Hướng dẫn làm mạch in thủ công Informational, Transactional năm 2024

Trình bày hoàn chỉnh quy trình làm mạch in thủ công và các kinh nghiệm trong quá trình thiết kế, thi công mạch. Qua đó hoàn thiện kĩ năng bản thân, cũng như các thành viên khác trong nhóm thiết kế mạch để phục vụ cho công việc và học tập.

1.2. Thiết kế mạch

Là giai đoạn quan trọng nhất trong toàn bộ quá trình, việc thiết kế mạch sẽ quyết định sản phẩm làm ra có đúng với những ý tưởng, yêu cầu của người giao thiết kế hay không. Giai đoạn thiết kế mạch cần có các bước sau đây:

• Phân tích các yêu cầu kĩ thuật của mạch.
• Lựa chọn linh kiện phù hợp.
• Vẽ thư viện linh kiện.
• Vẽ mạch PCB.
• Xuất file PDF.

1.2.1. Phân tích các yêu cầu kĩ thuật của mạch

Công việc thiết kế mạch bắt đầu bằng việc nắm rõ yêu cầu kĩ thuật của người giao thiết kế. Thông thường là các yêu cầu về chức năng, hình thức.

1. Yêu cầu chức năng

Mạch cần thiết kế sẽ có các yêu cầu chức năng và được phân chia theo từng khối chức năng, người thiết kế cần nắm rõ chức năng của từng khối và đặc tính thông số của những linh kiện quan trọng.

Một số khối chức năng đơn giản sẽ do người thiết kế mạch trực tiếp thiết kế. Ví dụ: khối nguồn, các khối thực hiện lệnh như relay, còi v.v. Đối với các khối này, cần nắm rõ nguyên lí mạch, tính toán chọn lựa linh kiện sao cho phù hợp với yêu cầu.

1. Yêu cầu phi chức năng

Các yêu cầu về hình thức có thể là quy định về kích thước mạch, vị trí của các connector, cọc đồng, nút ấn, led báo hay màn hình v.v.

Ngoài các yêu cầu của người giao công việc, người thiết kế cũng nên tự đặt ra yêu cầu cho mình. Ví dụ: hình thức mạch phải đẹp, đi dây gọn gàng, hiểu nguyên lí của mỗi khối chức năng v.v. Những điều này sẽ giúp người vẽ mạch hoàn thiện hơn kĩ năng của mình, giải quyết được các tình huống khó khăn như khi cần lựa chọn giải pháp thiết kế, sửa lỗi khi mạch chạy sai v.v.

1.2.2. Lựa chọn linh kiện

Ngoài các linh kiện quan trọng do người giao việc yêu cầu. Người thiết kế sẽ phải tự chọn lựa các linh kiện còn lại.

Chọn lựa linh kiện cho mạch cần có những tiêu chí sau:

• Thông số, chức năng của linh kiện.
• Mục đích sử dụng cho mạch.
• Nguồn, giá cả.
• Tiêu chí thông số, chức năng

Linh kiện chọn lựa phải phù hợp với thông số, chức năng yêu cầu. Để chọn lựa dễ dàng, đầu tiên cần tìm kiếm linh kiện theo chức năng, đọc datasheet để biết các thông số chi tiết và lựa chọn. Với những linh kiện chưa nắm rõ, phải hỏi lại người có kinh nghiệm thường là người giao công việc để hỗ trợ việc chọn lựa.

1. Mục đích sử dụng cho mạch

Đối với các mạch test, nên tái sử dụng linh kiện cũ còn hoạt động để tiết kiệm. Hạn chế tối đa việc sử dụng các linh kiện mới gây thất thoát, lãng phí, ô nhiễm môi trường. Các linh kiện cũ có thể tháo ra từ các board hỏng hoặc không sử dụng.

Với các mạch demo, nên sử dụng các linh kiện có hình thức tốt hoặc linh kiện mới. Việc sử dụng các linh kiện tồi sẽ làm mất tính ổn định cho mạch, phát sinh các lỗi khó phát hiện khi linh kiện hoạt động không đúng.

1. Nguồn, giá cả (đối với các linh kiện chưa có sẵn)

Đối với các linh kiện chưa có sẵn cần lựa chọn đơn vị cung cấp, giá cả để có phương án mua phù hơp.

1.2.3. Vẽ thư viện linh kiện

Khi đã chọn lựa linh kiện, đối với các linh kiện chưa có sẵn cần tạo thư viện cho chúng.

Do đặc điểm kĩ thuật của mạch in thủ công khác với mạch đi đặt. Nên nhưng yêu cầu khi vẽ thư viện linh kiện cho mạch in thủ công cũng sẽ khác với thư viện thông thường. Vì vậy nên tạo và sử dụng thư viện riêng khi vẽ mạch thủ công.

