Tài liệu Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mạch điện tử tốc độ cao sử dụng công nghệ mạch đa lớp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mạch điện tử tốc độ cao sử dụng công nghệ mạch đa lớp ĐỖ VĂN ĐẠI [email protected] Ngành Kỹ thuật Điện tử Giảng viên hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Xuân Quyền Trường: Điện- Điện tử HÀ NỘI, 11/2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mạch điện tử tốc độ cao sử dụng công nghệ mạch đa lớp ĐỖ VĂN ĐẠI [email protected] Ngành Kỹ thuật Điện tử Giảng viên hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Xuân Quyền Trường: Điện- Điện tử ----------------------Chữ ký của GVHD HÀ NỘI, 11/2022 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên tác giả : ĐỖ VĂN ĐẠI Đề tài luận văn : Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mạch điện tử tốc độ cao sử dụng công nghệ mạch đa lớp Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử Mã số HV : 20202739M Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 07/10/2022 với các nội dung sau: • Đánh số thứ tự các công thức quan trọng, bổ sung tài liệu tham khảo để dẫn chứng cho những công thức trình bày. • Chỉnh sửa lại kích thước hình ảnh, căn lề và vị trí hình ảnh cân đối. • Thống nhất lại cách sử dụng đơn vị đo, sử dụng chung đơn vị mil cho các công thức tính toán và thao tác phần mềm, sử dụng đơn vị mm cho các phép đo đạc. Có giải thích và quy đổi các đơn vị cần thiết. • Thay tên gọi Tiểu kết thành các Kết luận chương. • Chỉnh sửa lại phần Kết luận chi tiết hơn theo mẫu viết Luận văn do Trường quy định. • Sửa lại các lỗi chỉnh tả được các Cán bộ phản biện nhận xét • Chỉnh sửa lại câu văn theo văn phong khoa học, tránh sử dụng các từ ngữ cảm thán, sáo rỗng. Ngày 28 tháng 10 năm 2022 Giảng viên hướng dẫn Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, em luôn nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ tận tình của các thầy, cô giáo trong Viện Điện tử Viễn thông cùng với sự động viên, đồng hành của gia đình, bạn bè và đồng nghiệp. Em xin chân thành cảm ơn PGS. TS. Nguyễn Xuân Quyền đã nhiệt tình chỉ dạy và hỗ trợ em để em có thể hoàn thiện được các chuyên đề nghiên cứu cùng với luận văn này. Em xin kính chúc thầy có được nhiều sức khỏe, hạnh phúc, may mắn và gặt hái được nhiều thành công hơn nữa trong sự nghiệp trồng người. Em cũng xin gửi lời tri ân sâu sắc tới ThS. Nguyễn Việt Anh - người thầy đã tận tâm chỉ dạy em từ những ngày đầu tiên khi em lựa chọn ngành Điện tử- Viễn thông, đã giúp đỡ em rất nhiều về cả kiến thức cũng như hành trang cho công việc và cuộc sống. Em luôn luôn khắc ghi những bài học và công ơn dạy dỗ của thầy. Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã cùng em chia sẻ những niềm vui, nỗi buồn, áp lực trong cuộc sống cũng như trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Xin chân thành cảm ơn tất cả mọi người! TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Bảng mạch điện tử là thành phần quan trọng không thể thiếu trong các thiết bị sử dụng điện hiện nay. Theo xu thế phát triển chung của ngành Điện- Điện tử, các thiết bị điện tử ngày càng có tốc độ nhanh hơn, hiệu suất cao hơn và tiết kiệm năng lượng hơn. Chính vì thế mà nhiều sản phẩm ứng dụng mạch điện tử tốc độ cao ra đời. So với các mạch điện tử thông thường, mạch điện tử tốc độ cao có những đặc thù riêng khiến việc thiết kế cũng có những điểm cần phải lưu ý. Một cách đơn giản nhất chúng ta có thể hiểu rằng, tốc độ càng cào thì càng dễ sinh ra nhiễu, sai lệch tín hiệu truyền tải…Vì vậy cần phải có những phương pháp thiết kế đặc biệt để đảm bảo sản phẩm hoạt động chính xác và ổn định trong thời gian dài. Luận văn Thạc sĩ với đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mạch điện tử tốc tộ cao sử dụng công nghệ mạch đa lớp” sẽ tập trung vào năm vấn đề chính: Nghiên cứu chuyên sâu về PCB (Lịch sử ra đời, quá trình phát triển, cấu trúc, nguyên lý hoạt động, phân loại…), nghiên cứu về quy trình sản xuất PCB nhiều lớp, trình bày về các vấn đề tương thích điện tử, phát xạ điện từ cũng như chống nhiễu cho bảng mạch in, trình bày về các kỹ thuật thiết kế PCB tốc độ cao (Kỹ thuật Length matching, length tuning, differential pair routing, xSignal…). Cuối cùng là thực hiện một dự án mẫu trên phần mềm thiết kế và mô phỏng để chứng minh hiệu quả