- Mehrschichtige Leiterplatte zur Reduzierung des Spurabstands und des Komponentenabstands
- Verwalten der thermischen Probleme durch Ändern der Kupferdicke
- Auswahl des Komponentenpakets
- New Age Compact-Steckverbinder
- Widerstandsnetzwerke
- Gestapelte Pakete anstelle von Standardpaketen
Für jedes elektronische Produkt, sei es ein komplexes Mobiltelefon oder ein anderes einfaches, kostengünstiges Elektronikspielzeug, sind Leiterplatten (PCB) ein wesentlicher Bestandteil. In einem Produktentwicklungszyklus ist das Designkostenmanagement ein großes Problem, und Leiterplatten sind die am meisten vernachlässigte und kostspieligere Komponente in der Stückliste. PCB kostet viel mehr als jede andere in einem Schaltkreis verwendete Komponente. Wenn Sie also die PCB-Größe reduzieren, wird nicht nur die Größe unseres Produkts reduziert, sondern in den meisten Fällen auch die Produktionskosten gesenkt. Die Reduzierung der Leiterplattengröße ist jedoch eine komplexe Frage in der Elektronikproduktion, da die Größe der Leiterplatte von einigen Faktoren abhängt und ihre Grenzen hat. In diesem Artikel werden die Designtechniken zur Reduzierung der Leiterplattengröße beschrieben durch Vergleichen der Kompromisse und möglichen Lösungen.
Mehrschichtige Leiterplatte zur Reduzierung des Spurabstands und des Komponentenabstands
Der Hauptplatz in einer Leiterplatte wird vom Routing eingenommen. Die Prototypenstufen verwenden bei jedem Test der Schaltung eine Schicht oder maximal eine Doppelschicht-Leiterplatte. Meistens wird die Schaltung jedoch mit SMD (Surface Mount Devices) hergestellt, wodurch der Konstrukteur gezwungen wird, eine Doppelschichtplatine zu verwenden. Das Entwerfen der Platine in einer doppelten Schicht eröffnet den Oberflächenzugriff auf alle Komponenten und bietet die Platinenräume zum Verlegen der Leiterbahnen. Der Plattenoberflächenraum kann sich wieder vergrößern, wenn die Plattenschicht stärker vergrößert wird als die zwei Schichten, beispielsweise vier oder sechs Schichten. Es gibt jedoch einen Nachteil. Wenn die Platine aus zwei, vier oder sogar mehr Schichten besteht, entsteht eine enorme Komplexität beim Testen, Reparieren und Nacharbeiten einer Schaltung.
Daher sind mehrere Schichten (hauptsächlich vier Schichten) nur möglich, wenn die Platine in der Prototypenphase gut getestet wurde. Abgesehen von der Platinengröße ist die Entwurfszeit auch viel kürzer als beim Entwurf derselben Schaltung in einer größeren Einzel- oder Doppelschichtplatine.
Im Allgemeinen werden Leistungsspuren und Füllschichten für den Erdungsrücklaufpfad als Hochstrompfade identifiziert, sodass dicke Leiterbahnen erforderlich sind. Diese hohen Spuren können in den oberen oder unteren Schichten geroutet werden, und die Niedrigstrompfade oder Signalschichten können als interne Schichten in Leiterplatten mit vier Schichten verwendet werden. Das folgende Bild zeigt eine 4-lagige Leiterplatte.
Aber es gibt generische Kompromisse. Die Kosten für mehrschichtige Leiterplatten sind höher als für einschichtige Leiterplatten. Daher ist es wichtig, den Kostenzweck zu berechnen, bevor eine ein- oder zweischichtige Leiterplatte auf eine vierschichtige Leiterplatte umgestellt wird. Das Erhöhen der Anzahl der Schichten kann jedoch die Größe der Platine dramatisch verändern.
Verwalten der thermischen Probleme durch Ändern der Kupferdicke
PCB ist ein sehr nützlicher Fall für Hochstromschaltungsdesigns, nämlich das Wärmemanagement in PCB. Wenn ein hoher Strom durch eine Leiterplattenspur fließt, erhöht dies die Wärmeableitung und erzeugt Widerstand auf den Pfaden. Abgesehen von den dedizierten dicken Leiterbahnen für die Verwaltung von Hochstrompfaden besteht ein Hauptvorteil der Leiterplatte darin, die Leiterplattenkühlkörper zu erstellen. Wenn das Schaltungsdesign eine erhebliche Menge an PCB-Kupferfläche für das Wärmemanagement verwendet oder große Räume für Hochstromspuren zugewiesen werden, kann die Platinengröße durch Verwendung einer zunehmenden Kupferschichtdicke verkleinert werden.
Gemäß IPC2221A sollte ein Designer eine minimale Ablaufverfolgungsbreite für die erforderlichen Strompfade verwenden, die gesamte Ablaufverfolgungsfläche sollte jedoch berücksichtigt werden. Im Allgemeinen hatten PCBs eine Kupferschichtdicke von 1Oz (35 um). Die Dicke des Kupfers kann jedoch erhöht werden. Durch einfache Mathematik könnte daher durch Verdoppeln der Dicke auf 2Oz (70 um) die Leiterbahngröße halbiert werden, um die gleiche Stromkapazität zu erreichen. Abgesehen davon kann eine Kupferdicke von 2 Unzen auch für den Kühlkörper auf PCB-Basis von Vorteil sein. Es gibt auch die schwerere Kupferkapazität, die ebenfalls verfügbar sein kann und von 4 Unzen bis 10 Unzen reicht.
