Tips og teknikker for å designe små kretskort for å krympe PCB-størrelse

For ethvert elektronisk produkt, det være seg en kompleks mobiltelefon eller et annet enkelt billig elektronikkleketøy, Printed Circuit Boards (PCB) er en viktig komponent. I en produktutviklingssyklus er kostnadshåndtering av design et stort problem, og PCB er den mest forsømte og dyrere komponenten i stykklisten. PCB koster mye mer enn noen annen komponent som brukes i en krets, så å redusere PCB-størrelsen vil ikke bare redusere størrelsen på produktet vårt, men vil også redusere produksjonskostnadene i de fleste tilfeller. Men hvordan man kan redusere en PCB-størrelse er et komplekst spørsmål i elektronikkproduksjon fordi størrelsen på PCB er avhengig av noen få ting og har sine begrensninger. I denne artikkelen vil vi beskrive designteknikkene for å redusere PCB-størrelsen ved å sammenligne kompromissene og mulige løsninger med det.

Multi-Layer PCB for å redusere sporplass og komponentavstand

Hovedrommet i et kretskort blir tatt av rutingen. Prototypetrinnene, når kretsen testes, bruker ett lag eller maksimalt dobbeltlags PCB-kort. Imidlertid er kretsen mesteparten av tiden laget ved hjelp av SMD (Surface Mount Devices) som tvinger designeren til å bruke et dobbeltlags kretskort. Å designe tavlen i et dobbelt lag åpner overflaten for tilgang til alle komponenter og gir tavlerommene for ruting av sporene. Brettens overflate kan øke igjen hvis brettet lag økes mer enn de to lagene, for eksempel fire eller seks lag. Men det er en ulempe. Hvis brettet er designet med to, fire eller enda flere lag, skaper det enorme kompleksiteter når det gjelder testing, reparasjoner og omarbeiding av en krets.

Derfor er flere lag (hovedsakelig fire lag) bare mulig hvis brettet er godt testet i prototypefasen. Annet enn brettstørrelsen, er designtiden også mye kortere enn å designe den samme kretsen i et større enkelt- eller dobbeltlagsbrett.

Generelt er kraftspor og bakkefyllingslag identifisert som høystrømsbaner, og derfor krever de tykke spor. Disse høye sporene kan rutes i TOP- eller Bottom-lagene, og lavstrømbanene eller signallagene kan brukes som interne lag i fire lag PCB. Bildet nedenfor viser en 4-lags PCB.

Men det er generelle kompromisser. Kostnaden for flerlags PCB er høyere enn enkeltlagskortene. Derfor er det viktig å beregne kostnadsformålet før du bytter et enkelt- eller dobbeltlagskort til fire lag PCB. Men å øke antall lag kan dramatisk endre størrelsen på brettet.

Administrere de termiske problemene ved å endre kobbertykkelse

PCB bidrar med en veldig nyttig sak for kretsdesign med høy strøm, som er termisk styring i PCB. Når en høy strøm strømmer gjennom et PCB-spor, øker det varmespredningen og skaper motstand på stiene. Imidlertid, bortsett fra de dedikerte tykke sporene for å håndtere høystrømbaner, er en stor fordel med PCB å lage PCB-varmeavlederen. Dermed, hvis kretsdesignen bruker en betydelig mengde PCB-kobberareal for termisk styring eller tildeler store mellomrom for spor med høy strøm, kan man krympe brettstørrelsen ved å øke tykkelsen på kobberlaget.

I henhold til IPC2221A, bør en designer bruke en minste sporingsbredde for de nødvendige strømbanene, men det bør tas hensyn til det totale sporingsområdet. Generelt pleide PCB å ha kobberlagstykkelsen på 1 oz (35um). Men tykkelsen på kobberet kan økes. Derfor, ved å bruke enkel matematikk, kan dobling av tykkelsen til 2 Oz (70um) kutte sporstørrelsen halvparten som en bred samme strømkapasitet. Annet enn dette kan 2 oz kobbertykkelse også være gunstig for PCB-basert kjøleribbe. Det er også den tyngre kobberkapasiteten som også kan være tilgjengelig, som varierer fra 4 oz til 10 oz.

Dermed øker kobbertykkelsen effektivt PCB-størrelsen. La oss se hvordan dette kan være effektivt. Bildet nedenfor er en online-basert kalkulator for beregning av PCB-sporingsbredde.

Verdien av strøm som vil strømme gjennom sporet er 1A. Tykkelsen på kobberet er satt til 1 oz (35 um). Temperaturstigningen på sporet vil være 10 grader ved 25 grader Celsius omgivelsestemperatur. Resultatet av sporingsbredden i henhold til IPC2221A-standarden er-

Nå, i samme spesifikasjon, hvis kobbertykkelsen økes, kan sporvidden reduseres.

