và chạm vào các bộ phận khác, gây ra các vấn đề về độ tin cậy.
Lắp đặt ngang (nằm ngang)
Lắp đặt ngang mang lại độ ổn định cơ học tốt hơn. Nó giúp bảng mạch trông gọn gàng hơn. Lắp đặt ngang làm tăng khoảng cách giữa các điểm hàn, giúp việc bố trí đường mạch giữa hai điểm hàn trở nên dễ dàng hơn. Điều này rất hữu ích cho việc bố trí đường mạch. Lắp đặt ngang thường được ưa chuộng khi độ ổn định cơ học và tính tiện lợi trong việc bố trí đường mạch là yếu tố quan trọng.
Các định dạng bố trí linh kiện trên bảng mạch in (PCB)
Các linh kiện nên được bố trí đều đặn, gọn gàng và chặt chẽ trên bảng mạch. Hãy cố gắng giảm thiểu và rút ngắn các kết nối giữa các đơn vị mạch và giữa các linh kiện riêng lẻ. Trên bảng mạch in (PCB), có hai định dạng bố trí chính: bố trí không đều và bố trí đều. Bạn có thể sử dụng một trong hai định dạng này riêng lẻ hoặc kết hợp cả hai.
Vị trí không đều
Trong bố trí không đều, các trục của linh kiện không được căn chỉnh và vị trí của chúng không tuân theo quy tắc nghiêm ngặt nào. Điều này trông có vẻ lộn xộn, nhưng nó cho phép linh kiện được định hướng và bố trí tự do. Sự tự do này thường giúp việc bố trí đường dẫn trở nên dễ dàng hơn. Nó có thể làm ngắn hoặc giảm số lượng kết nối, từ đó giảm đáng kể tổng chiều dài đường dẫn. Đường dẫn ngắn hơn giúp giảm các thông số phụ và giảm nhiễu. Bố trí không đều rất hữu ích cho mạch tần số cao. Nó thường được sử dụng với các linh kiện được lắp đặt theo chiều dọc.
Đặt hàng thường xuyên
Việc bố trí đều đặn giúp các trục của linh kiện song song hoặc vuông góc với các cạnh của bảng mạch. Ngoại trừ các linh kiện tần số cao, hầu hết các sản phẩm điện tử nên cố gắng bố trí linh kiện sao cho song song hoặc vuông góc. Điều này đặc biệt đúng khi các linh kiện được lắp đặt theo chiều ngang. Việc bố trí đều đặn cải thiện vẻ ngoài của bảng mạch và giúp việc lắp ráp, hàn và gỡ lỗi dễ dàng hơn. Nó cũng thuận tiện hơn cho sản xuất và bảo trì.
Vị trí đặt linh kiện theo kiểu thông thường là lựa chọn lý tưởng cho các mạch có tần số thấp, sử dụng các loại linh kiện trung bình nhưng với số lượng lớn. Nhiều thiết bị điện tử sử dụng định dạng này. Tuy nhiên, việc đặt linh kiện theo kiểu thông thường đặt ra các hạn chế về vị trí và hướng. Việc bố trí đường dẫn tín hiệu có thể trở nên phức tạp hơn, và tổng chiều dài đường dẫn tín hiệu có thể tăng lên do đó.
Vị trí đặt các pad linh kiện trên bảng mạch in (PCB)
Mỗi chân của linh kiện phải được hàn vào một pad hàn trên bảng mạch in (PCB). Vị trí của pad hàn phụ thuộc vào kích thước của linh kiện và cách nó được cố định. Đối với việc lắp đặt theo chiều dọc hoặc vị trí không đều, vị trí của pad hàn có thể ít bị giới hạn bởi kích thước và khoảng cách giữa các linh kiện. Đối với việc lắp đặt đều đặn, vị trí và khoảng cách giữa các pad hàn nên tuân theo các tiêu chuẩn nhất định.
Trong bất kỳ phương pháp nào, tâm của pad (tức là tâm của lỗ mạ) không nên quá gần mép bảng mạch. Khoảng cách tiêu chuẩn là 2,5 mm hoặc hơn. Tâm của pad ít nhất phải cách mép bảng mạch một khoảng lớn hơn độ dày của bảng mạch.