Về cơ bản việc vẽ thư viện làm mạch in thủ công sẽ giống với thư viện thông thường. Nhưng do đặc tính của mạch thủ công là dễ bong via, dư đồng khi rửa mạch không sạch nên thư viện linh kiện sẽ có thêm các yêu cầu sau:

• Kích thước hole linh kiện bằng hoặc lớn hơn 0,1 – 0,2 mm so với thực tế tùy theo số lượng chân trên linh kiện.
• Đối với linh kiện cơ bản kích thước pad bằng 220 – 250% kích thước hole.
• Đối với các chân linh kiện phải chịu lực kích thước pad 240 – 300% kích thức hole.
• Khoảng cách tối thiểu giữa 2 pad là 18mil.
• Ưu tiên khoảng cách giữa 2 pad rồi đến kích thước pad.
• Nên để pad hình oval trong các tình huống cần vẽ linh kiện có 2 chân sát cạnh nhau.

1.2.4. Vẽ mạch PCB

1. Vẽ mạch nguyên lí

Mạch nguyên lí trên altium cần chuẩn xác với sơ đồ nguyên lí nhận được về linh kiện, thông số, cách đi dây. Thông thường sơ đồ nguyên lí nhận được sẽ là file mô phỏng trên proteus vì vậy một số chân linh kiện như VCC, GND v.v. sẽ không có trong sơ đồ nguyên lí. Người vẽ cần phải chú ý các chân này.

Khi có bất kì vướng mắc gì về sơ đồ nguyên lí nên liên hệ với người giao việc để giải quyết.

1. Sắp xếp linh kiện

Quá trình sắp xếp linh kiện là bước rất quan trọng trong vẽ mạch PCB. Việc sắp xếp linh kiện hợp lí sẽ giúp việc đi dây dễ dàng, mạch gọn gàng và thẩm mĩ hơn.

Thông thường một mạch nguyên lí sẽ có nhiều khối chức năng. Vì vậy cần sắp xếp linh kiện theo từng khối để thuận tiện cho việc quản lí và đi dây. Việc sắp xếp các connector, nút bấm, đèn báo v.v. cần phải chú ý các yêu cầu của người giao công việc.

Có thể sắp xếp linh kiện phía dưới các linh kiện khác. Ví dụ: Khoảng trống phía dưới LCD v.v.

Hình 1: Linh kiện xếp phía dưới màn LCD

Đối với mạch chứa cả 2 loại linh kiện dán và cắm. Đặt các linh kiện dán lên mặt Top Layer. Các linh kiện cắm lật xuống mặt dưới bằng tổ hợp phím E M I.

1. Đi dây

Mạch thủ công sử dụng là loại mạch một lớp. Vì vậy người vẽ chỉ được đi dây trên lớp cùng với câu dây để thực hiện quá trình đi dây.

Do đặc điểm của mạch thủ công nên việc đi dây có thêm các yêu cầu sau:

• Độ rộng dây tối thiếu là 15mil. Thông thường là từ 20 – 30mil. Các dây nguồn có thể để lớn hơn.
• Một số trường hợp đặc biệt phải đi dây nhỏ hơn tùy theo kích thước linh kiện.
• Hạn chế tối đa việc đi dây giữa hai chân linh kiện gần nhau đặc biệt là chân của vi điều khiển. Trong các trường hợp này có thể giải quyết bằng phương án câu dây.
• Để câu dây, vẽ hai pad có kích thước hole là 0,5mm, trong phần properties chọn tên Net chính là tên dây cần đi. Đi dây qua 2 Pad để máy không báo lỗi.
• Đặt luật đi dây tùy thuộc theo các yêu cầu trên. Luật khoảng cách tối thiểu giữa hai dây là 20mil.
• Việc đi dây phải thực hiện 100%. Dây GND cùng phải đi dây giống như các dây khác.
• Một số linh kiện có 2 chân thông nhau như nút ấn v.v. có thể tận dụng các chân này để hạn chế câu dây.
• Có thể đảo dây tại một số chân GPIO của vi điều khiển nhưng phải hỏi ý kiến của người lập trình.

Hình 2: Một số vị trí câu dây

Lưu ý khi đổ đất:

• Nên lựa chọn đổ đất theo dây GND.
• Trong cửa sổ tùy chọn, phần Fill mode tích chọn Hatch để đổ đất dạng lưới.
• Điền các thông số về ô lưới tại phần Track width và Grid size.
• Trong phần Net options tích chọn Remove Dead Copper để xóa bỏ các vùng vô nghĩa.

Hình 3: Các tùy chọn khi đổ đất

1.2.5. Xuất file PDF

Để xuất file PDF cần lưu ý các bước sau:

• Ấn tổ hợp phím F U để mở cửa số Conposite properties.
• Lựa chọn khổ giấy, chiều giấy tại phần Printer paper.
• Phần Scale mode, chọn Scaled print. Nhập vào 1 tại ô Scale.
• Phần Color set, tích chọn Mono.
• Nhấp Advanced để mở bảng chọn PCB printout properties.
• Bỏ chọn các lớp khác, chỉ giữ lại các lớp Top/Botton layer, Multi layer, Keep-out layer.
• Tích chọn hole.
• Đối với mạch cần in lớp Top layer tích chọn mirror. Mạch in lớp Botton layer thì bỏ chọn miror.

