Wskazówki i techniki projektowania małych płytek drukowanych w celu zmniejszenia rozmiaru PCB

W przypadku każdego produktu elektronicznego, czy to złożonego telefonu komórkowego, czy innej prostej, niedrogiej zabawki elektronicznej, płytki drukowane (PCB) są istotnym elementem. W cyklu rozwoju produktu zarządzanie kosztami projektu jest ogromnym problemem, a PCB jest najbardziej zaniedbanym i droższym elementem zestawienia komponentów. PCB kosztuje znacznie więcej niż jakikolwiek inny komponent używany w obwodzie, więc zmniejszenie rozmiaru PCB nie tylko zmniejszy rozmiar naszego produktu, ale także obniży koszty produkcji w większości przypadków. Ale jak zmniejszyć rozmiar PCB jest złożonym pytaniem w produkcji elektroniki, ponieważ rozmiar PCB zależy od kilku rzeczy i ma swoje ograniczenia. W tym artykule opiszemy techniki projektowania w celu zmniejszenia rozmiaru PCB porównując kompromisy i możliwe rozwiązania.

Wielowarstwowa płytka drukowana zmniejszająca przestrzeń na ścieżkach i odstępy między komponentami

Główną przestrzeń w obwodzie drukowanym zajmuje trasowanie. Stopnie prototypowe, za każdym razem, gdy testowany jest obwód, wykorzystują jedną warstwę lub maksymalnie dwuwarstwową płytkę PCB. Jednak w większości przypadków obwód jest wykonywany przy użyciu SMD (Surface Mount Devices), co zmusza projektanta do zastosowania dwuwarstwowej płytki drukowanej. Zaprojektowanie tablicy w podwójnej warstwie otwiera dostęp do powierzchni dla wszystkich komponentów i zapewnia miejsce na płycie do trasowania ścieżek. Powierzchnia płyty może się ponownie zwiększyć, jeśli warstwa płyty zostanie zwiększona bardziej niż dwie warstwy, na przykład cztery lub sześć warstw. Ale jest wada. Jeśli płytka jest zaprojektowana z użyciem dwóch, czterech lub nawet więcej warstw, stwarza to ogromną złożoność pod względem testowania, napraw i przeróbek obwodu.

Dlatego wiele warstw (głównie cztery warstwy) jest możliwe tylko wtedy, gdy płyta jest dobrze przetestowana w fazie prototypu. Poza rozmiarem płytki, czas projektowania jest również znacznie krótszy niż przy projektowaniu tego samego obwodu w większej płytce jedno- lub dwuwarstwowej.

Generalnie ślady mocy i warstwy wypełnienia ścieżki powrotnej uziemienia są identyfikowane jako ścieżki wysokoprądowe, dlatego wymagają grubych ścieżek. Te wysokie ścieżki mogą być prowadzone w warstwie górnej lub dolnej, a ścieżki niskoprądowe lub warstwy sygnałowe mogą być używane jako warstwy wewnętrzne w czterowarstwowych PCB. Poniższy rysunek przedstawia 4-warstwową płytkę drukowaną.

Ale są ogólne kompromisy. Koszt płytek wielowarstwowych jest wyższy niż płyt jednowarstwowych. Dlatego ważne jest, aby obliczyć cel kosztowy przed zmianą płytki jedno- lub dwuwarstwowej na czterowarstwową płytkę PCB. Jednak zwiększenie liczby warstw może radykalnie zmienić rozmiar płyty.

Zarządzanie problemami termicznymi poprzez zmianę grubości miedzi

PCB jest bardzo użytecznym przypadkiem dla projektów obwodów wysokoprądowych, którym jest zarządzanie termiczne w PCB. Kiedy wysoki prąd przepływa przez ścieżkę PCB, zwiększa rozpraszanie ciepła i tworzy opór na ścieżkach. Jednak poza dedykowanymi grubymi ścieżkami do zarządzania ścieżkami wysokoprądowymi, główną zaletą PCB jest stworzenie radiatorów PCB. Tak więc, jeśli projekt obwodu wykorzystuje znaczną ilość powierzchni miedzi PCB do zarządzania termicznego lub przydzielając ogromne przestrzenie dla ścieżek wysokoprądowych, można zmniejszyć rozmiar płytki, stosując zwiększającą się grubość warstwy miedzi.

Zgodnie z IPC2221A, projektant powinien stosować minimalną szerokość śledzenia dla wymaganych ścieżek prądu, ale należy wziąć pod uwagę całkowity obszar śledzenia. Zwykle PCB miały grubość warstwy miedzi 1Oz (35um). Ale grubość miedzi można zwiększyć. Dlatego, stosując prostą matematykę, podwojenie grubości do 2Oz (70um) może zmniejszyć rozmiar ścieżki o połowę w stosunku do szerokiej tej samej wydajności prądowej. Poza tym grubość miedzi 2Oz może być również korzystna dla radiatora opartego na PCB. Dostępna może być również cięższa miedź, w zakresie od 4Oz do 10Oz.

Zatem zwiększenie grubości miedzi skutecznie zmniejsza rozmiar PCB. Zobaczmy, jak to może być skuteczne. Poniższy obraz przedstawia kalkulator online do obliczania szerokości śladu PCB.

Wartość prądu przepływającego przez ślad wynosi 1A. Grubość miedzi ustalono na 1 uncję (35 um). Wzrost temperatury na śladzie wyniesie 10 stopni przy temperaturze otoczenia 25 stopni Celsjusza. Dane wyjściowe szerokości śladu zgodnie ze standardem IPC2221A to:

Teraz, w tej samej specyfikacji, jeśli grubość miedzi zostanie zwiększona, szerokość śladu można zmniejszyć.