của các phương pháp thiết kế đã trình bày. Các vấn đề sẽ lần lượt được giải quyết bằng quá trình tìm hiểu và nghiên cứu một cách khách quan, nghiêm túc. Kết quả nghiên cứu được tổng hợp và đúc kết lại thành những kiến thức, kỹ năng và được áp dụng trực tiếp vào một sản phẩm thiết kế thực tiễn. Đối với các thiết kế phần cứng, phần mềm được sử dụng là Altium Designer 21. Đây là một phần mềm rất mạnh trong thiết kế mạch in, đồng thời hỗ trợ cho nhiều trình mô phỏng khác nhau. Đối với các bài mô phỏng về toàn vẹn tín hiệu (SI), toàn vẹn năng lượng (PI), tương thích điện từ (EMC), phát xạ điện từ (EMI) hay các mô phỏng về nhiệt, phần mềm được sử dụng là Metor Graphic HyperLynx. Phần mềm được phát triển bởi hãng Siemens. Kết quả cuối cùng mà luận văn hướng đến là tổng hợp và đúc kết lại những kiến thức, hiểu biết về lĩnh vực thiết kế PCB tốc độ cao, những kỹ thuật mà người thiết kế cần có để đảm bảo sản phẩm sau quá trình sản xuất có thể vận hành một cách chính xác, hiệu quả, đồng thời kết quả mô phỏng sẽ là minh chứng tính đúng đắn của những kiến thức nêu trên. Luận văn cũng mở ra nhiều hướng nghiên cứu sâu rộng hơn cho lĩnh vực thiết kế phần cứng. Còn rất nhiều những vấn đề mà chúng ta có thể gặp phải trong quá trình thiết kế và vận hành các sản phẩm điện tử. Tốc độ cao hơn, hiệu năng tốt hơn, tiêu thụ năng lượng ít hơn… chính là đích đến cho những sản phẩm điện tử trong tương lai. Học viên (Ký và ghi rõ họ tên) MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................................... i DANH MỤC BẢNG BIỂU ..............................................................................................ii DANH MỤC HÌNH VẼ ..................................................................................................iii CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠCH IN VÀ MẠCH IN TỐC ĐỘ CAO ............. 1 1.1 Khái quát về mạch in ............................................................................................. 1 1.1.1 Khái niệm ........................................................................................................ 1 1.1.2 Cấu trúc cơ bản ................................................................................................ 2 1.1.3 Nguyên lý hoạt động của PCB ........................................................................ 5 1.1.4 Phân loại bảng mạch in ................................................................................... 6 1.2 Sự ra đời và phát triển của mạch in điện tử ....................................................... 14 1.2.1 Lịch sử hình thành và quá trình phát triển ..................................................... 14 1.2.2 Sự ra đời của máy tính điện tử và các phần mềm CAD ................................ 19 1.3 Sơ lược về mạch in tốc độ cao ............................................................................. 19 1.4 Kết luận chương ................................................................................................... 21 CHƯƠNG 2. QUY TRÌNH SẢN XUẤT MẠCH IN NHIỀU LỚP ............................ 22 2.1 Các bước chuẩn bị cho sản xuất ......................................................................... 22 2.1.1 Chuẩn bị nguyên vật liệu ............................................................................... 22 2.1.2 Chuẩn bị dữ liệu đầu vào ............................................................................... 24 2.2 Các bước trong quy trình sản xuất ...................................................................... 25 2.2.1 Tạo mạch lớp trong ....................................................................................... 25 2.2.2 Ép lớp ............................................................................................................ 30 2.2.3 Khoan lỗ (Khoan NC) ................................................................................... 32 2.2.4 Mạ đồng......................................................................................................... 35 2.2.5 Tạo mạch lớp ngoài ....................................................................................... 37 2.2.6 Phủ sơn và in ấn ............................................................................................ 