Vinkkejä ja tekniikoita pienten piirilevyjen suunnitteluun pienentämään piirilevyn kokoa

Kaikille sähköisille tuotteille, olipa kyseessä monimutkainen matkapuhelin tai mikä tahansa muu yksinkertainen edullinen elektroniikkalelu, piirilevyt (PCB) ovat välttämätön komponentti. Tuotekehityssyklissä suunnittelukustannusten hallinta on valtava ongelma, ja piirilevy on BOM: n eniten laiminlyöty ja kalliimpi komponentti. Piirilevy maksaa paljon enemmän kuin mikään muu piirissä käytetty komponentti, joten piirilevyn koon pienentäminen ei vain pienennä tuotteemme kokoa, vaan myös alentaa tuotantokustannuksia useimmissa tapauksissa. Mutta piirilevykoon pienentäminen on monimutkainen kysymys elektroniikan tuotannossa, koska piirilevyn koko riippuu muutamasta asiasta ja sillä on rajoituksia. Tässä artikkelissa kuvataan suunnittelutekniikat piirilevyn koon pienentämiseksi vertaamalla kompromisseja ja mahdollisia ratkaisuja niihin.

Monikerroksinen piirilevy raidatilan ja komponenttien välien pienentämiseksi

Suurin painetun piirilevyn tila on reititys. Prototyyppivaiheissa käytetään aina, kun piiri testataan, yksi tai enintään kaksikerroksinen piirilevy. Piiri tehdään kuitenkin suurimmaksi osaksi SMD: llä (Surface Mount Devices), joka pakottaa suunnittelijan käyttämään kaksikerroksista piirilevyä. Levyn suunnittelu kaksikerroksiseksi avaa pinnan pääsyn kaikkiin komponentteihin ja tarjoaa levytilat jälkien reitittämiseksi. Levyn pinta-ala voi kasvaa uudelleen, jos levykerrosta lisätään enemmän kuin kaksi kerrosta, esimerkiksi neljä tai kuusi kerrosta. Mutta on haittapuoli. Jos kortti on suunniteltu käyttämällä kahta, neljää tai jopa useampaa kerrosta, se aiheuttaa valtavan monimutkaisuuden piirin testauksessa, korjaamisessa ja muokkauksessa.

Siksi useat kerrokset (pääasiassa neljä kerrosta) ovat mahdollisia vain, jos levy on testattu hyvin prototyyppivaiheessa. Muut kuin levyn koko, suunnitteluaika on myös paljon lyhyempi kuin saman piirin suunnittelu isommassa yksikerroksisessa tai kaksikerroksisessa levyssä.

Yleensä tehojäljet ​​ja maan paluureitin täyttökerrokset tunnistetaan suurvirtaisiksi poluiksi, joten ne vaativat paksuja jälkiä. Nämä korkeat jäljet ​​voidaan reitittää Ylä- tai Alakerroksiin ja matalavirtaisia ​​polkuja tai signaalikerroksia voidaan käyttää sisäisinä kerroksina neljässä kerroksessa PCB. Alla olevassa kuvassa on 4-kerroksinen piirilevy.

Mutta on olemassa yleisiä kompromisseja. Monikerroksisen piirilevyn hinta on korkeampi kuin yksikerroksiset levyt. Siksi on välttämätöntä laskea kustannustarkoitus ennen yhden tai kaksikerroksisen levyn vaihtamista nelikerroksiseksi piirilevyksi. Mutta kerrosten määrän lisääminen voi muuttaa dramaattisesti levyn kokoa.

