Tips och tekniker för att designa små kretskort för att krympa PCB-storleken

För en elektronisk produkt, vare sig det är en komplex mobiltelefon eller någon annan enkel billig elektronikleksak, Printed Circuit Boards (PCB) är en viktig komponent. I en produktutvecklingscykel är hantering av designkostnader en enorm fråga och PCB är den mest försummade och dyrare komponenten i BOM. PCB kostar mycket mer än någon annan komponent som används i en krets, så att minska PCB-storleken kommer inte bara att minska storleken på vår produkt utan kommer också att sänka produktionskostnaderna i de flesta fall. Men hur man minskar en PCB-storlek är en komplex fråga i elektronikproduktionen eftersom storleken på PCB är beroende av några saker och har sina begränsningar. I den här artikeln kommer vi att beskriva designteknikerna för att minska PCB-storleken genom att jämföra avvägningarna och möjliga lösningar med det.

Multi-Layer PCB för att minska spårutrymme och komponentavstånd

Huvudutrymmet i ett kretskort tas av routingen. Prototypstegen, när kretsen testas, använder ett lager eller maximalt dubbelskikt-kretskort. Men för det mesta är kretsen tillverkad med SMD (Surface Mount Devices) som tvingar konstruktören att använda ett dubbelskikt kretskort. Att utforma brädet i ett dubbelt lager öppnar åtkomst till alla komponenter och ger kortytorna för dirigering av spåren. Brädans yta kan öka igen om brädskiktet ökas mer än de två skikten, till exempel fyra eller sex lager. Men det finns en nackdel. Om kortet är utformat med två, fyra eller ännu fler lager skapar det enorma komplexitet när det gäller testning, reparationer och omarbetning av en krets.

Därför är flera lager (huvudsakligen fyra lager) endast möjliga om kortet är väl testat i prototypfasen. Annat än kortstorleken är designtiden också mycket kortare än att utforma samma krets i ett större enkel- eller dubbelskiktkort.

I allmänhet identifieras Power Spaces och Ground Retur Path Fill-lager som högströmsvägar, vilket innebär att de kräver tjocka spår. Dessa höga spår kan dirigeras i topp- eller bottenlagren och lågströmsvägarna eller signallagren kan användas som interna lager i fyra lager PCB. Bilden nedan visar ett 4-lags PCB.

Men det finns generiska avvägningar. Kostnaden för flerskikts-kretskort är högre än enskiktsskivorna. Således är det viktigt att beräkna kostnadssyftet innan du byter en enkel- eller dubbelskiktskort till fyra lager PCB. Men att öka antalet lager kan dramatiskt ändra styrelsens storlek.

Hantera de termiska problemen genom att ändra koppartjocklek

PCB bidrar med ett mycket användbart fall för kretsdesigner med hög ström, vilket är termisk hantering i PCB. När en hög ström strömmar genom ett PCB-spår ökar det värmeavledningen och skapar motstånd på banorna. Men förutom de dedikerade tjocka spåren för hantering av högströmsvägar är en stor fördel med kretskortet att skapa kretskortet för kretskort. Således, om kretsdesignen använder en betydande mängd PCB-koppararea för termisk hantering eller allokerar stora utrymmen för högströmsspår, kan man krympa kortstorleken genom att använda ökande kopparskikttjocklek.

Enligt IPC2221A ska en designer använda en minsta spårningsbredd för de aktuella strömvägarna, men hänsyn bör tas till det totala spårområdet. Generellt brukade PCB ha en koppartjocklek på 1 oz (35um). Men koppartjockleken kan ökas. Därför, genom att använda enkel matematik, kan en fördubbling av tjockleken till 2 Oz (70um) skära spårstorleken hälften som en bred samma strömkapacitet. Annat än detta kan 2Oz koppartjocklek vara till nytta för PCB-baserad kylfläns också. Det finns också den tyngre kopparkapaciteten som också kan finnas som sträcker sig från 4 oz till 10 oz.

Ökning av koppartjockleken minskar således PCB-storleken effektivt. Låt oss se hur detta kan vara effektivt. Nedanstående bild är en online-baserad kalkylator för beräkning av PCB-spårningsbredd.

Värdet på strömmen som kommer att strömma genom spåret är 1A. Tjockleken på koppar är inställd på 1 oz (35 um). Ökningen av temperaturen på spåret blir 10 grader vid 25 grader Celsius omgivningstemperatur. Resultatet av spårbredden enligt IPC2221A-standarden är-

Nu, i samma specifikation, om koppartjockleken ökas, kan spårbredden minskas.