39 2.2.7 Kiểm tra và thao tác cơ khí............................................................................ 42 2.3 Kết luận chương ................................................................................................... 42 CHƯƠNG 3. TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ VÀ KIỂM SOÁT NHIỄU TRONG THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ ............................................................................................................. 43 3.1 Tương thích điện từ và phát xạ điện từ .............................................................. 43 3.1.1 Khái niệm về tương thích điện từ ................................................................. 43 3.1.2 Vấn đề nhiễu điện từ và phát xạ điện từ ....................................................... 44 3.1.3 Cơ chế ghép nối trong lan truyền nhiễu điện từ ........................................... 47 3.1.4 Tiêu chuẩn quốc tế về tương thích điện từ .................................................... 47 3.2 Kiểm soát và chống nhiễu trong thiết kế mạch điện tử...................................... 51 3.2.1 Khái niệm về nhiễu board mạch. .................................................................. 51 3.2.2 Nguyên nhân gây nhiễu trên PCB ................................................................ 51 3.2.3 Phương pháp giải quyết nhiễu board mạch .................................................. 55 3.3 Kết luận chương .................................................................................................. 59 CHƯƠNG 4. CÁC KỸ THUẬT TRONG THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ TỐC ĐỘ CAO ......................................................................................................................................... 61 4.1 Các kỹ thuật chung trong thiết kế mạch in tốc độ cao ....................................... 61 4.1.1 Kỹ thuật Via Stitching và Via Shielding ....................................................... 62 4.1.2 Bổ sung tụ điện decoupling và bypass .......................................................... 63 4.1.3 Vấn đề đường hồi tín hiệu ............................................................................ 65 4.2 Kỹ thuật kiểm soát trở kháng .............................................................................. 67 4.2.1 Khái niệm trở kháng đặc tính ....................................................................... 67 4.2.2 Ảnh hưởng của gián đoạn trở kháng ............................................................. 71 4.2.3 Phương pháp thiết kế kiểm soát và duy trì trở kháng ................................... 72 4.3 Kỹ thuật Length matching và Length tuning ..................................................... 78 4.3.1 Khái niệm đối sánh và điều chỉnh độ dài ...................................................... 79 4.3.2 Các kiểu đối sánh độ dài ............................................................................... 79 4.4 Kỹ thuật định tuyến cặp tín hiệu vi sai ............................................................... 83 4.4.1 Khái niệm cặp tín hiệu vi sai ........................................................................ 83 4.4.2 Một số lưu ý trong định tuyến ...................................................................... 84 4.5 Kỹ thuật xSignal trong Altium ............................................................................ 85 4.6 Kết luận chương .................................................................................................. 86 CHƯƠNG 5. THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG MÁY TÍNH NHÚNG SỬ DỤNG MẠCH ĐIỆN TỐC ĐỘ CAO ............................................................................................................. 87 5.1 Lý thuyết tổng quát về SDRAM DDR3 ............................................................... 87 5.1.1 Khái niệm về RAM, DRAM, SRAM và SDRAM ....................................... 87 5.1.2 Khái niệm về chuẩn SDRAM DDR3............................................................ 88 5.1.3 Các khái niệm quan trọng khác ..................................................................... 89 5.2 Xây dựng sơ đồ nguyên lý cho sản phẩm ............................................................ 91 5.2.1 Sơ đồ DRAM on Module .............................................................................. 