Lämpökysymysten hallinta muuttamalla kuparin paksuutta

Piirilevy on erittäin hyödyllinen tapaus suurten virtapiirien suunnittelussa, joka on piirilevyn lämmönhallinta. Kun suuri virta kulkee piirilevyjäljen läpi, se lisää lämmöntuotantoa ja luo vastuksen poluille. Kuitenkin, lukuun ottamatta omistettuja paksuja jälkiä suurten virtareittien hallitsemiseksi, piirilevyn merkittävä etu on luoda piirilevyn jäähdytyselementit. Siten, jos piirisuunnittelussa käytetään huomattavaa määrää piirilevyn kuparipinta-alaa lämmönhallinnassa tai varataan valtavat tilat suurivirtajäljille, voidaan levyn kokoa pienentää käyttämällä kuparikerroksen paksuuden kasvua.

IPC2221A: n mukaan suunnittelijan on käytettävä vähimmäisjälkileveyttä vaadituille nykyisille poluille, mutta on otettava huomioon koko jäljityspinta-ala. Yleensä PCB: n kuparikerroksen paksuus oli 1Oz (35um). Mutta kuparin paksuutta voidaan lisätä. Siksi yksinkertaisen matematiikan avulla paksuuden kaksinkertaistaminen 2Oz: iin (70um) saattaisi leikata jäljen koon puoliksi laajaksi samaksi virtakapasiteetiksi. Tämän lisäksi 2Oz-kuparipaksuus voi olla hyödyllinen myös piirilevyyn perustuvalle jäähdytyselementille. Saatavana on myös painavampi kuparikapasiteetti, joka voi vaihdella välillä 4Oz - 10Oz.

Siten kuparin paksuuden lisääminen vähentää tehokkaasti PCB-kokoa. Katsotaanpa, kuinka tämä voi olla tehokasta. Alla oleva kuva on online-pohjainen laskin piirilevyn jäljitysleveyden laskemiseksi.

Jäljen läpi virtaavan virran arvo on 1A. Kuparin paksuudeksi asetetaan 1 Oz (35 um). Lämpötilan nousu jäljellä on 10 astetta 25 celsiusasteen ympäristön lämpötilassa. Jalkaleveyden lähtö IPC2221A-standardin mukaisesti on

Nyt samassa eritelmässä, jos kuparin paksuutta lisätään, jäljitysleveyttä voidaan pienentää.

Tarvittava paksuus on vain

Komponenttipaketin valinta

Komponenttien valinta on tärkeä asia piirisuunnittelussa. Elektroniikassa on samat, mutta erilaiset pakettikomponentit. Esimerkiksi yksinkertaista vastusta, jonka luokitus on.125 wattia, voi olla saatavana eri paketeissa, kuten 0402, 0603, 0805, 1210 jne.

Suurimman osan ajasta, piirilevyn prototyyppi käyttää suurempia komponentteja, jotka käyttävät 0805- tai 1210-vastuksia, sekä polarisoimattomia kondensaattoreita, joiden välys on yleistä korkeampi, koska niitä on helpompi käsitellä, juottaa, vaihtaa tai testata. Mutta tällä taktiikalla on valtava määrä laudatilaa. Tuotantovaiheessa komponentit voidaan vaihtaa pienempään pakettiin, jolla on sama luokitus, ja levytilaa voidaan pakata. Voimme pienentää näiden komponenttien pakkauskokoa.

Mutta tilanne on mikä paketti valita? Pienempien pakettien kuin 0402 käyttö on käytännössä epäkäytännöllistä, koska tuotantoon käytettävissä olevilla tavallisilla poiminta- ja sijoituslaitteilla voi olla rajoituksia 0402: ta pienempien SMD-pakettien käsittelemiseen.

