Поради та методи проектування малих друкованих плат для зменшення розміру друкованих плат

Для будь-якого електронного продукту, будь то складний мобільний телефон або будь-яка інша проста недорога іграшка Electronics, друковані плати (PCB) є важливим компонентом. У циклі розробки продукту управління витратами на проектування є величезною проблемою, і друкована плата - це найбільш занедбаний та дорожчий компонент специфікації. Друкована плата коштує набагато дорожче, ніж будь-який інший компонент, що використовується в схемі, тому зменшення розміру друкованої плати не тільки зменшить розмір нашого продукту, але і в більшості випадків зменшить виробничі витрати. Але, як зменшити розмір друкованої плати - це складне питання у виробництві електроніки, оскільки розмір друкованої плати залежить від кількох речей і має свої обмеження. У цій статті ми опишемо техніку проектування для зменшення розміру друкованої плати шляхом порівняння компромісів та можливих рішень щодо них.

Багатошарова друкована плата для зменшення простору доріжок та інтервалів компонентів

Основний простір на друкованій платі займає маршрутизація. На етапах прототипу, коли тестується схема, використовується один шар або максимум двошарової плати друкованої плати. Однак більшу частину схеми виконують за допомогою SMD (Surface Mount Devices), що змушує дизайнера використовувати двошарову друковану плату. Конструкція плати у подвійному шарі відкриває поверхневий доступ до всіх компонентів та забезпечує дошку для простору для маршрутизації слідів. Простір поверхні дошки може знову збільшитися, якщо шар дошки збільшено більше, ніж два шари, наприклад, чотири або шість шарів. Але є недолік. Якщо плата розроблена з використанням двох, чотирьох або навіть більше шарів, це створює величезну складність з точки зору тестування, ремонту та переробки схеми.

Отже, багатошаровість (переважно чотири шари) можлива лише в тому випадку, якщо плата добре протестована на етапі прототипу. Крім розміру плати, час проектування також набагато коротший, ніж проектування тієї ж схеми у більшій одно- або двошаровій платі.

Як правило, шари потужності та шари заповнення зворотного шляху визначаються як силові струми, тому вони потребують товстих слідів. Ці високі сліди можуть бути спрямовані у верхній або нижній шари, а шляхи низького струму або шари сигналу можуть бути використані як внутрішні шари в чотирьох шарах друкованих плат. На зображенні нижче зображена 4-шарова друкована плата.

Але є загальні компроміси. Вартість багатошарової друкованої плати вище, ніж одношарових плат. Таким чином, важливо розрахувати мету витрат перед тим, як змінити одно- або двошарову плату на чотиришарову друковану плату. Але збільшення кількості шарів може кардинально змінити розмір дошки.

Управління тепловими проблемами шляхом зміни товщини міді

Друкована плата є дуже корисним варіантом для схем сильних струмів, а саме управління тепловою енергією в друкованій платі. Коли сильний струм протікає через друковану плату, це збільшує тепловіддачу і створює опір на шляхах. Однак, крім виділених товстих трас для управління сильними струмами, основною перевагою друкованої плати є створення радіаторів для друкованої плати. Таким чином, якщо конструкція схеми використовує значну кількість мідної плати друкованої плати для управління тепловою енергією або виділяє величезні простори для сильних струмових слідів, можна зменшити розмір плати за рахунок збільшення товщини шару міді.

Відповідно до IPC2221A, конструктор повинен використовувати мінімальну ширину трасування для необхідних поточних шляхів, але слід враховувати загальну площу трасування. Загалом, друковані плати мали товщину шару міді 10 унцій (35 мкм). Але товщину міді можна збільшити. Тому, використовуючи просту математику, подвоєння товщини до 20 унцій (70 мкм) може зменшити розмір сліду вдвічі менше, ніж широка така ж потужність струму. Крім цього, товщина міді, що становить 2 унції, може бути корисною і для тепловідводу на основі друкованих плат. Існує також більш важка ємність міді, яка також може бути доступною, коливається від 4Oz до 10Oz.

Таким чином, збільшення товщини міді ефективно зменшує розмір друкованої плати. Давайте подивимось, як це може бути ефективним. Наведене нижче зображення - це онлайн-калькулятор для розрахунку ширини слідів друкованих плат.

Значення струму, який буде протікати через слід, становить 1А. Товщина міді встановлюється як 1 Oz (35 мкм). Підвищення температури на сліді складе 10 градусів при температурі навколишнього середовища 25 градусів Цельсія. Вихід ширини трасування відповідно до стандарту IPC2221A -

Тепер, у тій же специфікації, якщо товщину міді збільшити, ширину сліду можна зменшити.