91 5.2.2 Sơ đồ DRAM on Board ................................................................................. 92 5.2.3 Các lưu ý khi thiết kế nguyên lý.................................................................... 93 5.3 Thiết kế mạch in cho sản phẩm ........................................................................... 95 5.3.1 Tìm hiểu về các cấu trúc liên kết định tuyến DDR3 ..................................... 95 5.3.2 Thiết lập cấu trúc lớp bảng mạch .................................................................. 96 5.3.3 Đặt luật Layout cho bảng mạch ..................................................................... 98 5.3.4 Quy trình định tuyến và kết nối các đường dây tốc độ cao ......................... 101 5.4 Mô phỏng thiết kế máy tính nhúng ................................................................... 103 5.4.1 Mục đích mô phỏng..................................................................................... 103 5.4.2 Các đối tượng và tiêu chí mô phỏng ........................................................... 104 5.4.3 Quy trình mô phỏng .................................................................................... 107 5.4.4 Kết quả mô phỏng ....................................................................................... 108 5.5 Kết luận chương ................................................................................................. 109 KẾT LUẬN ................................................................................................................... 110 Kết luận chung ......................................................................................................... 110 Hướng phát triển ...................................................................................................... 111 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 112 PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 114 Phụ lục 1: Đối sánh độ dài cho đường xung Clock................................................ 115 Phụ lục 2: Đối sánh độ dài cho các đường ADDR/CTRL/CMD ........................... 116 Phụ lục 3: Đối sánh độ dài cho các đường Data .................................................... 117 Phụ lục 4: Kết quả mô phỏng Data Write ............................................................... 120 Phụ lục 5: Kết quả mô phỏng Data Read................................................................ 123 Phụ lục 6: Kết quả mô phỏng các đường Address, Comand, Control ................... 125 Phụ lục 7: Kết quả mô phỏng các đường tín hiệu vi sai ........................................ 128 Phụ lục 8: Kết quả mô phỏng sự bắt cặp giữa các cặp vi sai với xung clock ........ 129 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Nghĩa tiếng Anh Từ viết tắt PCB Nghĩa tiếng Việt Printed Circuit Board Bảng mạch in PP Prepreg Tấm cách điện cho PCB CF Copper Foil Lá đồng trong sản xuất PCB CCL Copper Clad Laminated Tấm lõi trong sản xuất PCB FPC Flexible Printed Circuit Mạch in dẻo EMC Electromagnetic compatibility Khả năng tương thích điện từ EMI Electromagnetic interference Khả năng phát xạ điện từ EMS Electro Magnetic Susceptibility Khả năng miễn nhiễm điện từ SI Signal Integrity Toàn vẹn tín hiệu PI Power Integrity Toàn vẹn năng lượng ESR Equivalent Series Resistance Điện trở nối tiếp tương đương ESL Equivalent series Inductance Điện cảm nối tiếp tương đương Altium Designer 18 Phần mềm thiết kế mạch điện tử Input/Output Ngõ vào/ra Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên AD18 I/O RAM Dynamic Memory SDRAM Synchronous Dynamic Random Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động Access Memory đồng bộ MPU Random Access Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động DRAM Microprocessor Unit Bộ vi xử lý i DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3-1 Điện trở suất của một số kim loại .......................................................... 54 Bảng 4-1 Trở kháng đặc tính của một số phương thức giao tiếp .......................... 74 Bảng 5-2 Giá trị setup time và hold time ở tốc độ 1066MT/s ............................ 105 Bảng 5-3 Các giá trị overshoot và undershoot cho các đường CTRL và ADD .. 