Советы и методы проектирования небольших печатных плат для уменьшения размера печатной платы

Для любого электронного продукта, будь то сложный мобильный телефон или любая другая простая недорогая электронная игрушка, печатные платы (PCB) являются важным компонентом. В цикле разработки продукта управление затратами на проектирование является огромной проблемой, а печатная плата является наиболее игнорируемым и более дорогостоящим компонентом спецификации. Печатная плата стоит гораздо больше, чем любой другой компонент, используемый в схеме, поэтому уменьшение размера печатной платы не только уменьшит размер нашего продукта, но и в большинстве случаев снизит производственные затраты. Но как уменьшить размер печатной платы - сложный вопрос в производстве электроники, поскольку размер печатной платы зависит от нескольких факторов и имеет свои ограничения. В этой статье мы опишем методы проектирования для уменьшения размера печатной платы. сравнивая компромиссы и возможные решения.

Многослойная печатная плата для уменьшения пространства дорожек и компонентов

Основное место на печатной плате занимает разводка. На этапах прототипа, когда схема тестируется, используется один или максимум двухслойная печатная плата. Однако в большинстве случаев схема выполняется с использованием SMD (устройств для поверхностного монтажа), что заставляет разработчика использовать двухслойную печатную плату. Двухслойная конструкция платы открывает доступ ко всем компонентам с поверхности и предоставляет места на плате для трассировки дорожек. Пространство поверхности платы может снова увеличиться, если слой платы увеличивается больше, чем два слоя, например, четыре или шесть слоев. Но есть недостаток. Если плата спроектирована с использованием двух, четырех или даже более слоев, это создает огромные сложности с точки зрения тестирования, ремонта и доработки схемы.

Следовательно, использование нескольких слоев (в основном четырех слоев) возможно только в том случае, если плата хорошо протестирована на этапе прототипа. Помимо размера платы, время разработки также намного короче, чем разработка той же схемы на более крупной однослойной или двухслойной плате.

Обычно слои заполнения дорожек питания и обратного заземления идентифицируются как пути с большим током, поэтому для них требуются толстые дорожки. Эти высокие дорожки могут быть проложены в верхних или нижних слоях, а слаботочные пути или сигнальные слои могут использоваться в качестве внутренних слоев в четырехслойных печатных платах. На изображении ниже показана 4-х слойная печатная плата.

Но есть общие компромиссы. Стоимость многослойных плат выше, чем однослойных. Таким образом, перед заменой однослойной или двухслойной платы на четырехслойную печатную плату важно рассчитать целевую стоимость. Но увеличение количества слоев могло резко изменить размер доски.

Решение тепловых проблем путем изменения толщины меди

Печатная плата является очень полезным случаем для проектирования сильноточных цепей, которым является управление температурой в печатной плате. Когда через дорожку печатной платы протекает большой ток, это увеличивает рассеивание тепла и создает сопротивление на дорожках. Однако, помимо выделенных толстых дорожек для управления путями с большим током, основным преимуществом печатной платы является создание радиаторов печатной платы. Таким образом, если в схеме используется значительная часть медной поверхности печатной платы для управления температурой или выделяется огромное пространство для сильноточных трасс, можно уменьшить размер платы, увеличив толщину медного слоя.

Согласно IPC2221A, разработчик должен использовать минимальную ширину трассы для требуемых путей тока, но следует учитывать общую площадь трассы. Обычно на печатных платах толщина медного слоя составляла 1 унцию (35 мкм). Но толщину меди можно увеличить. Следовательно, используя простую математику, удвоение толщины до 2 унций (70 мкм) могло бы сократить размер дорожки вдвое по сравнению с широкой той же допустимой нагрузкой. Помимо этого, толщина меди в 2 унции может быть полезна и для радиатора на печатной плате. Существует также более тяжелая емкость для меди, которая также может быть доступна в диапазоне от 40 до 10 унций.

Таким образом, увеличение толщины меди эффективно уменьшает размер печатной платы. Посмотрим, как это может быть эффективным. На изображении ниже представлен онлайн-калькулятор для расчета ширины дорожки печатной платы.

Значение тока, которое будет протекать через дорожку, составляет 1 А. Толщина меди установлена ​​равной 1 унции (35 мкм). Повышение температуры на трассе составит 10 градусов при температуре окружающей среды 25 градусов по Цельсию. Вывод ширины следа в соответствии со стандартом IPC2221A:

Теперь, в той же спецификации, если толщина меди увеличена, ширина дорожки может быть уменьшена.