Потрібна товщина -

Вибір пакета компонентів

Вибір компонентів - головна річ у конструкції схеми. У електроніці доступні однакові, але різні компоненти упаковки. Наприклад, простий резистор потужністю.125 Вт може бути доступний в різних упаковках, таких як 0402, 0603, 0805, 1210 тощо.

У більшості випадків у прототипі друкованої плати використовуються більші компоненти, в яких використовуються резистори 0805 або 1210, а також неполяризовані конденсатори з більшим зазором, ніж загальний, через простішу обробку, пайку, заміну чи тестування. Але ця тактика в кінцевому підсумку має величезний простір на дошці. На етапі виробництва компоненти можуть бути замінені на менший пакет з однаковим рейтингом, а простір на платі може бути стиснений. Ми можемо зменшити розмір упаковки цих компонентів.

Але ситуація полягає в тому, який пакет вибрати? Недоцільно використовувати пакети менших розмірів, ніж 0402, оскільки стандартні машини для вибору та розміщення, доступні для виробництва, можуть мати обмеження щодо обробки пакетів SMD, менших за 0402.

Ще одним недоліком менших компонентів є потужність. Менші пакунки, ніж 0603, можуть обробляти набагато менший струм, ніж 0805 або 1210. Отже, для вибору належних компонентів потрібні ретельні міркування. У такому випадку, коли менші упаковки не можуть бути використані для зменшення розмірів друкованої плати, можна відредагувати розмір упаковки та зменшити набір компонентів наскільки це можливо. Дизайнер, можливо, зможе трохи стиснути речі, змінивши сліди ніг. Зважаючи на конструктивні допуски, доступний розмір за замовчуванням є загальним розміром, який може містити будь-яку версію пакетів. Наприклад, відбиток упаковки 0805 виконаний таким чином, що він може охоплювати якомога більше варіацій для 0805. Варіації трапляються через різницю у виробничих можливостях.Різні компанії використовують різні виробничі машини, які раніше мали різні допуски для одного пакета 0805. Таким чином, розміри типових пакетів за замовчуванням трохи більші, ніж потрібно.

Можна вручну відредагувати розмір, використовуючи таблиці специфічних компонентів, і, за потреби, можна зменшити розмір накладки.

Розмір плати можна зменшити, використовуючи електролітичні конденсатори на основі SMD, тому що вони мали менший діаметр, ніж компоненти наскрізного отвору з однаковим рейтингом.

Компактні роз'єми New Age

Ще одним просторовим компонентом є роз'єми. Роз'єми використовують більший простір на платі, а також площа використовує колодки більшого діаметру. Зміна типів роз’ємів може бути дуже корисною, якщо дозволяють значення струму та напруги.

Компанія-виробник роз'ємів, наприклад, Molex або Wurth Electronics, або будь-які інші великі компанії завжди пропонують роз'єми одного типу на основі кількох розмірів. Таким чином, вибір правильного розміру може заощадити вартість, а також простір на дошці.

Резисторні мережі

В основному в конструкції на основі мікроконтролера, послідовні прохідні резистори - це те, що завжди потрібно для захисту мікроконтролера від сильного струму через штифти вводу-виводу. Тому для використання послідовних прохідних резисторів потрібно використовувати більше 8 резисторів, іноді більше 16 резисторів. Така величезна кількість резисторів додає набагато більше місця в друкованій платі. Цю проблему можна вирішити за допомогою резисторних мереж. Проста резисторна мережа на основі пакетів 1210 може заощадити місце для 4 або 6 резисторів. На зображенні нижче - 5 резисторів в упаковці 1206.

Пакети з накопиченням замість стандартних пакетів

Існує безліч конструкцій, які потребують декількох транзисторів або навіть більше двох MOSFET для різних цілей. Додавання окремих транзисторів або мосфетів може мати більше місця, ніж використання пакетних пакетів.

Існує безліч варіантів, що використовують кілька компонентів в одній упаковці. Наприклад, також доступні подвійні пакети Mosfet або чотири MOSFET-пакети, які займають простір лише одного Mosfet і можуть заощадити величезну кількість місця на борту.

Ці прийоми можна застосувати майже до кожного компонента. Це призводить до меншого простору на дошці, і бонус-бал, іноді вартість цих компонентів нижча, ніж використання окремих компонентів.

Вищевказані пункти є можливим виходом для зменшення розміру друкованої плати. Однак вартість, складність порівняно з розміром друкованої плати завжди має деякі важливі компроміси, пов’язані з прийняттям рішень. Потрібно вибрати точний шлях, який залежить від цільового додатка або для цієї конкретної цільової схеми.