Hình 4: Các tùy chọn xuất file PDF

1.3. Thi công mạch

Giai đoạn này đòi hỏi sự cẩn thận, tỉ mỉ của người làm mạch. Các bước cần thực hiện:

• In mạch từ file PDF sang giấy in.
• Cắt phíp đồng.
• In chuyển nhiệt từ giấy xuống phíp đồng.
• Ăn mòn mạch.
• Khoan lỗ.
• Vệ sinh và xử lí chống oxy hóa.
• Hàn mạch.

1.3.1. In mạch từ file PDF sang giấy in

Những lưu ý:

• Sử dụng giấy in nhiệt vàng, in mạch lên mặt nilon trơn bóng của giấy.
• Không được gập bản in.
• Đặt bản in vào hộp to khi chưa sử dụng hoặc khi cần di chuyển.
• Tránh mọi tác động bên ngoài có thể khiến mực in bị bong.

1.3.2. Cắt phíp đồng

Công việc cắt phíp đồng có thể gây nguy hiểm cho người cắt. Các bước cần thực hiện và những lưu ý khi cắt phíp đồng:

• Đo kích thước mạch in trên Altium.
• Lựa chọn phíp đồng, tránh những vị trí phíp đồng bị sứt, xước gây ảnh hưởng tới đường mạch.
• Kẻ và cắt phíp đồng lớn hơn kích thước mạch 0,5 – 0,8cm.
• Sử dụng máy cắt mạch với lưỡi cắt gỗ.
• Đưa mắt cắt ra vị trí thoáng mát, không được cắt mạch trong phòng.
• Đeo kính bảo hộ trước khi cắt.
• Đưa mạch đúng chiều lưỡi cắt.
• Nẹp thước để đường cắt thẳng và hạn chế tai nạn.

1.3.3. In chuyển nhiệt

Trước khi in chuyển nhiệt cần loại bỏ vết bẩn và lớp oxy hóa trên bề mặt phíp đồng bằng búi ráp sắt. Trong quá trình in chuyển nhiệt cần lưu ý một số điều sau:

• Ốp bản in chuẩn xác lên phíp đồng, phần giấy thừa gói theo mép tấm phíp đồng cố định giấy in đảm bảo không thể xê dịch.
• Lựa chọn mặt phẳng để ủi, nên chọn mặt phẳng là gỗ tránh các mặt phẳng phủ nhựa, kính.
• Chọn nhiệt độ bàn ủi cao nhất, ủi mạch bắt đầu từ trong ra các mép.
• Ủi đều tất cả các vị trí, thời gian ủi mạch từ 7 – 8 phút.
• Để nguội mạch trước khi bóc giấy in.
• Bóc giấy thật chậm, nếu có dấu hiệu bị đứt mạch cần gói mạch và ủi lại.
• Kiểm tra lại các đường mạch sau khi bóc, vẽ các đường mạch đứt bằng bút dầu.

1.3.4. Ăn mòn mạch

Những lưu ý khi ăn mòn mạch bằng hóa chất:

• Chọn khay rửa mạch bằng nhựa hoặc thủy tinh, kích cỡ khay phải vừa với mạch.
• Chuẩn bị lượng hóa chất vừa đủ, đổ vào khay cẩn thận tránh vương vãi.
• Thả mạch nhẹ nhàng ngập hoàn toàn trong hóa chất ăn mòn.
• Lắc nhẹ nhàng và quan sát mạch thường xuyên.
• Quá trình ăn mòn mạch kéo dài từ 7 – 15 phút tùy theo kích thước mạch in, nồng độ hóa chất.
• Nếu thời gian kéo dài cần pha thêm hóa chất rồi tiếp tục ăn mòn.
• Cuối quá trình ăn mòn dễ xảy ra hiện tượng bong mực in tại các đường mạch nhỏ. Vì vậy cần tránh tác động mạnh tới mạch.

1.3.5. Khoan lỗ

Những lưu ý:

• Vệ sinh sạch mực in trước khi khoan bằng nước rửa mạch.
• Sử dụng đèn bàn để chiếu sáng khi khoan mạch.
• Chọn mũi khoan đúng theo bản thiết kế.
• Lắp mũi khoan chính xác, điều chỉnh để mũi khoan không còn rung lắc.
• Kiểm tra lại các lỗ chưa khoan.

1.3.6. Hàn mạch

Quá trình hàn mạch đối với mạch in thủ công khá giống với hàn mạch thông thường. Bắt đầu hàn với các linh kiện cắm sau đó hàn tới linh kiện dán. Chú ý hàn đúng vị trí chân linh kiện với lượng thiếc vừa đủ. Lượng thiếc thừa khi hàn mạch sẽ bám lên các vị trí khác trên mạch gây mất thẩm mĩ và tăng nguy cơ chập mạch.

1.3.7. Xử lí mạch chống oxy hóa

Mạch in thủ công khi tiếp xúc với môi trường trong thời gian ngắn sẽ xảy ra hiện tượng oxy hóa. Điều này gây ảnh hưởng tới thẩm mĩ và khả năng làm việc của mạch. Để khắc phục cần quét một lớp nhựa thông ngay sau khi hàn mạch xong. Quá trình thực hiện có một số lưu ý sau: