Nguyên tắc bố trí và đi dây

Nguyên tắc bố trí và đi dây


I. Nguyên tắc bố trí trên PCB
•

•

•

•

Sau khi đặt xong linh kiện, căn cứ cấu trúc cơ khí, tản nhiệt, nhiễu điện từ,
tính thuận tiện trong việc đi dây để bố trí linh kiện hợp lý. Thông qua việc di
chuyển, xoay, đảo điều chỉnh việc bố trí linh kiện để thỏa mãn các yêu cầu.
Trong quá trình bố trí linh kiện, cũng cần chú ý tới các lưới, ký hiệu…
Việc bố trí linh kiện là đặt linh kiện trên các mặt của mạch in một cách hợp
lý. Đây là bước đầu tiên trong quá trình thiết kế mạch in và là công việc tốn
nhiều tinh thần nhất, và phải qua nhiều lần bố trí mới tương đối thỏa mãn
các yêu cầu. Đây là một trong những bước quan trọng nhất quyết định sự
thành công của việc thiết kế mạch in và thỏa mãn các yêu cầu thiết kế.
Một bố trí tốt, trước hết phải thỏa mãn các đặc tính thiết kế mạch điện, kế
tiếp là giới hạn về không gian lắp ráp. Khi không có giới hạn về kích thước,
phải bố trí sao cho các linh kiện có mật độ cao nhất, giảm thiểu kích thước,
giảm thiểu chi phí sản xuất.
Để tạo ra mạch in có chất lượng tốt, giá cả hợp lý, gia công nhanh, việc bố
trí mạch in cần tuân thủ các nguyên tắc cơ bản sau:


1. Nguyên tắc đặt linh kiện
- Tuân theo nguyên tắc: Khó trước-dễ sau, lớn trước-nhỏ sau. Trước tiên, bố

trí các IC và bán dẫn chính của mạch.
- Ở điều kiện thông thường, các linh kiện nên được bố trí trên cùng một mặt
của mạch in, chỉ khi mật độ linh kiện tại mặt Top quá cao, mới chuyển một số
linh kiện có chiều cao hạn chế và phát nhiệt ít như: điện trở dán, tụ điện dán,
IC dán …đặt tại mặt Bottom, như trên hình vẽ.
- Với yêu cầu đảm bảo đặc tính điện, các linh kiện nên bố trí tại ô lưới và đặt
song song hoặc thẳng hàng với nhau, để gọn gàng, đẹp. Thông thường,
không cho phép chồng chéo linh kiện, các linh kiện cần được bố trí dày, các
linh kiện đầu vào, đầu ra bố trí cách xa nhau.
- Các linh kiện cùng loại nên bố trí trên cùng hướng X hoặc Y; Các linh kiện có
cực tính cùng loại cũng cần bố trí cùng hướng trên X hoặc Y, giúp bố trí đối
xứng với các mạch cùng cấu trúc trong quá trình sản xuất và điều chỉnh.


-

-

-

-

Tụ lọc nguồn của IC đặt gần chân nguồn của IC nhất có thể, trên nguyên
tắc tần số cao gần nhất, tạo thành đường phản hồi ngắn nhất giữa nguồn
và đất. Các tụ đặt phân bố xung quanh mạch IC.
Khi bố trí linh kiện, tính tới việc bố trí các linh kiện dùng chung nguồn ở gần
nhau, thuận tiện trong việc phân chia nguồn trong về sau.
Giữa một số linh kiện hoặc đường mạch có thể có điện thế tương đối cao,
nên tăng độ cách ly giữa chúng, tránh hiện tượng phóng điện, xuyên tâm
dẫn đến ngắn mạch không mong muốn. Các linh kiện mang điện áp cao

nên bố trí tại vị trí ít động tới trong quá trình điều chỉnh.
Các linh kiện đặt tại biên của bo mạch cách biên bo mạch ít nhất 2 lần độ
dày của bo mạch.
Đối với các linh kiện có trên 4 chân, không thực hiện việc lật chuyển, tránh
xảy ra hiện tượng khi lắp ráp bị nhầm chân linh kiện.
Khoảng cách giữa hai linh kiện chân cắm lớn hơn 2mm, BGA và linh kiện
lân cận lớn hơn 5mm, trở, tụ dán lớn hơn 0.7mm, chân linh kiện dán và lỗ
via lân cận lớn hơn 2mm, linh kiện kết nối không đặt linh kiện khác xung
quanh 5mm, xung quanh mặt hàn tiếp 5mm không đặt linh kiện dán.
Các linh kiện bố trí đều trên bo mạch, mật độ đồng nhất, trọng tâm cân đối.


2. Các nguyên tắc bố trí theo hướng đi tín hiệu:
- Thường căn cứ đường đi tín hiệu từng bước sắp xếp ví trí các đơn nguyên
mạch chức năng, lấy linh kiện quan trọng của mạch chức năng làm trung
tâm, thực hiện bố trí xung quanh nó, cố gắng giảm nhỏ và rút ngắn đường
mạch giữa các linh kiện.
- Bố trí linh kiện nên làm tín hiệu lưu thông, làm tín hiệu giữ nguyên phương
hướng, trong đa số tình huống hướng đi tín hiệu từ trái sang phải, từ trên
xuống dưới, các linh kiện nối với cổng đầu vào, đầu ra nên đặt gần đầu
vào, đầu ra hoặc xung quanh cổng liên kết.
3. Phòng tránh nhiễu điện từ
- Với linh kiện phát xạ điện từ trường tương đối mạnh, và các linh kiện tương
đối nhạy cảm điện từ, tăng khoảng cách giữa chúng hoặc thêm cách ly,
hướng bố trí linh kiện nên vuông góc với đường mạch lân cận.
- Cố gắng tránh lắp hỗn tạp các linh kiện điện áp cao, thấp, bố trí các linh
kiện có tín hiệu mạnh, yếu giao nhau.


-

Đối với linh kiện có thể sinh ra từ trường, như biến áp, điện cảm…khi bố trí
cần chú ý giảm các đường sức điện từ cắt các đường mạch in, hướng từ
trường của các linh kiện cạnh nhau trực giao, giảm ngẫu hợp giữa chúng.
- Đối với các nguồn nhiễu, thực hiện bọc kim. Phần bọc kim phải tiếp đất.
- Với mạch làm việc ở tần số cao, cần tính tới ảnh hưởng tham số phân bố
giữa các linh kiện.
- Đới với các linh kiện có dòng lớn, thường bố trí gần với cổng đầu vào của
nguồn, cần cách xa mạch có dòng nhỏ, và thêm vào tụ lọc.
4. Tạp âm nhiệt mạch in
- Đối với các linh kiện sinh nhiệt, nên ưu tiên đặt tại vị trí thuận lợi tỏa nhiệt,
thường bố trí tại biên của bo mạch, Khi cần có thể bố trí bộ tản nhiệt hoặc
quạt làm mát, để giảm thấp nhiệt độ, giảm ảnh hưởng tới các linh kiện
xung quanh.
- Một số IC tiêu hao công suất lớn, bán dẫn công suất vừa, lớn, điện trở…
cần bố trí tại nơi dễ tỏa nhiệt, và cách ly nhất định với các linh kiện khác.


-

Sensor nhiệt cần đặt sát linh kiện cần đo và cách xa khu vực nhiệt độ cao,
để tránh ảnh hưởng của các linh kiện phát nhiệt khác, dẫn tới sai sót.
- Khi bố trí linh kiện trên hai mặt, mặt Bottom thường không đặt linh kiện phát
nhiệt.
5. Nâng cao độ chắc chắn cơ khí
- Cần chú ý tới cân bằng trọng tâm và ổn định của toàn bộ bo mạch, các linh
kiện lớn và nặng cố gắng đặt gần các cổng cố định của bo mạch, và giảm
thấp trọng tâm, nâng cao độ chắc chắn cơ khí và khả năng chống kéo, rung
xóc.. và giảm hiện tượng võng, biến hình bo mạch.
- Linh kiện có trọng lượng lớn hơn 15 g, không chỉ được gắn bằng hàn, mà

nên có thêm giá kẹp để cố định.
- Để giảm nhỏ thể tích hoặc nâng cao độ chắc chắn cơ khí, có thể thêm bo
mạch bổ trợ, lắp ráp các linh kiện trọng lượng lớn như biến áp, rơ le… đặt
trên bo mạch bổ trợ, sau đó cố định chúng bằng phụ kiện.