Toinen pienempien komponenttien haittapuoli on tehotaso. Pienemmät paketit kuin 0603 pystyvät käsittelemään paljon pienempää virtaa kuin 0805 tai 1210. Joten oikean komponentin valinta edellyttää huolellista harkintaa. Tällöin aina, kun pienempiä pakkauksia ei voida käyttää piirilevykokojen pienentämiseen, voidaan muokata pakkauksen jalanjälkeä ja kutistaa komponenttityyny mahdollisimman pitkälle. Suunnittelija voi pystyä puristamaan asioita hieman tiukemmin muuttamalla jalanjälkiä. Suunnittelutoleranssien vuoksi käytettävissä oleva oletusjalanjälki on yleinen jalanjälki, johon mahtuu mikä tahansa pakettiversio. Esimerkiksi 0805-pakettien jalanjälki on tehty siten, että se voi kattaa mahdollisimman monen muunnelman vuodelle 0805. Vaihtelut tapahtuvat valmistuskyvyn eron vuoksi.Eri yritykset käyttävät erilaisia ​​tuotantokoneita, joilla aiemmin oli erilaiset toleranssit samalle 0805-paketille. Paketin oletusjalanjäljet ​​ovat siten hieman suurempia kuin tarvitaan.

Voidaan muokata jalanjälkeä manuaalisesti tiettyjen komponenttien taulukoilla ja pienentää tyynyn kokoa tarvittaessa.

Levyn kokoa voidaan kutistaa myös käyttämällä SMD-pohjaisia ​​elektrolyyttikondensaattoreita, koska niiden halkaisijat näyttivät olevan pienempiä kuin läpireikäkomponentit samalla luokituksella.

New Age Compact -liittimet

Toinen avaruuden nälkäinen komponentti on liittimet. Liittimet käyttävät suurempaa levytilaa ja jalanjälki käyttää myös halkaisijaltaan suurempia tyynyjä. Liitintyyppien vaihtaminen voi olla erittäin hyödyllistä, jos virta- ja jännitearvot sallivat.

Liittimiä valmistava yritys, esimerkiksi Molex tai Wurth Electronics tai muut suuret yritykset, tarjoavat aina useita kokoja perustuvia samantyyppisiä liittimiä. Oikean koon valitseminen voisi siten säästää kustannuksia ja levytilaa.

Vastusverkot

Lähinnä mikrokontrolleripohjaisessa suunnittelussa sarjapäästövastukset ovat niitä, joita tarvitaan aina suojaamaan mikro-ohjainta suurelta virtaukselta IO-nastojen läpi. Siksi yli 8 vastusta, joskus yli 16 vastusta vaaditaan käytettäväksi sarjavastuksina. Tällainen valtava määrä vastuksia lisää paljon enemmän tilaa piirilevyssä. Tämä ongelma voidaan ratkaista käyttämällä vastusverkkoja. Yksinkertainen 1210-pakettipohjainen vastusverkko voisi säästää tilaa 4 tai 6 vastukselle. Alla oleva kuva on 5 vastus 1206-paketissa.

Pinotut paketit tavallisten pakettien sijaan

On paljon malleja, jotka vaativat useita transistoreita tai jopa enemmän kuin kaksi MOSFETiä eri tarkoituksiin. Yksittäisten transistoreiden tai Mosfetsin lisääminen saattaa johtaa enemmän tilaa kuin pinottujen pakettien käyttö.

On olemassa useita vaihtoehtoja, jotka käyttävät useita komponentteja yhdessä paketissa. Esimerkiksi saatavana on myös kaksi Mosfet- tai quad MOSFET -pakettia, jotka vievät vain yhden Mosfetin tilan ja voivat säästää valtavasti levytilaa.

Näitä temppuja voidaan soveltaa melkein jokaiseen komponenttiin. Tämä johtaa pienempään lautatilaan ja bonuspiste on, joskus näiden komponenttien kustannukset ovat pienemmät kuin yksittäisten komponenttien käytön.

Edellä olevat kohdat ovat mahdollinen tie PCB-koon pienentämiseen. Kustannuksilla, monimutkaisuudella ja piirilevykokolla on kuitenkin aina joitain ratkaisevia päätöksentekoon liittyviä kompromisseja. On valittava tarkka polku, joka riippuu kohdennetusta sovelluksesta tai kyseisestä kohdennetusta piirisuunnitelmasta.