Tjockleken som krävs är endast-

Val av komponentpaket

Komponentval är en viktig sak i en kretsdesign. Det finns samma men olika paketkomponenter tillgängliga i elektronik. Till exempel kan ett enkelt motstånd med en rating på.125 Watt finnas tillgängligt i olika paket, som 0402, 0603, 0805, 1210, etc.

För det mesta använder prototypen PCB större komponenter som använder 0805 eller 1210 motstånd samt icke-polariserade kondensatorer med högre spelrum än allmänt på grund av att det är lättare att hantera, löd, byta ut eller testa. Men den här taktiken har en enorm mängd utrymmesutrymme. Under produktionsfasen kan komponenterna bytas till ett mindre paket med samma betyg och kortytan kan komprimeras. Vi kan minska förpackningsstorleken för dessa komponenter.

Men situationen är vilket paket du ska välja? Det är opraktiskt att använda mindre paket än 0402 eftersom de vanliga plock- och placeringsmaskinerna som är tillgängliga för produktion kan ha begränsningar för att hantera SMD-paket som är mindre än 0402.

En annan nackdel med de mindre komponenterna är effekten. Mindre paket än 0603 kan hantera mycket lägre ström än 0805 eller 1210. Så noggranna överväganden krävs för att välja rätt komponenter. I ett sådant fall, när de mindre paketen inte kan användas för att minska PCB-storlekar, kan man redigera paketets fotavtryck och kan krympa komponentplattan så långt som möjligt. Designern kan kanske pressa saker lite tätare genom att ändra fotavtryck. På grund av designtoleranserna är det tillgängliga standardavtrycket ett vanligt fotavtryck som kan innehålla valfri version av paketen. Exempelvis är fotavtrycket för 0805-paketen gjort på ett sådant sätt att det kan täcka så många variationer som möjligt för 0805. Variationerna händer på grund av skillnaden i tillverkningsförmåga.Olika företag använder olika produktionsmaskiner som tidigare hade olika toleranser för samma 0805-paket. Standardpaketets fotavtryck är alltså något större än vad som behövs.

Man kan redigera fotavtrycket manuellt med hjälp av datablad för de specifika komponenterna och kan krympa dynans storlek efter behov.

Kortstorleken kan krympa genom att använda SMD-baserade elektrolytkondensatorer också eftersom de verkade ha mindre diametrar än de genomgående hålkomponenterna med samma betyg.

New Age kompakta anslutare

En annan plats-hungrig komponent är kontakterna. Kontakterna använder större kortutrymme och fotavtrycket använder också dynor med högre diameter. Att ändra anslutningstyper kan vara mycket användbart om ström- och spänningsvärdena tillåter.

Kontaktdonstillverkningsföretaget, till exempel Molex eller Wurth Electronics eller andra stora företag, tillhandahåller alltid flera storlekar baserade på samma typ av kontakter. Att välja rätt storlek kan spara såväl kostnaden som brädans utrymme.

Motståndsnät

Huvudsakligen i mikrokontroller-baserad design är seriepassmotstånd det som alltid krävs för att skydda mikrokontrollern från högt strömflöde genom IO-stiften. Därför krävs mer än 8 motstånd, ibland mer än 16 motstånd för att användas som seriemotstånd. Ett så stort antal motstånd lägger upp mycket mer utrymme i kretskortet. Detta problem kan lösas med hjälp av motståndsnätverk. Ett enkelt 1210-paketbaserat motståndsnätverk kan spara utrymme för 4 eller 6 motstånd. Bilden nedan är ett 5-motstånd i 1206-paketet.

Staplade paket istället för standardpaket

Det finns många mönster som kräver flera transistorer eller till och med mer än två MOSFET för olika ändamål. Att lägga till enskilda transistorer eller Mosfets kan hamna mer utrymme än att använda staplade paket.

Det finns en mängd olika alternativ som använder flera komponenter i ett enda paket. Exempelvis finns också dubbla Mosfet- eller fyrdubbla MOSFET-paket som bara tar plats för en Mosfet och kan spara en enorm mängd utrymmesutrymme.

Dessa knep kan tillämpas på nästan alla komponenter. Detta leder till ett mindre kortutrymme och bonuspoängen är, ibland är kostnaden för dessa komponenter lägre än att använda enskilda komponenter.

Ovanstående punkter är den möjliga vägen ut för minskning av PCB-storlek. Men kostnaden, komplexiteten jämfört med PCB-storleken har alltid några avgörande beslutsrelaterade avvägningar. Man måste välja den exakta sökvägen som är beroende av den riktade applikationen eller för den specifika riktade kretsdesignen.