Tips en technieken voor het ontwerpen van kleine printplaten om de printplaat te verkleinen

Voor elk elektronisch product, of het nu een complexe mobiele telefoon is of een ander eenvoudig goedkoop elektronisch speelgoed, zijn printplaten (PCB's) een essentieel onderdeel. In een productontwikkelingscyclus is ontwerpkostenbeheer een enorm probleem en PCB is het meest verwaarloosde en duurdere onderdeel op de stuklijst. PCB kost veel meer dan enig ander onderdeel dat in een circuit wordt gebruikt, dus het verkleinen van de PCB-grootte zal niet alleen de grootte van ons product verkleinen, maar in de meeste gevallen ook de productiekosten verlagen. Maar het verkleinen van de grootte van een PCB is een complexe vraag bij de productie van elektronica, omdat de grootte van de PCB afhankelijk is van een aantal dingen en zijn beperkingen heeft. In dit artikel zullen we de ontwerptechnieken beschrijven om de PCB-grootte te verkleinen door de afwegingen en mogelijke oplossingen ervoor te vergelijken.

Meerlaagse printplaat voor het verkleinen van de spoorruimte en de afstand tussen componenten

De belangrijkste ruimte op een printplaat wordt ingenomen door de routing. De prototypefasen, telkens wanneer het circuit wordt getest, gebruiken één laag of maximaal een dubbellaagse printplaat. Meestal is het circuit echter gemaakt met behulp van SMD (Surface Mount Devices), wat de ontwerper dwingt om een dubbellaagse printplaat te gebruiken. Door het bord in een dubbele laag te ontwerpen, wordt de oppervlaktetoegang tot alle componenten geopend en biedt het bordruimte voor het routeren van de sporen. De plaatoppervlakte kan weer toenemen als de plaatlaag meer wordt vergroot dan de twee lagen, bijvoorbeeld vier of zes lagen. Maar er is een nadeel. Als het bord is ontworpen met twee, vier of zelfs meer lagen, ontstaat er een enorme complexiteit in termen van testen, repareren en herwerken van een circuit.

Daarom zijn meerdere lagen (voornamelijk vier lagen) alleen mogelijk als het bord goed is getest in de prototypefase. Afgezien van de bordgrootte, is de ontwerptijd ook veel korter dan het ontwerpen van hetzelfde circuit in een groter bord met enkele of dubbele lagen.

Over het algemeen worden Power Traces en Ground Return Path-vullingslagen geïdentificeerd als hoge stroompaden, dus hebben ze dikke sporen nodig. Die hoge sporen kunnen in de TOP- of Bottom-lagen worden gerouteerd en de zwakke stroompaden of signaallagen kunnen worden gebruikt als interne lagen in printplaten met vier lagen. De onderstaande afbeelding toont een 4-laags PCB.

Maar er zijn generieke afwegingen. De kosten van meerlagige printplaten zijn hoger dan die van enkellaagse printplaten. Het is dus essentieel om het kostendoel te berekenen voordat u een enkele of dubbellaagse printplaat vervangt door een printplaat met vier lagen. Maar door het aantal lagen te verhogen, zou de grootte van het bord drastisch kunnen veranderen.

Beheer van de thermische problemen door de koperdikte te veranderen

PCB levert een zeer nuttige case voor ontwerpen met hoge stroomcircuits, namelijk het thermische beheer in PCB's. Wanneer een hoge stroom door een PCB-spoor vloeit, verhoogt dit de warmteafvoer en creëert het weerstand op de paden. Afgezien van de speciale dikke sporen voor het beheer van hoge stroompaden, is een groot voordeel van de PCB het creëren van de PCB-koellichamen. Dus als het circuitontwerp een aanzienlijke hoeveelheid PCB-koperoppervlak gebruikt voor thermisch beheer of enorme ruimtes toewijst voor hoge stroomsporen, kan men de plaatgrootte verkleinen door een toenemende dikte van de koperlaag te gebruiken.

Volgens de IPC2221A moet een ontwerper een minimale spoorbreedte gebruiken voor de vereiste stroompaden, maar er moet rekening worden gehouden met het totale traceeroppervlak. In het algemeen hadden PCB's een koperlaagdikte van 1Oz (35um). Maar de dikte van het koper kan worden vergroot. Daarom, door eenvoudige wiskunde te gebruiken, kan een verdubbeling van de dikte tot 2Oz (70um) de traceergrootte halveren als een brede zelfde stroomcapaciteit. Anders dan dit, kan 2 oz koperdikte ook gunstig zijn voor de op PCB gebaseerde koellichamen. Er is ook de zwaardere kopercapaciteit die ook beschikbaar kan zijn die varieert van 4Oz tot 10Oz.

Het vergroten van de koperdikte vermindert dus effectief de PCB-afmeting. Laten we eens kijken hoe dit effectief kan zijn. De onderstaande afbeelding is een online rekenmachine voor het berekenen van PCB-spoorbreedte.

De waarde van de stroom die door de trace zal stromen, is 1A. De dikte van het koper is ingesteld op 1 Oz (35 um). De stijging van de temperatuur op het spoor zal 10 graden zijn op 25 graden Celsius omgevingstemperatuur. De uitvoer van de spoorbreedte volgens de IPC2221A-standaard is-

Nu, in dezelfde specificatie, als de koperdikte wordt vergroot, kan de spoorbreedte worden verkleind.