-

-

Hình dáng thông thường của bo mạch là hình chữ nhật. Khi kích thước bo
mạch lớn hơn 200x150mm, cần tính tới kết cấu cơ khí và gia cố khung cơ
khí của bo mạch.
Trên bo mạch cần lưu các vị trí lắp ráp, lỗ vít và vị trí dùng để liên kết, cố
định. Hình dưới đây là ví dụ về bố trí của một mạch điện.


6. Bố trí các linh kiện có thể điều chỉnh
Việc bố trí các linh kiện có thể điều chỉnh: biến trở, biến dung, biến cảm
hoặc chuyển mạch… cần tính tới yêu cầu cấu trúc tổng thể. Nếu điều chỉnh
từ bên ngoài, cần bố trí vị trí của nó tương ứng với vị trí của nút điều chỉnh
trên mặt hộp máy. Nếu là điều chỉnh trong, bố trí tại vị trí dễ điều chỉnh.


II. Nguyên tắc đi dây trên PCB

-

Bố trí linh kiện và đi dây là hai công việc liên quan mật thiết với nhau, bố trí
linh kiện tốt, xấu ảnh hưởng trực tiếp tới xác suất đi dây thành công. Việc đi

dây chịu ảnh hưởng của các yếu tố: bố trí linh kiện, lớp mạch in, cấu trúc
mạch điện, các yêu cầu về tính năng điện…, Kết quả đi dây còn chịu ảnh
hưởng trực tiếp của tính năng bo mạch. Khi đi dây, cần tính tới tổng hợp
các yếu tố ảnh hưởng, mới thiết kế ra mạch in chất lượng cao. Các phương
pháp đi dây thường dùng hiện nay là:
Đi dây trực tiếp: Phương pháp đi dây mạch in truyền thống khởi nguồn
sớm nhất từ bo mạch in một mặt. Quá trình của nó là: Đầu tiên đi dây trực
tiếp một hoặc một vài đường mạch quan trọng nhất từ điểm đầu tới cuối.


Sau đó bố trí các mạch kém quan trọng hơn vòng qua các đường mạch
trước đó. Kỹ xảo thông dụng là lợi dụng các đường mạch đi qua linh kiện
để nâng cao hiệu suất đi dây. Các đường mạch không đi dây được có thể
thông qua các đường ngắn mạch ở mặt Top để giải quyết.
- Đi dây trục tọa độ X-Y. Đi dây trục tọa độ X-Y chỉ tất cả các đường mạch
được bố trí trên một mặt mạch in song song với biên của bo mạch in, các
đường dây được bố trí trên mặt liền kề trực giao với chúng. Việc liên kết
giữa các mặt thông qua các lỗ via.
1. Lựa chọn lớp đi dây
Đi dây mạch in có thể sử dụng một mặt, hai mặt hoặc nhiều lớp. Thông
thường, trước tiên sử dụng một mặt, sau đến 2 mặt. Nếu vẫn chưa thỏa
mãn các yêu cầu thiết kết mới tính tới sử dụng bo mạch nhiều lớp.
2. Nguyên tắc về độ rộng đường mạch in
- Độ rộng nhỏ nhất của đường mạch in chủ yếu quyết định bởi bộ bám chắc
giữa đường mạch và lớp nền và dòng điện một chiều qua nó. Với mạch in
bằng đồng dày 0.05mm, độ rộng 1-1.5mm, dòng điện 2A, nhiệt độ tăng
không quá 30C. Do đó, thông thường chọn độ rộng đường mạch xung
quang 1.5mm hoàn toàn có thể đáp ứng yêu cầu.