Tykkelsen som kreves er bare-

Valg av komponentpakke

Komponentvalg er en viktig ting i en kretsdesign. Det er de samme, men forskjellige pakkekomponentene som er tilgjengelige i elektronikk. For eksempel kan en enkel motstand med en rating på.125 Watt være tilgjengelig i forskjellige pakker, som 0402, 0603, 0805, 1210, etc.

Prototypen PCB bruker mesteparten av tiden større komponenter som bruker motstander fra 0805 eller 1210, samt ikke-polariserte kondensatorer med høyere klaring enn generelt på grunn av det lettere å håndtere, lodde, bytte ut eller å teste. Men denne taktikken ender med å ha enormt mye bordplass. Under produksjonsfasen kan komponentene endres til en mindre pakke med samme rangering, og kartplassen kan komprimeres. Vi kan redusere pakkestørrelsen på disse komponentene.

Men situasjonen er hvilken pakke du skal velge? Det er upraktisk å bruke mindre pakker enn 0402 fordi standard pick and place-maskiner som er tilgjengelige for produksjonen kan ha begrensninger for å håndtere SMD-pakker som er mindre enn 0402.

En annen ulempe med de mindre komponentene er strømstyrken. Mindre pakker enn 0603 kan takle mye lavere strøm enn 0805 eller 1210. Det er derfor nødvendig med nøye hensyn for å velge de riktige komponentene. I et slikt tilfelle, når de mindre pakkene ikke kan brukes til å redusere PCB-størrelser, kan man redigere pakkenes fotavtrykk og kunne krympe komponentputen så langt som mulig. Designer kan være i stand til å presse ting litt strammere ved å endre fotspor. På grunn av designtoleransene er det tilgjengelige standardavtrykket et vanlig fotavtrykk som kan inneholde hvilken som helst versjon av pakkene. For eksempel er fotavtrykket til 0805-pakkene laget på en slik måte at det kan dekke så mange variasjoner som mulig for 0805. Variasjonene skjer på grunn av forskjellen i produksjonsevne.Ulike selskaper bruker forskjellige produksjonsmaskiner som tidligere hadde forskjellige toleranser for den samme 0805-pakken. Dermed er standard pakkespor litt større enn nødvendig.

Man kan redigere fotavtrykket manuelt ved hjelp av databladene til de spesifikke komponentene og kan krympe putestørrelsen etter behov.

Brettstørrelsen kan krympes ved å bruke SMD-baserte elektrolytkondensatorer også fordi de så ut til å ha mindre diametre enn de gjennomgående hullkomponentene med samme rangering.

New Age kompakte koblinger

En annen plasshungrende komponent er kontaktene. Kontaktene bruker større plass på kortet, og fotavtrykket bruker også elektroder med høyere diameter. Endring av kontakttyper kan være veldig nyttig hvis strøm- og spenningsnivået tillater det.

Kontaktproduksjonsselskapet, for eksempel Molex eller Wurth Electronics eller andre store selskaper, tilbyr alltid flere størrelsesbaserte samme type kontakter. Dermed kan valg av riktig størrelse spare kostnadene så vel som bordplassen.

Motstandsnettverk

Hovedsakelig i mikrocontrollerbasert design er seriekortmotstand det som alltid kreves for å beskytte mikrokontrolleren mot høy strøm gjennom IO-pinnene. Derfor er det nødvendig med mer enn 8 motstander, noen ganger mer enn 16 motstander, som seriemotstand. Et så stort antall motstander gir mye mer plass i PCB. Dette problemet kan løses ved å bruke motstandsnettverk. Et enkelt 1210 pakkebasert motstandsnettverk kan spare plass for 4 eller 6 motstander. Bildet nedenfor er en 5 motstand i 1206-pakken.

Stablede pakker i stedet for standardpakker

Det er mange design som krever flere transistorer eller til og med mer enn to MOSFET-er for forskjellige formål. Å legge til individuelle transistorer eller Mosfets kan ende opp med mer plass enn å bruke stablede pakker.

Det finnes en rekke alternativer som bruker flere komponenter i en enkelt pakke. For eksempel er også tilgjengelige to Mosfet- eller quad-MOSFET-pakker som tar plass til bare en Mosfet og kan spare enormt mye plass på brettet.

Disse triksene kan brukes på nesten alle komponenter. Dette fører til et mindre bordplass, og bonuspoenget er, noen ganger er kostnadene for disse komponentene lavere enn å bruke individuelle komponenter.

Ovennevnte punkter er den mulige veien ut for reduksjon av PCB-størrelse. Imidlertid har kostnadene, kompleksiteten i forhold til PCB-størrelsen alltid noen avgjørende beslutningsrelaterte kompromisser. Man må velge den nøyaktige banen som er avhengig av den målrettede applikasjonen eller for den spesifikke målrettede kretsdesignen.