105 Bảng 5-4 Các giá trị overshoot và undershoot cho các đường CK, DQ, DQS, DM ..................................................................................................................................... 106 ii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1 Hình ảnh bảng mạch in sau chế tạo ..........................................................1 Hình 1-2 Hình ảnh mạch in sau hoàn thiện lắp ráp .................................................2 Hình 1-3 Cấu trúc của bảng mạch in 1 lớp ..............................................................3 Hình 1-4 Kiến trúc Foil trong xếp lớp mạch in .......................................................4 Hình 1-5 Các loại via phổ biến trong mạch in.........................................................5 Hình 1-6 Mạch in trên nền sứ ..................................................................................8 Hình 1-7 Mạch in dẻo FPC ......................................................................................8 Hình 1-8 Mạch in thông thường trên vật liệu FR-4 .................................................9 Hình 1-9 Mạch in với lớp đồng dày ......................................................................10 Hình 1-10 Cấu trúc PCB với đế nhôm tản nhiệt.................................................... 11 Hình 1-11 Mạch in tần số cao ................................................................................12 Hình 1-12 Bảng mạch in 2 lớp trên phầm mềm thiết kế .......................................13 Hình 1-13 Mạch in nhiều lớp sử dụng linh kiện BGA ..........................................14 Hình 1-14 Một bảng mạch in được vẽ thủ công ....................................................16 Hình 1-15 Năng lực sản xuất PCB ........................................................................17 Hình 1-16 Hình ảnh chân gầm đóng gói theo chuẩn FBGA .................................18 Hình 1-17 Mạ nửa lỗ trong các module PCB ........................................................19 Hình 1-18 Thiết kế PCB tốc độ cao sử dụng kỹ thuật đối sánh độ dài .................20 Hình 2-1 Ba nguyên vật liệu chính cho sản xuất PCB ..........................................23 Hình 2-2 Cấu trúc vật liệu của tấm nền PP ...........................................................23 Hình 2-3 Tấm lõi CCL trong sản xuất PCB ..........................................................24 Hình 2-4 In mặt lạ từ file Gerber ...........................................................................25 Hình 2-5 Tiền xử lý tạo độ nhám ...........................................................................26 Hình 2-6 Quy trình dán ép màng cảm quang ........................................................27 Hình 2-7 Chụp sáng trong tạo mạch lớp trong ......................................................28 Hình 2-8 Hiện ảnh sau khi tẩy mảng cảm quang...................................................28 Hình 2-9 Ăn mòn phần đồng dư thừa ....................................................................29 iii Hình 2-10 Bóc màng cảm quang ........................................................................... 29 Hình 2-11 Các lỗi thường gặp trong kiểm tra ngoại quan..................................... 30 Hình 2-12 Xếp thủ công các lớp đan xen .............................................................. 31 Hình 2-13 Mô tả quá trình ép lớp .......................................................................... 32 Hình 2-14 Mô tả quá trình khoan xuyên lỗ ........................................................... 33 Hình 2-15 Sắp xếp tổ hợp khoan ........................................................................... 33 Hình 2-16 Máy khoan NC thực hiện khoan tự động trên các tổ hợp .................... 34 Hình 2-17 Ví dụ về một số lỗi trong lỗ khoan ...................................................... 35 Hình 2-18 Quá trình tẩy nhựa ............................................................................... 35 Hình 2-19 Dây chuyền bể mạ đồng ....................................................................... 36 Hình 2-20 Mô tả quy trình mạ điện ....................................................................... 36 Hình 2-21 Kết quả sau quá trình mạ đồng ............................................................ 37 Hình 2-22 Kết quả sau hiện ảnh với phim âm bản ................................................ 