De vereiste dikte is slechts-

Component Pakket Selectie

Componentkeuze is een belangrijk ding in een circuitontwerp. Er zijn dezelfde maar verschillende pakketcomponenten beschikbaar in de elektronica. Een eenvoudige weerstand met een vermogen van.125 Watt kan bijvoorbeeld in verschillende pakketten beschikbaar zijn, zoals 0402, 0603, 0805, 1210, enz.

Meestal gebruikt de prototype-PCB grotere componenten die 0805- of 1210-weerstanden gebruiken, evenals niet-gepolariseerde condensatoren met een grotere speling dan algemeen vanwege het gemakkelijker te hanteren, solderen, vervangen of testen. Maar deze tactiek heeft uiteindelijk een enorme hoeveelheid bordruimte. Tijdens de productiefase kunnen de componenten worden veranderd naar een kleinere verpakking met dezelfde classificatie en kan de bordruimte worden gecomprimeerd. We kunnen de verpakkingsgrootte van die componenten verkleinen.

Maar de situatie is welk pakket te kiezen? Het is onpraktisch om kleinere pakketten te gebruiken dan 0402 omdat de standaard pick-and-place-machines die beschikbaar zijn voor de productie mogelijk beperkingen hebben om SMD-pakketten te verwerken die kleiner zijn dan de 0402.

Een ander nadeel van de kleinere componenten is het vermogen. Kleinere pakketten dan de 0603 kunnen een veel lagere stroom aan dan de 0805 of 1210. Daarom zijn zorgvuldige overwegingen vereist om de juiste componenten te selecteren. In dat geval kan men, wanneer de kleinere pakketten niet kunnen worden gebruikt voor het verkleinen van de PCB-afmetingen, de voetafdruk van het pakket bewerken en het componentenblok zo ver mogelijk verkleinen. De ontwerper kan de dingen misschien wat strakker persen door de voetafdrukken te veranderen. Vanwege de ontwerptoleranties is de beschikbare standaard footprint een algemene footprint die elke versie van de pakketten kan bevatten. De footprint van de 0805-pakketten is bijvoorbeeld zo gemaakt dat deze zoveel mogelijk variaties kan dekken voor 0805. De variaties ontstaan ​​door het verschil in productiecapaciteit.Verschillende bedrijven gebruiken verschillende productiemachines die vroeger verschillende toleranties hadden voor hetzelfde 0805-pakket. De standaard voetafdrukken van het pakket zijn dus iets groter dan nodig.

Men kan de footprint handmatig bewerken met behulp van de datasheets van de specifieke componenten en zou de padgrootte naar wens kunnen verkleinen.

De plaatgrootte kan worden verkleind door ook op SMD gebaseerde elektrolytische condensatoren te gebruiken, omdat ze kleinere diameters leken te hebben dan de componenten met doorlopende gaten met dezelfde classificatie.

New Age compacte verbinders

Een ander ruimtebesparend onderdeel zijn de connectoren. De connectoren gebruiken grotere bordruimte en de voetafdruk maakt ook gebruik van pads met een grotere diameter. Het wijzigen van de connectortypen kan erg handig zijn als de stroom- en spanningswaarden dit toelaten.

Het connectorfabrikant, bijvoorbeeld Molex of Wurth Electronics of andere grote bedrijven, leveren altijd meerdere formaten op basis van hetzelfde type connectoren. Het selecteren van de juiste maat kan dus zowel de kosten als de bordruimte besparen.

Weerstandsnetwerken

Vooral in-microcontroller-based design, series passeren weerstanden zijn wat is altijd vereist om de microcontroller van de hoge stroom te beschermen door middel van de IO pinnen. Daarom zijn meer dan 8 weerstanden, soms meer dan 16 weerstanden nodig om als serie-doorlaatweerstanden te worden gebruikt. Zo'n groot aantal weerstanden zorgt voor veel meer ruimte in de printplaat. Dit probleem kan worden opgelost door weerstandsnetwerken te gebruiken. Een eenvoudig 1210 pakket gebaseerd weerstandsnetwerk kan ruimte besparen voor 4 of 6 weerstanden. De onderstaande afbeelding is een 5 weerstand in het 1206-pakket.

Gestapelde pakketten in plaats van standaardpakketten

Er zijn tal van ontwerpen waarvoor meerdere transistors of zelfs meer dan twee MOSFET's nodig zijn voor verschillende doeleinden. Het optellen van individuele transistors of Mosfets kan uiteindelijk meer ruimte opleveren dan het gebruik van gestapelde pakketten.

Er zijn verschillende opties waarbij meerdere componenten in één pakket worden gebruikt. Er zijn bijvoorbeeld ook dubbele Mosfet- of quad-MOSFET-pakketten beschikbaar die de ruimte van slechts één Mosfet innemen en een enorme hoeveelheid bordruimte kunnen besparen.

Deze trucs kunnen op bijna elk onderdeel worden toegepast. Dit leidt tot een kleinere bordruimte en het bonuspunt is dat de kosten van die componenten soms lager zijn dan bij het gebruik van individuele componenten.

De bovenstaande punten zijn de mogelijke uitweg voor het verkleinen van de printplaatgrootte. De kosten, complexiteit versus de PCB-grootte hebben echter altijd enkele cruciale beslissingsgerelateerde afwegingen. Men moet het exacte pad selecteren dat afhankelijk is van de beoogde toepassing of voor dat specifieke doelcircuitontwerp.