Đối với mạch IC đặc biệt là các mạch số thông thường chọn 0.2-0.3mm là
đủ. Chỉ cần mật độ cho phép, nên cố gắng sử dụng đường mạch rộng, đặc
biệt là đường nguồn và đất.
- Điện cảm của đường mạch in tỉ lệ thuận với độ dài, tỉ lệ nghịch với độ rộng.
Do đó đường mạch ngắn và rộng là có lợi với nhiễu mạch in.
- Độ rộng đường mạch in thường nhỏ hơn đường kính của chân hàn.
3. Nguyên tắc về khoảng cách giữa các đường mạch in
Khoảng cách nhỏ nhất giữa các đường mạch in do điện trở cách nhiệt và
điện áp phóng điện giữa các đường mạch trong trường hợp xấu nhất quyết
định. Đường mạch càng ngắn, khoảng cách càng lớn điện trở cách nhiệt
càng lớn. Khi khoảng cách giữa các đường mạch là 1.5mm, điện trở cách
nhiệt của nó lớn hơn 20M Ohm, cho phép điện áp là 300V. Khi khoảng cách
giữa các đường mạch là 1mm, cho phép điện áp là 200V. Thông thường,
chọn khoảng cách giữa các đường mạch từ 1-1.5mm hoàn toàn có thể đáp
ứng yêu cầu. Đối với mạch IC, đặc biệt là mạch số, chỉ cần công nghệ cho
phép, có thể làm khoảng cách giữa các đường mạch rất nhỏ.


4. Nguyên tắc thứ tự ưu tiên đi dây
- Nguyên tắc mật độ thưa: Đi dây bằng tay với các linh kiện kết nối đơn giản;
Bắt đầu với các vùng có mật độ đường mạch thưa nhất; Căn cứ trạng thái
cá nhân.
- Nguyên tắc ưu tiên hạt nhân: Nên ưu tiên đi dây các bộ phận hạt nhân như
DDR, RAM…, các đường truyền tín hiệu nên có lớp đi riêng, nguồn, hồi tiếp
đất, và các tín hiệu thứ yếu khác nên chú ý tới tổng thể, không được loại
trừ lẫn nhau với các tín hiệu quan trọng.
- Ưu tiên đường tín hiệu quan trọng: Nguồn, tín hiệu analog nhỏ, tín hiệu tốc
độ cao, tín hiệu đồng hồ, đồng bộ … được ưu tiên đi dây trước.

5. Nguyên tắc đi dây đường mạch quan trọng
Đường mạch quan trọng bao gồm: đường clock, reset và tín hiệu yếu …
- Dùng đường đất để bao vùng clock, đường clock càng ngắn càng tốt; Vỏ
thạch anh phải nối đất; Phía dưới của thạch anh và linh kiện nhạy cảm với
nhiễu không nên đi dây.
- Clock, bus tổng, tín hiệu chọn chip cần cách xa đường mạch I/O và
connector, bộ tạo clock càng gần linh kiện sử dụng clock càng tốt.
- Đường mạch clock dễ sinh ra nhiễu phát xạ điện từ nhất, khi đi dây nên
gần đường hồi tiếp đất, đường clock trực giao với đường I/O nhiễu nhỏ
hơn so với khi song song với đường I/O.
- Đường tín hiệu nhỏ, xung quanh đường tần số thấp không nên tạo thành
vòng dòng điện.
- Đường đầu vào điện áp analog, cổng điện áp tham chiếu nhất định phải cố
gắng để cách xa đường tín hiệu số, đặc biệt là đường tín hiệu clock.


6. Nguyên tắc cơ bản đi dây đường tín hiệu
- Đường mạch vào, ra nên tránh đi song song, giữa các đường tín hiệu song
song cố gắng có khoảng cách đủ lớn, tốt nhất thêm đường đất ở giữa, tạo
tác dụng cách ly.
- Đường mạch ở hai mặt mạch in nên trực giao, đi chéo hoặc vòng, tránh đi
song song, giảm nhỏ ngẫu hợp ký sinh.
- Khi đường tín hiệu có chênh lệch điện áp lớn, cần tăng khoảng cách giữa
các đường mạch; Khi mật độ đường mạch nhỏ, đường mạch có thể to,
khoảng cách giữa các đường mạch tăng lớn hợp lý.
- Cố gắng có lớp riêng cho tín hiệu clock, tín hiệu cao tần, tín hiệu nhạy
cảm .. các tín hiệu quan trọng, đồng thời đảm bảo diện tích đường hồi tiếp
nhỏ nhất. Nêu sử dụng phương pháp đi dây bằng tay ưu tiên, bọc kim và
mở rộng khoảng cách an toàn .. đảm bảo chất lượng tín hiệu.