38 Hình 2-23 Bo mạch sau quá trình mạ thiếc ........................................................... 38 Hình 2-24 Hình ảnh bo mạch sau khi loại bỏ lớp cảm quang dư thừa.................. 39 Hình 2-25 Mô tả quá trình tiền xử lý .................................................................... 40 Hình 2-26 Quá trình chụp sáng dưới tia UV ......................................................... 41 Hình 2-27 Bảng mạch sau khi được phủ sơn xanh ............................................... 41 Hình 2-28 Lớp over layer được in bằng phương pháp in lưới .............................. 42 Hình 3-1 Giản đồ tương thích điện tử ................................................................... 44 Hình 3-2 Bản chất điện- từ của sóng điện từ......................................................... 45 Hình 3-3 Bốn cơ chế ghép nối trong lan truyền nhiễu điện từ .............................. 47 Hình 3-4 Điện cảm và điện dung ký sinh trên mạch in ......................................... 52 Hình 3-5 Nhiễu xuyên kênh giữa các đường mạch lân cận .................................. 53 Hình 3-6 Bộ dao rộng RC cổ điển ......................................................................... 55 Hình 3-7 Bộ dao động sử dụng tinh thể thạch anh ................................................ 55 Hình 3-8 Dao động thạch anh kết hợp hồi tiếp âm ............................................... 56 Hình 3-9 Cấu trúc die package bên trong một IC ................................................. 56 Hình 3-10 Sử dụng IC có tích hợp bộ nhớ trong................................................... 57 Hình 3-11 Giảm biên độ nhiễu bằng cách giảm điện áp cung cấp ........................ 57 iv Hình 3-12 Sử dụng trở damping để triệu xung nhiễu ............................................58 Hình 3-13 Bố trí tụ bypass.....................................................................................58 Hình 3-14 Gợi ý nguyên tắc đóng via cho tụ bypass ............................................59 Hình 4-1 Sử dụng via stitching ..............................................................................62 Hình 4-2 Via shielding ...........................................................................................62 Hình 4-3 Đáp ứng tần số của các loại tụ điện........................................................65 Hình 4-4 Vòng dẫn GND trong PCB.....................................................................67 Hình 4-5 Đường dây Microstrip ............................................................................68 Hình 4-6 Tác động của bề rộng đường dây lên trở kháng đặc tính .......................68 Hình 4-7 Tác động của độ dày lớp điện môi lên trở kháng đặc tính .....................69 Hình 4-8 Tác động của độ dày lớp đồng lên trở kháng đặc tính ...........................69 Hình 4-9 Đường dây stripline ................................................................................69 Hình 4-10 Ảnh hưởng của độ rộng đường mạch lên trở kháng đặc tính...............70 Hình 4-11 Ảnh hưởng của bề dày lớp điện môi lên trở kháng đặc tính ................70 Hình 4-12 Ảnh hưởng của độ dày lớp đồng lên trở kháng đặc tính ......................70 Hình 4-13 Ảnh hưởng của hằng số điện môi đến trễ lan truyền ...........................71 Hình 4-14 Mô tả hiện tượng phản xạ do gián đoạn trở kháng ..............................71 Hình 4-15 Chú thích các cặp tín hiệu vi sai...........................................................73 Hình 4-16 Ví dụ một đường dây Stripline .............................................................75 Hình 4-17 Định tuyến đường dây trên một nền GND ổn định ..............................77 Hình 4-18 Tránh định tuyến đường dây qua vùng ngăn cách plane ......................77 Hình 4-19 Thêm tụ khâu kết nối các plane trong trường hợp bất khả kháng ........78 Hình 4-20 Đối sánh Trombone ..............................................................................80 Hình 4-21 Đối sánh Accordion ..............................................................................81 Hình 4-22 Đối sánh răng cưa .................................................................................81 Hình 4-23 Điều chỉnh độ dài ở gần nguồn phát ....................................................82 Hình 4-24 Bổ sung serpentine ở các khúc cua ......................................................82 Hình 4-25 Tác động của nhiễu nên cặp tín hiệu vi sai ..........................................83 Hình 4-26 Duy trì tính đối xứng cho các cặp tín hiệu vi sai .................................84 Hình 4-27 Không đặt linh kiện vào giữa hai đường vi sai ....................................84 v Hình 4-28 Đặt đối xứng các linh kiện ghép nối trên đường truyền ...................... 