Savjeti i tehnike za dizajniranje malih pločica za smanjivanje veličine pločica

Za bilo koji elektronički proizvod, bio to složeni mobitel ili bilo koja druga jednostavna jeftina elektronička igračka, tiskane pločice (PCB) bitna su komponenta. U ciklusu razvoja proizvoda veliko je upravljanje troškovima dizajna, a PCB je najzanemarenija i najskuplja komponenta u BOM-u. PCB košta mnogo više od bilo koje druge komponente koja se koristi u krugu, tako da smanjenje veličine PCB-a ne samo da će smanjiti veličinu našeg proizvoda, već će u većini slučajeva i sniziti troškove proizvodnje. Ali, kako smanjiti veličinu PCB- a složeno je pitanje u proizvodnji elektronike jer veličina PCB-a ovisi o nekoliko stvari i ima svoja ograničenja. U ovom ćemo članku opisati Tehnike dizajna za smanjenje veličine PCB-a uspoređivanjem kompromisa i mogućih rješenja za njih.

Višeslojna PCB za smanjenje prostora na stazi i razmaka od komponenata

Glavno mjesto na ploči s tiskanim pločama zauzima usmjeravanje. U fazama prototipa, kad god se sklop testira, koristi se jedan ili najviše dvoslojnih PCB ploča. Međutim, većinu vremena sklop se izrađuje pomoću SMD (Surface Mount Devices) što natjera dizajnera da koristi dvoslojnu pločicu. Dizajn ploče u dvostrukom sloju otvara površinski pristup svim komponentama i osigurava prostore za ploču za usmjeravanje tragova. Prostor površine ploče može se ponovno povećati ako se sloj ploče poveća više od dva sloja, na primjer četiri ili šest slojeva. Ali, postoji nedostatak. Ako je ploča dizajnirana s dva, četiri ili čak više slojeva, stvara veliku složenost u pogledu ispitivanja, popravaka i prerade sklopa.

Stoga je više slojeva (uglavnom četiri sloja) moguće samo ako je ploča dobro testirana u fazi prototipa. Osim veličine ploče, vrijeme dizajna je također puno kraće od dizajniranja istog kruga u većoj jednoslojnoj ili dvoslojnoj ploči.

Općenito, tragovi snage i slojevi za ispunjavanje povratne staze tla identificirani su kao visoki strujni putovi, stoga zahtijevaju debele tragove. Ti visoki tragovi mogu se usmjeravati u gornji ili donji sloj, a putovi slabe struje ili slojevi signala mogu se koristiti kao unutarnji slojevi u četveroslojnim PCB-ima. Slika dolje prikazuje 4-slojni PCB.

Ali postoje generički kompromisi. Cijena višeslojnih PCB-a veća je od jednoslojnih ploča. Stoga je neophodno izračunati svrhu troška prije promjene jednoslojne ili dvoslojne ploče na četveroslojnu PCB. No povećanje broja slojeva moglo bi dramatično promijeniti veličinu ploče.

Upravljanje toplinskim problemima promjenom debljine bakra

PCB doprinosi vrlo korisnom slučaju za dizajnirane krugove velike struje, a to je upravljanje toplinom u PCB-u. Kad velika struja prolazi kroz trag PCB-a, to povećava odvođenje topline i stvara otpor na stazama. Međutim, osim namjenskih debelih tragova za upravljanje putovima velike struje, glavna prednost PCB-a je stvaranje hladnjaka za PCB. Dakle, ako dizajn sklopa koristi značajnu količinu bakarnog područja PCB-a za upravljanje toplinom ili dodjeljivanje ogromnih prostora za tragove jake struje, može se smanjiti veličina ploče povećanjem debljine sloja bakra.

Prema IPC2221A, projektant bi trebao koristiti minimalnu širinu traga za tražene strujne putove, ali treba uzeti u obzir ukupnu površinu traga. Općenito, PCB-ovi su nekada imali debljinu bakrenog sloja od 10 oz (35 um). Ali debljina bakra može se povećati. Stoga bi pomoću jednostavne matematike udvostručenje debljine na 20 Oz (70 um) moglo smanjiti veličinu traga upola kao širok isti trenutni kapacitet. Osim toga, debljina bakra od 20 oz može biti korisna i za hladnjak temeljen na PCB-u. Tu je i veći kapacitet bakra koji također može biti dostupan i kreće se od 40 Oz do 10 Oz.

Dakle, povećanjem debljine bakra učinkovito se smanjuje veličina PCB-a. Pogledajmo kako ovo može biti učinkovito. Slika dolje je internetski kalkulator za izračunavanje širine traga PCB-a.

Vrijednost struje koja će teći kroz trag je 1A. Debljina bakra postavljena je na 1 Oz (35 um). Porast temperature na tragu iznosit će 10 stupnjeva na 25 stupnjeva Celzijevih temperatura okoline. Izlaz širine traga prema standardu IPC2221A je-

Sada, u istoj specifikaciji, ako se poveća debljina bakra, širina traga može se smanjiti.