Vị trí của các pad nên nằm trên một lưới tọa độ tiêu chuẩn.
Trong tiêu chuẩn IEC, khoảng cách lưới cơ bản là 2,54 mm (tiêu chuẩn trong nước là 2,5 mm). Các khoảng cách lưới phụ bao gồm 1,27 mm hoặc 0,635 mil (1,25 mm hoặc 0,625 mil). Các tiêu chuẩn lưới này quan trọng khi sử dụng thiết kế hỗ trợ máy tính, khoan tự động hoặc đặt linh kiện và hàn tự động. Đối với khoan thủ công, ngoài khoảng cách chân IC song song, bạn có thể nới lỏng việc tuân thủ nghiêm ngặt khoảng cách lưới. Tuy nhiên, vị trí các pad vẫn cần đảm bảo linh kiện được sắp xếp gọn gàng và nhất quán. Đối với các linh kiện có kích thước tương tự, hãy cố gắng duy trì khoảng cách pad đồng đều. Khoảng cách tâm pad không được nhỏ hơn độ dày của bảng mạch. Điều này giúp bố trí gọn gàng và thuận tiện cho việc lắp ráp và uốn chân linh kiện.
Tất nhiên, sự gọn gàng là tương đối. Trong những trường hợp đặc biệt, hãy sử dụng phán đoán của bạn.
Các yếu tố ảnh hưởng đến bố trí mạch in (PCB)
Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế mạch in (PCB) tốt. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ đề cập đến những yếu tố quan trọng nhất.
Hướng dòng tín hiệu
Khi bố trí các đơn vị mạch trên bảng mạch, hãy chia toàn bộ mạch theo chức năng. Đặt các mô-đun chức năng theo thứ tự dòng tín hiệu. Điều này giúp bố trí thuận tiện cho các đường dẫn tín hiệu. Hãy cố gắng duy trì hướng tín hiệu nhất quán. Trong hầu hết các trường hợp, hãy bố trí dòng tín hiệu từ trái sang phải (đầu vào ở bên trái, đầu ra ở bên phải) hoặc từ trên xuống dưới (đầu vào ở trên, đầu ra ở dưới).
Đặt các linh kiện kết nối trực tiếp với các cổng vào/ra gần các cổng đó. Bố trí xung quanh thiết bị chính của mỗi khối chức năng. Ví dụ, sử dụng transistor hoặc IC làm thiết bị chính, sau đó đặt các linh kiện liên quan xung quanh nó. Xem xét hình dạng, kích thước, cực tính và số chân của linh kiện. Điều chỉnh vị trí và hướng để rút ngắn đường dây.
Vị trí của các thành phần đặc biệt
Sự can thiệp vào thiết bị điện tử có thể xuất phát từ nhiều nguồn: điện, từ, nhiệt và cơ học. Khi thiết kế bố trí mạch in, trước tiên hãy phân tích sơ đồ mạch. Xác định các linh kiện đặc biệt trước, sau đó đặt các linh kiện khác. Cách này giúp tránh sự can thiệp và thực hiện các biện pháp để giảm thiểu nó càng nhiều càng tốt.
Các thành phần đặc biệt là những thành phần có tác động đến thiết bị về mặt điện, từ, nhiệt hoặc cơ học. Chúng cũng có thể là các bộ phận phải được cố định tại các vị trí cụ thể do yêu cầu hoạt động.
Phòng ngừa nhiễu điện từ (EMI)
EMI thường xuyên xảy ra trong các thiết bị đang hoạt động. Nguyên nhân bao gồm sóng điện từ bên ngoài và việc bố trí mạch in (PCB) không hợp lý hoặc đặt linh kiện không đúng vị trí. Nhiều vấn đề nhiễu có thể được tránh trong giai đoạn thiết kế bố trí. Nếu bỏ qua điều này từ sớm, thiết kế có thể thất bại.
Tách biệt hoặc cách ly các bộ phận có thể ảnh hưởng lẫn nhau. Ngắn lại các kết nối trong các phần có tần số cao để giảm các thông số phân bố và tương tác điện từ lẫn nhau. Nếu bạn dự định sử dụng hộp cách ly kim loại cho các phần RF, hãy để lại diện tích bảng mạch cho kích thước của lớp cách ly.
Các bộ phận nhạy cảm không nên đặt quá gần các bộ phận gây ồn. Tách biệt các phần điện áp cao (ví dụ: 220 V) và điện áp thấp, cũng như tách biệt các giai đoạn đầu vào và đầu ra. Nếu dây nguồn DC dài, hãy thêm các bộ lọc để ngăn chặn nhiễu 50 Hz.
Nếu một số linh kiện hoặc đường mạch có thể có sự chênh lệch điện thế cao, hãy tăng khoảng cách để tránh phóng điện hoặc hỏng hóc. Tránh để các bộ phận có vỏ kim loại tiếp xúc với nhau. Ví dụ, vỏ kim loại của transistor NPN hoặc bộ tản nhiệt của transistor công suất có thể được kết nối với cực thu, có thể ở điện thế cao. Vỏ kim loại của tụ điện điện phân thường ở điện thế âm hoặc nối đất. Nếu các vỏ kim loại này không được cách điện, hãy đảm bảo khoảng cách đủ hoặc thêm lớp cách điện, nếu không có thể xảy ra chập điện.
Kiểm soát nhiễu nhiệt
Sự tăng nhiệt độ cũng gây ra nhiễu. Trong thiết kế bố trí, xác định các bộ phận nào tạo ra nhiệt và các bộ phận nào nhạy cảm với nhiệt độ.
Đặt các bộ phận sinh nhiệt, như điện trở công suất cao, gần vỏ máy hoặc ở những vị trí có luồng không khí tốt. Sử dụng các khe thông gió để hỗ trợ làm mát. Không xếp các bộ phận sinh nhiệt gần nhau. Xem xét sử dụng tản nhiệt hoặc quạt nhỏ để giữ nhiệt độ tăng trong giới hạn cho phép. Các bộ phận công suất lớn có thể được cố định vào khung máy để tận dụng vỏ kim loại cho việc tản nhiệt. Nếu chúng phải được đặt trên bo mạch in (PCB), hãy trang bị cho chúng tản nhiệt lớn và giữ chúng cách xa các bộ phận khác.
Các bộ phận nhạy cảm với nhiệt độ như transistor, IC và tụ điện điện phân lớn không nên đặt gần nguồn nhiệt hoặc ở phần trên của thiết bị nơi nhiệt độ tăng cao hơn. Việc gia nhiệt kéo dài có thể làm thay đổi điểm hoạt động và làm giảm hiệu suất.
Các yếu tố liên quan đến độ bền cơ học
Chú ý đến sự cân bằng và ổn định của bảng mạch. Đối với các bộ phận lớn và nặng (biến áp nguồn, tụ điện điện phân lớn, transistor nguồn có tản nhiệt), không nên chỉ dựa vào các mối hàn trên bảng mạch in (PCB). Nên gắn chúng vào khung máy khi có thể để trọng tâm thấp và sản phẩm ổn định. Các bộ phận lớn có thể làm cong bảng mạch in hoặc gây hư hỏng cho các bộ phận và connector khác.
Nếu một linh kiện có trọng lượng vượt quá khoảng 15 g và phải được gắn trên bảng mạch in (PCB), không nên chỉ dựa vào hàn. Hãy sử dụng giá đỡ, kẹp hoặc các thiết bị hỗ trợ cơ khí khác.
Đối với các bảng mạch có kích thước lớn hơn khoảng 200 mm × 150 mm, bảng mạch sẽ phải chịu lực uốn và rung động. Thêm khung cơ khí hoặc thanh gia cố để ngăn chặn biến dạng. Để lại không gian cho các giá đỡ, ốc vít định vị và các bộ phận kết nối.
Khả năng bảo trì và khả năng tiếp cận
Đối với các bộ phận có thể điều chỉnh như biến trở, tụ điện biến thiên hoặc cuộn dây điều chỉnh, hãy xem xét cách sản phẩm sẽ được điều chỉnh. Nếu việc điều chỉnh được thực hiện từ bên ngoài, hãy đặt vị trí của bộ phận sao cho khớp với núm điều chỉnh trên bảng điều khiển trước. Nếu việc điều chỉnh được thực hiện bên trong, hãy đặt linh kiện sao cho dễ dàng tiếp cận trên bảng mạch in (PCB).
Để đảm bảo an toàn trong quá trình gỡ lỗi và bảo trì, hãy đặt các bộ phận có điện áp cao ở những vị trí mà tay ít có khả năng chạm vào. Ví dụ, hãy đặt các bộ phận có điện áp cao của CRT ở những vị trí khó tiếp cận.
Tóm tắt bố trí mạch in (PCB)
Bố trí là phần quan trọng nhất trong thiết kế PCB. Bố trí các linh kiện một cách chính xác trên khu vực bảng mạch cố định là bước đầu tiên. Bố trí không chỉ đơn thuần là kết nối các linh kiện bằng các đường mạch in theo sơ đồ mạch. Để tạo ra một sản phẩm đáng tin cậy, cần bố trí các linh kiện và kết nối của chúng một cách cẩn thận.
Nếu bố cục kém, bạn có thể gặp phải nhiễu hoặc hiệu suất kém và thiết kế lý thuyết có thể thất bại. Một số bố cục đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật nhưng trông lộn xộn. Việc bố trí không đều, lộn xộn không chỉ làm giảm chất lượng hình ảnh mà còn khiến việc lắp ráp và bảo trì trở nên khó khăn. Đó không phải là một thiết kế hợp lý.
Các hướng dẫn trên nhằm mục đích cung cấp kiến thức cơ bản về thiết kế mạch in (PCB) cho các mạch in thông thường. Tuân thủ các hướng dẫn này để thiết kế mạch in một cách hợp lý nhất. Thiết kế mạch in tốt giúp giảm chiều dài đường dẫn, giảm nhiễu, tăng độ bền cơ học, hỗ trợ tản nhiệt, và thuận tiện cho quá trình sản xuất và bảo trì.
Danh sách kiểm tra thực tế cho thiết kế mạch in (Tài liệu tham khảo nhanh)
- Chia mạch thành các khối chức năng và đặt các khối theo dòng tín hiệu.
- Đặt các bộ phận liên quan đến đầu vào và đầu ra gần các cổng kết nối.
- Đặt các khối tần số cao một cách gọn gàng và giữ cho các đường dẫn của chúng thật ngắn.
- Tách biệt khu vực điện áp cao và khu vực điện áp thấp.
- Dự trữ không gian cho các tấm chắn kim loại nếu cần thiết.
- Giữ các bộ phận sinh nhiệt gần hệ thống thông gió hoặc khung máy.
- Giữ các bộ phận nhạy cảm với nhiệt độ xa khỏi các nguồn nhiệt.
- Sử dụng lắp đặt dọc cho các bộ phận nhỏ và dày đặc. Sử dụng lắp đặt ngang để đảm bảo độ ổn định và dễ dàng bố trí dây cáp.
- Khi các linh kiện nằm ở mép bo mạch, phải đảm bảo khoảng cách tối thiểu 3 mm từ các pad linh kiện đến mép bo mạch; khoảng cách trung bình từ tâm pad đến mép bo mạch ≥ 2,5 mm.
- Sử dụng khoảng cách lưới tiêu chuẩn khi lập kế hoạch lắp ráp tự động (2,54 mm hoặc 2,5 mm).
- Giữ khoảng cách giữa các pad không nhỏ hơn độ dày của bảng mạch.
- Đối với các bộ phận nặng, hãy sử dụng các giá đỡ cơ khí kết hợp với hàn.
- Thêm các thanh gia cố hoặc khung cho các tấm lớn (> 200 × 150 mm).
- Để lại khoảng trống cho các điểm kiểm tra và lối tiếp cận dịch vụ.
- Đảm bảo các trục thành phần được căn chỉnh gọn gàng khi có thể, nhưng chọn bố cục không đều cho RF để giảm chiều dài đường dẫn.