7. Nguyên tắc bố trí đường đất
- Thông thường, đường đất chung bố trí tại xung quanh bo mạch in, giúp tiếp
đất với giá khi lắp ráp. Giữa đường đất và biên của bo mạch còn lại một
khoảng cách nhất định (không nhỏ hơn độ dầy), nó không chỉ liên quan tới
việc lắp đặt, gia công mà còn nâng cao tính cách ly.
- Trên mạch in, có gắng giữ lại là đồng làm đường đất, giúp cải thiện đặc tính
truyền dẫn và tác dụng cách ly, giảm ảnh hưởng của tụ điện phân bố.
Đường đất không được thiết kế thành đường hồi tiếp kín. Với tín hiệu thấp
tần có thể sử dụng đơn điểm tiếp đất; với tín hiệu cao tần cần tiếp đất gần
và sử dụng phương thức tiếp đất diện tích lớn.


-

-

Nếu trên mạch in có linh kiện có dòng lớn, như rơ le, loa … đường đất của
chúng tốt nhất là được đi riêng, giảm tạp âm của đất.
Nguồn của mạch tương tự và mạch số, đường đất nên bố trí riêng, giúp
giảm thiểu nhiễu lần nhau giữa mạch tương tự và mạch số. Để tránh việc
dòng điện của phần mạch số thông qua đường đất sinh ra nhiễu với phần
mạch tương tự, thường sử dụng phương pháp chia cắt đường đất giúp các
đường đất của từng bộ phận tạo thành đường hồi tiếp, sau đó mới nối với
đất chung. Ví dụ như trên hình, phần đất của mạch số và tương tự là riêng.
Để đảm bảo tính hoàn chỉnh của tín hiệu, tại cổng nguồn, thông qua điện trở
0 Ohm hoặc cuộn cảm nhỏ để nối với đất chung.
Nguyên tắc mạch vòng nhỏ nhất: Diện tích vòng do đường tín hiệu và
đường hồi tiếp đất tạo thành cần nhỏ nhất có thể, diện tích vòng càng nhỏ,
phát xạ ra ngoài càng nhỏ, nhiễu thu từ bên ngoài cũng càng nhỏ, như trong

hình trang trước. Đối với nguyên tắc này, khi phân chia mặt tiếp đất, cần tính
tới phân bố của đường tín hiệu quan trọng và mặt tiếp đất; với thiết kế hai
lớp, trong tình huống cần lưu lại không gian đủ cho nguồn điện, thông
thường phủ đất với phần còn dư lại, ngoài ra còn thêm vào một số via, giúp
liên kết tín hiệu ở hai mặt, đối với các đường tín hiệu quan trọng, sử dụng
đường đất cách ly.


8. Nguyên tắc cách ly tín hiệu
- Khi linh kiện trên bo mạch in cần bọc kim cách ly, có thể chụp bọc kim bên
ngoài linh kiện, ở mặt đối diện phía dưới ứng với vị trí linh kiện cũng chụp
lên một chụp bọc kim dẹt (hoặc tấm kim loại), liên kết hai chụp bọc kim này
với đất. Theo đó tạo lên hộp bọc kim hoàn chỉnh.
- Đường mạch in nếu cần cách ly, khi yêu cầu không cao, có thể sử dụng
cách ly đường mạch in. Đối với bo nhiều lớp, thường sử dụng qua lớp
nguồn và lớp đất, vừa giải quyết vấn đề đi dây đường nguồn, đường đất,
vừa thực hiện cách ly đường tín hiệu.