Potrebna debljina je samo-

Odabir paketa komponenata

Odabir komponenata glavna je stvar u dizajnu sklopa. U elektronici su dostupni isti, ali različiti dijelovi paketa. Na primjer, jednostavni otpornik s ocjenom od.125 W može biti dostupan u različitim pakiranjima, poput 0402, 0603, 0805, 1210 itd.

Uobičajeno, prototip PCB-a koristi veće komponente koje koriste otpornike 0805 ili 1210, kao i nepolarizirane kondenzatore s većim zračenjem od općeg zbog lakšeg rukovanja, lemljenja, zamjene ili testiranja. Ali ova taktika na kraju ima ogromnu količinu prostora na ploči. Tijekom faze proizvodnje, komponente se mogu promijeniti u manje pakiranje s istim nazivnim vrijednostima, a prostor na ploči može se komprimirati. Možemo smanjiti veličinu pakiranja tih komponenata.

Ali situacija je koji paket odabrati? Nepraktično je koristiti manje pakete od 0402, jer standardni uređaji za odabir i postavljanje koji su dostupni za proizvodnju mogu imati ograničenja za rukovanje SMD paketima manjim od 0402.

Još jedan nedostatak manjih komponenata je nazivna snaga. Manji paketi od 0603 mogu podnijeti mnogo nižu struju od 0805 ili 1210. Dakle, potrebna su pažljiva razmatranja kako bi se odabrali odgovarajući dijelovi. U takvom slučaju, kad god se manji paketi ne mogu koristiti za smanjenje veličina PCB-a, može se urediti otisak paketa i smanjiti podloga komponenata što je više moguće. Dizajner će možda moći malo stisnuti stvari mijenjajući otiske stopala. Zbog tolerancija dizajna, dostupni zadani otisak uobičajeni je otisak koji može sadržavati bilo koju verziju paketa. Na primjer, otisak paketa 0805 napravljen je na takav način da može pokriti što više varijacija za 0805. Varijacije se događaju zbog razlike u proizvodnoj sposobnosti.Različite tvrtke koriste različite proizvodne strojeve koji su prije imali različite tolerancije za isti paket 0805. Stoga su zadani otisci paketa nešto veći nego što je potrebno.

Može se ručno urediti otisak pomoću podatkovnih listova određenih komponenata i može se smanjiti veličina jastučića prema potrebi.

Veličina ploče može se smanjiti i korištenjem elektrolitskih kondenzatora na bazi SMD-a jer se činilo da imaju manji promjer od prolaznih dijelova s ​​istim nazivom.

Kompaktne veze New Age

Druga komponenta gladna prostora su konektori. Konektori koriste veći prostor na ploči, a otisak također koristi jastučiće većeg promjera. Promjena vrsta konektora može biti vrlo korisna ako dopuštaju nazivne vrijednosti struje i napona.

Tvrtka za proizvodnju konektora, na primjer, Molex ili Wurth Electronics ili bilo koja druga velika tvrtka uvijek nude iste tipove konektora na temelju više veličina. Stoga bi odabir prave veličine mogao uštedjeti troškove, kao i prostor na ploči.

Otporničke mreže

Uglavnom u dizajnu temeljenom na mikrokontroleru, serijski prolazni otpornici uvijek su potrebni za zaštitu mikrokontrolera od visokog strujanja kroz IO pinove. Stoga je potrebno više od 8 otpornika, ponekad i više od 16 otpornika koji se koriste kao serijski prolazni otpornici. Takav ogroman broj otpornika dodaje mnogo više prostora na PCB-u. Ovaj se problem može riješiti upotrebom otporničkih mreža. Jednostavna mreža otpornika zasnovana na paketu 1210 može uštedjeti prostor za 4 ili 6 otpornika. Slika dolje je 5 otpornik u paketu 1206.

Složeni paketi umjesto standardnih paketa

Postoji mnogo dizajna koji zahtijevaju više tranzistora ili čak više od dva MOSFET-a za različite svrhe. Dodavanjem pojedinačnih tranzistora ili Mosfeta moglo bi se dobiti više prostora nego upotrebom naslaganih paketa.

Postoje razne mogućnosti koje koriste više komponenata u jednom paketu. Na primjer, dostupni su i dvostruki Mosfet ili četverostruki MOSFET paketi koji zauzimaju prostor samo jednog Mosfeta i mogu uštedjeti ogromnu količinu prostora na ploči.

Ovi se trikovi mogu primijeniti na gotovo svaku komponentu. To dovodi do manjeg prostora na ploči, a bonus bod je, ponekad je trošak tih komponenata niži od korištenja pojedinih komponenata.

Gore navedene točke mogući su izlaz za smanjenje veličine PCB-a. Međutim, cijena, složenost u odnosu na veličinu PCB-a uvijek ima neke presudne kompromise povezane s odlukom. Treba odabrati točan put koji ovisi o ciljanoj aplikaciji ili za taj specifični dizajn ciljanog kruga.