Требуемая толщина только-

Выбор пакета компонентов

Выбор компонентов - важная вещь в схемотехнике. В электронике доступны такие же, но разные компоненты корпуса. Например, простой резистор номиналом 0,125 Вт может быть доступен в разных корпусах, например 0402, 0603, 0805, 1210 и т. Д.

В большинстве случаев прототип печатной платы использует более крупные компоненты, в которых используются резисторы 0805 или 1210, а также неполяризованные конденсаторы с более высоким зазором, чем обычно, из-за того, что их легче обрабатывать, паять, заменять или тестировать. Но эта тактика приводит к огромному количеству места на доске. На этапе производства компоненты могут быть заменены на меньший корпус с тем же номиналом, а пространство на плате может быть сжато. Мы можем уменьшить размер пакета этих компонентов.

Но вопрос в том, какой пакет выбрать? Непрактично использовать пакеты меньшего размера, чем 0402, потому что стандартные машины для захвата и размещения, доступные для производства, могут иметь ограничения на обработку пакетов SMD меньшего размера, чем 0402.

Еще один недостаток более мелких компонентов - это номинальная мощность. Пакеты меньшего размера, чем 0603, могут работать с гораздо меньшим током, чем 0805 или 1210. Таким образом, необходимо тщательно продумать выбор подходящих компонентов. В таком случае, когда меньшие пакеты не могут быть использованы для уменьшения размеров печатной платы, можно отредактировать посадочное место пакета и можно максимально сжать площадку компонентов. Дизайнер может сжать вещи немного сильнее, изменив следы. Из-за конструктивных допусков доступное посадочное место по умолчанию - это обычное посадочное место, которое может содержать любую версию пакетов. Например, размер упаковки 0805 выполнен таким образом, что он может охватывать как можно больше вариаций для 0805. Различия происходят из-за разницы в производственных возможностях.Разные компании используют разные производственные машины, которые раньше имели разные допуски для одной и той же упаковки 0805. Таким образом, посадочные места пакета по умолчанию немного больше, чем необходимо.

Можно вручную отредактировать посадочное место, используя таблицы данных конкретных компонентов, и при необходимости уменьшить размер контактной площадки.

Размер платы можно уменьшить, используя электролитические конденсаторы на основе SMD, потому что они, казалось, имели меньший диаметр, чем компоненты со сквозным отверстием с тем же номиналом.

Компактные разъемы New Age

Еще один компонент, занимающий мало места, - разъемы. Разъемы занимают больше места на плате, а в занимаемой площади также используются контактные площадки большего диаметра. Изменение типов разъемов может быть очень полезным, если позволяют номинальные ток и напряжение.

Компания-производитель соединителей, например Molex или Wurth Electronics, или любые другие крупные компании всегда предоставляют соединители одного и того же типа разных размеров. Таким образом, выбор правильного размера может сэкономить как стоимость, так и место на плате.

Резисторные сети

В основном в конструкции на основе микроконтроллера, резисторы последовательного прохода - это то, что всегда требуется для защиты микроконтроллера от протекания большого тока через контакты ввода-вывода. Следовательно, для использования в качестве последовательно проходящих резисторов требуется более 8 резисторов, иногда более 16 резисторов. Такое огромное количество резисторов добавляет гораздо больше места на печатной плате. Решить эту проблему можно с помощью резисторных цепей. Простая сеть резисторов на основе корпуса 1210 может сэкономить место для 4 или 6 резисторов. На изображении ниже показан резистор 5 в корпусе 1206.

Сложенные пакеты вместо стандартных пакетов

Существует множество конструкций, в которых требуется несколько транзисторов или даже более двух полевых МОП-транзисторов для разных целей. Добавление отдельных транзисторов или МОП-транзисторов может занять больше места, чем использование составных пакетов.

Существует множество вариантов использования нескольких компонентов в одном пакете. Например, также доступны пакеты с двойным МОП-транзистором или с четырьмя МОП-транзисторами, которые занимают место только одного МОП-транзистора и могут сэкономить огромное количество места на плате.

Эти приемы можно применить практически ко всем компонентам. Это приводит к меньшему пространству на плате, и иногда стоимость этих компонентов ниже, чем при использовании отдельных компонентов.

Вышеупомянутые моменты - возможный выход для уменьшения размеров печатной платы. Однако стоимость, сложность и размер печатной платы всегда имеют важные компромиссы, связанные с принятием решений. Необходимо выбрать точный путь, который зависит от целевого приложения или от конкретной целевой схемы.