85 Hình 4-29 Đối sánh tín hiệu trên từng lớp ............................................................ 85 Hình 5-1 Hình ảnh một thanh SDRAM DDR3 ..................................................... 92 Hình 5-2 Nhóm các tín hiệu thành các bus ........................................................... 94 Hình 5-3 Hai cấu hình liên kết cho DDR3 ............................................................ 96 Hình 5-4 Tính toán kích thước đường dây ............................................................ 98 Hình 5-5 Đặt luật cho các cặp DIFF100 ............................................................. 100 Hình 5-6 Đặt luật cho các cặp DIFF90 ............................................................... 100 Hình 5-7 Đặt luật cho các cặp vi sai còn lại ........................................................ 100 Hình 5-8 Kỹ thuật xSignal trong Altium Designer 21 ........................................ 101 Hình 5-9 Net Topology của đường xung Clock .................................................. 102 Hình 5-10 Net Topology của đường ADD/CMD/CTRL..................................... 102 Hình 5-11 Net Topology của đường Dữ liệu ....................................................... 103 Hình 5-14 Giản đồ setuptime, holdtime và tVAC ............................................... 104 Hình 5-15 Overshooting và Overshoot area........................................................ 105 Hình 5-16 Undershooting và Undershoot area.................................................... 105 Hình 5-17 Mô phỏng nhiệt của PCB ................................................................... 108 vi CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠCH IN VÀ MẠCH IN TỐC ĐỘ CAO Mạch điện tử là thành phần quan trọng không thể thiếu trong các thiết bị sử dụng điện hiện nay. Phần lớn trong số đó là các bảng mạch in. Với bề dày lịch sử cùng sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, mạch in hiện đại đã có những bước tiến rất xa so với khởi thủy thô sơ của chúng. Tuy nhiên, nguyên lý hoạt động và dẫn truyền của các bảng mạch in là không thay đổi. Trong chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu một cách chuyên sâu về lịch sử ra đời và phát triển của mạch in, cấu trúc và nguyên lý dẫn truyền của chúng, đồng thời, chúng ta sẽ tìm hiểu về các loại bảng mạch in được sử dụng hiện nay. Cuối cùng là giới thiệu về bảng mạch in tốc độ cao, loại bảng mạch sẽ được tập trung nghiên cứu trong Luận văn này. 1.1 Khái quát về mạch in 1.1.1 Khái niệm Bảng mạch in, bo mạch in, bản mạch in hay đôi khi được gọi một cách gắn gọn là mạch in (Tiếng Anh: Printed Circuit Board – PCB) là một dạng bảng mạch điện được chế tạo bằng phương pháp in ấn trên một tấm nền cách điện. Hình 1-1 Hình ảnh bảng mạch in sau chế tạo Trong Hình 1-1 đang mô tả một bảng mạch in sau chế tạo chưa được lắp ráp linh kiện. Chúng ta có thể nhìn thấy các lỗ via, các lỗ chân linh kiện cắm, các pad để hàn linh kiện dán và các đường mạch in liên kết với nhau. Ngoài ra trên các PCB còn có thể 1 có thêm các đường mạch đóng vai trò như anten thu phát sóng, các kết cấu lắp ráp cơ khí như lỗ khoan, slot, mouse bit… Trong các thiết bị điện tử, chúng ta thường tìm thấy các bảng mạch in dưới dạng thành phẩm đã hoàn thiện các khâu lắp ráp. Chúng sẽ bao gồm tấm bảng mạch in (PCB) và các linh kiện đã được hàn gắn lên đó để thực hiện các yêu cầu chức năng. Hình 1-2 Hình ảnh mạch in sau hoàn thiện lắp ráp Hình 1-2 đang giới thiệu một sản phẩm bo mạch in đã được hàn gắn các linh kiện và có thể coi chúng như một sản phẩm điện tử hoàn thiện. Chúng ta có thể quan sát thấy chúng gồm các cổng giao tiếp, các IC chức năng, các linh kiện cơ bản như tụ, trở, cầu chì, diode bán dẫn… 1.1.2 Cấu trúc cơ bản Để hiểu rõ hơn được cấu trúc cơ bản của một bảng mạch in, chúng ta có thể nhìn vào hình ảnh dưới đây: 2