-

Đối với một số tín hiệu quan trọng, như tín hiệu clock, tín hiệu đồng bộ hoặc
tín hiệu tần số cao, nên tính tới việc sử dụng cách ly đường bao hoặc phủ
đồng, sử dụng đường đất để cách ly trái phải, trên dưới đường mạch, đồng
thời cũng tính đến việc liên kết đất cách ly với đất thực như trên hình vẽ.


9. Nguyên tắc khống chế độ dài đường mạch
Nguyên tắc khống chế độ dài đường mạch là nguyên tắc đường ngắn, khi
thiết kế nên cố gắng co ngắn đường mạch, giảm nhiễu do độ dài đường

mạch gây ra, như hình dưới đây.
Đặc biệt là các đường tín hiệu quan trọng, như đường clock, bắt buộc đặt
bộ dao động gần với linh kiện sử dụng clock. Khi cấp clock cho nhiều linh
kiện thì căn cứ tình huống cụ thể.


10. Nguyên tắc bẻ góc
Trong thiết kế PCB, tránh tạo ra góc nhọn hoặc góc vuông, sinh ra phát xạ
không cần thiết, đồng thời tính năng công nghệ cũng không tốt. Các góc
giữa các đường nên >=1350 . Như trong hình dưới đây.


11. Nguyên tắc bố trí tụ lọc
Bố trí tụ lọc có thể chế áp nhiễu sinh ra do biến đổi tải, là phương pháp
thường dùng trong thiết kế mạch in, các nguyên tắc bố trí như sau:
- Cổng vào nguồn điện nối với tụ hóa10-100uF, nếu không gian bo mạch in
cho phép, sử dụng tụ hóa trên 100uF cho hiệu quả chống nhiễu càng tốt.
- Với mỗi IC nối một tụ gốm 0.01uF. Nếu không gian không cho phép, 4-10 IC
nối một tụ 1-10uF.
- Với các linh kiện chống nhiễu kém, dòng điện đóng ngắt biến đổi lớn như
ROM, RAM .. các linh kiện nhớ, có tụ lọc trực tiếp đường nguồn.
- Dây nối tới tụ lọc nguồn không được quá dài, đặc biệt là tụ gần đường cao
tần.
Bố trí tụ lọc và phương thức đi dây nguồn ảnh hưởng trực tiếp tới độ ổn
định của toàn hệ thống, đôi khi ảnh hưởng tới thành bại của thiết kế, cần bố
trí hợp lý như trên hình sau.



12. Nguyên tắc đi dây cơ bản với mạch cao tần

- Trong mạch cao tần, IC nên có tụ cách ly cao tần, vừa đảm bảo đường nguồn
không chịu ảnh hưởng nhiễu các tín hiệu khác, vừa lọc trừ xuống đất nhiễu do
tự thân sinh ra, phòng trừ nhiễu thông qua các đường khác (không gian hoặc
nguồn) truyền đi.
- Đường nối ra của đường cao tần nên là đường thẳng, nếu cần phải chuyển
hướng, dùng đường 45 độ hoặc vòng cung, như vậy sẽ giảm nhỏ phát xạ tín
hiệu cao tần ra bên ngoài và ghép tương hỗ. Đường nối giữa các chân càng
ngắn càng tốt, các lỗ via giữa các lớp càng ít càng tốt.
13. Nguyên tắc phân tầng, phân khu bố trí linh kiện
- Để tránh can nhiễu lẫn nhau giữa các bộ phận làm việc tại các tần số khác
nhau, đồng thời giảm ngắn đường mạch của bộ phận cao tần, thông thường
bố trí phần cao tần ở gần cổng và giảm ngắn đường mạch, đương nhiên việc
bố trí như thế này cũng cần tính tới tín hiệu thấp tần chịu nhiễu, đồng thời còn
tính tới vấn đề phân chia đất của phần cao/thấp tần. Thông thường chia đất
riêng cho hai phần rồi nối với nhau tại cổng connector.
- Đối với mạch A/D mix, bo mạch nhiều lớp, cũng phân chia bố trí phần số và
tương tự tại hai mặt của bo mạch, dùng các lớp đi dây khác nhau, ở giữa là
lớp nguồn và đất để cách ly.