Wymagana grubość to tylko:

Wybór pakietu komponentów

Dobór komponentów jest główną rzeczą w projektowaniu obwodów. W elektronice dostępne są te same, ale różne elementy pakietu. Na przykład prosty rezystor o mocy 0,125 W może być dostępny w różnych pakietach, takich jak 0402, 0603, 0805, 1210 itd.

Przez większość czasu prototypowa płytka drukowana wykorzystuje większe komponenty, które wykorzystują rezystory 0805 lub 1210, a także niespolaryzowane kondensatory z większym prześwitem niż ogólnie ze względu na łatwiejszą obsługę, lutowanie, wymianę lub testowanie. Ale ta taktyka kończy się na ogromnej ilości miejsca na planszy. Na etapie produkcji komponenty można zamienić na mniejsze opakowanie o tej samej wartości, a przestrzeń na płycie można zmniejszyć. Możemy zmniejszyć rozmiar opakowania tych komponentów.

Ale sytuacja jest, który pakiet wybrać? Stosowanie mniejszych opakowań niż 0402 jest niepraktyczne, ponieważ standardowe maszyny typu pick and place, które są dostępne do produkcji, mogą mieć ograniczenia w obsłudze opakowań SMD mniejszych niż 0402.

Kolejną wadą mniejszych komponentów jest moc znamionowa. Mniejsze pakiety niż 0603 mogą obsłużyć znacznie niższe natężenie prądu niż 0805 lub 1210. Dlatego należy starannie rozważyć wybór odpowiednich komponentów. W takim przypadku, gdy mniejsze pakiety nie mogą być użyte do zmniejszenia rozmiarów PCB, można edytować ślad pakietu i zmniejszyć tak bardzo, jak to możliwe, podkładkę komponentów. Projektant może być w stanie ścisnąć trochę mocniej, zmieniając ślady. Ze względu na tolerancje projektowe, dostępny domyślny ślad jest typowym śladem, który może pomieścić dowolną wersję pakietów. Na przykład, powierzchnia postojowa opakowań 0805 jest wykonana w taki sposób, że może objąć jak najwięcej odmian dla 0805. Zmiany wynikają z różnicy w zdolności produkcyjnej.Różne firmy używają różnych maszyn produkcyjnych, które miały różne tolerancje dla tego samego opakowania 0805. W związku z tym domyślne ślady pakietów są nieco większe niż potrzeba.

Można ręcznie edytować ślad za pomocą arkuszy danych określonych komponentów i można zmniejszyć rozmiar podkładki zgodnie z wymaganiami.

Rozmiar płytki można zmniejszyć również za pomocą kondensatorów elektrolitycznych opartych na SMD, ponieważ wydawały się one mieć mniejsze średnice niż elementy z otworami przelotowymi o tej samej wartości znamionowej.

Kompaktowe złącza New Age

Kolejnym elementem wymagającym dużej przestrzeni są złącza. Złącza zajmują większą przestrzeń na płytce, a podstawa wykorzystuje również podkładki o większej średnicy. Zmiana typów złączy może być bardzo przydatna, jeśli pozwalają na to wartości znamionowe prądu i napięcia.

Firma produkująca złącza, na przykład Molex lub Wurth Electronics, lub jakakolwiek inna duża firma, zawsze dostarcza złącza tego samego typu o różnych rozmiarach. Zatem wybór odpowiedniego rozmiaru może zaoszczędzić zarówno koszty, jak i miejsce na planszy.

Sieci rezystorowe

Głównie w konstrukcji opartej na mikrokontrolerze, rezystory szeregowe są tym, co jest zawsze wymagane, aby chronić mikrokontroler przed przepływem dużego prądu przez piny IO. Dlatego więcej niż 8 rezystorów, czasami więcej niż 16 rezystorów jest wymaganych jako rezystory szeregowe. Taka ogromna liczba rezystorów to znacznie więcej miejsca na PCB. Ten problem można rozwiązać za pomocą sieci rezystorowych. Prosta sieć rezystorów oparta na pakiecie 1210 może zaoszczędzić miejsce na 4 lub 6 rezystorów. Poniższy obraz przedstawia rezystor 5 w opakowaniu 1206.

Pakiety ułożone w stos zamiast pakietów standardowych

Istnieje wiele projektów, które wymagają wielu tranzystorów lub nawet więcej niż dwóch tranzystorów MOSFET do różnych celów. Dodanie pojedynczych tranzystorów lub Mosfetów może zająć więcej miejsca niż użycie pakietów w stosie.

Istnieje wiele opcji wykorzystujących wiele składników w jednym pakiecie. Na przykład dostępne są również podwójne lub poczwórne pakiety MOSFET, które zajmują miejsce tylko jednego Mosfetu i mogą zaoszczędzić ogromną ilość miejsca na płycie.

Te sztuczki można zastosować do prawie każdego elementu. Prowadzi to do mniejszego miejsca na planszy, a bonusem jest to, że czasami koszt tych komponentów jest niższy niż przy użyciu pojedynczych komponentów.

Powyższe punkty są możliwym wyjściem na zmniejszenie rozmiaru PCB. Jednak koszt, złożoność w porównaniu z rozmiarem PCB zawsze ma pewne kluczowe kompromisy związane z decyzjami. Należy wybrać dokładną ścieżkę, która zależy od docelowej aplikacji lub konkretnego projektu docelowego obwodu.