Durch Verringern der Kupferdicke wird somit die Leiterplattengröße wirksam verringert. Mal sehen, wie effektiv das sein kann. Das folgende Bild ist ein online-basierter Taschenrechner zur Berechnung der Leiterplattenbreite.
Der Wert des Stroms, der durch die Kurve fließt, beträgt 1A. Die Dicke des Kupfers wird auf 1 Unze (35 um) eingestellt. Der Temperaturanstieg auf der Spur beträgt 10 Grad bei 25 Grad Celsius Umgebungstemperatur. Die Ausgabe der Trace-Breite gemäß IPC2221A-Standard ist:
Wenn nun in derselben Spezifikation die Kupferdicke erhöht wird, kann die Spurenbreite verringert werden.
Die erforderliche Dicke beträgt nur-
Auswahl des Komponentenpakets
Die Auswahl von Komponenten ist eine wichtige Sache in einem Schaltungsdesign. In der Elektronik sind dieselben, aber unterschiedliche Gehäusekomponenten verfügbar. Beispielsweise kann ein einfacher Widerstand mit einer Leistung von 0,125 Watt in verschiedenen Gehäusen wie 0402, 0603, 0805, 1210 usw. erhältlich sein.
In den meisten Fällen werden für die Prototyp-Leiterplatte größere Komponenten verwendet, die 0805- oder 1210-Widerstände verwenden, sowie nicht polarisierte Kondensatoren mit höherem Spiel als allgemein, da sie leichter zu handhaben, zu löten, zu ersetzen oder zu testen sind. Aber diese Taktik hat am Ende sehr viel Platz auf dem Brett. Während der Produktionsphase können die Komponenten auf ein kleineres Paket mit der gleichen Leistung umgestellt und der Platinenraum komprimiert werden. Wir können die Packungsgröße dieser Komponenten reduzieren.
Aber die Situation ist, welches Paket zu wählen? Es ist unpraktisch, kleinere Pakete als 0402 zu verwenden, da die für die Produktion verfügbaren Standard-Bestückungsautomaten möglicherweise Einschränkungen bei der Handhabung von SMD-Paketen aufweisen, die kleiner als 0402 sind.
Ein weiterer Nachteil der kleineren Komponenten ist die Nennleistung. Kleinere Gehäuse als das 0603 können einen viel geringeren Strom als das 0805 oder 1210 verarbeiten. Daher sind sorgfältige Überlegungen erforderlich, um die richtigen Komponenten auszuwählen. In einem solchen Fall kann man, wenn die kleineren Gehäuse nicht zur Reduzierung der Leiterplattengröße verwendet werden können, den Platzbedarf des Gehäuses bearbeiten und das Komponentenpad so weit wie möglich verkleinern. Der Designer kann die Dinge möglicherweise etwas enger zusammendrücken, indem er die Fußabdrücke ändert. Aufgrund der Designtoleranzen ist der verfügbare Standard-Footprint ein allgemeiner Footprint, der jede Version der Pakete enthalten kann. Beispielsweise wird der Platzbedarf der 0805-Verpackungen so festgelegt, dass für 0805 so viele Variationen wie möglich abgedeckt werden können. Die Variationen treten aufgrund der unterschiedlichen Fertigungsmöglichkeiten auf.Verschiedene Unternehmen verwenden unterschiedliche Produktionsmaschinen, die früher unterschiedliche Toleranzen für dasselbe 0805-Paket hatten. Daher sind die Standard-Footprints der Pakete etwas größer als erforderlich.
Man kann den Footprint manuell anhand der Datenblätter der spezifischen Komponenten bearbeiten und die Pad-Größe nach Bedarf verkleinern.
Die Platinengröße kann durch Verwendung von SMD-basierten Elektrolytkondensatoren ebenfalls verkleinert werden, da diese einen kleineren Durchmesser als die Durchgangslochkomponenten mit derselben Nennleistung zu haben schienen.
New Age Compact-Steckverbinder
Eine weitere platzhungrige Komponente sind die Steckverbinder. Die Anschlüsse benötigen mehr Platz auf der Platine und der Platzbedarf verwendet auch Pads mit höherem Durchmesser. Das Ändern der Steckertypen kann sehr nützlich sein, wenn die Strom- und Spannungswerte dies zulassen.
Das Unternehmen, das Steckverbinder herstellt, zum Beispiel Molex oder Wurth Electronics oder andere große Unternehmen, bieten immer mehrere Arten von Steckverbindern an, die auf mehreren Größen basieren. Die Auswahl der richtigen Größe kann somit sowohl die Kosten als auch den Platz auf der Platine einsparen.
Widerstandsnetzwerke
Vor allem in Mikrocontroller-basierten Design, Serie passiert Widerstände sind, was immer erforderlich ist, den Mikrocontroller von hohem Stromfluss durch den IO - Pins zu schützen. Daher müssen mehr als 8 Widerstände, manchmal mehr als 16 Widerstände, als Serienwiderstände verwendet werden. Eine solch große Anzahl von Widerständen bietet viel mehr Platz auf der Leiterplatte. Dieses Problem kann durch Verwendung von Widerstandsnetzwerken gelöst werden. Ein einfaches 1210-Paket-basiertes Widerstandsnetzwerk könnte Platz für 4 oder 6 Widerstände sparen. Das folgende Bild zeigt einen 5-Widerstand im 1206-Gehäuse.
Gestapelte Pakete anstelle von Standardpaketen
Es gibt viele Designs, die mehrere Transistoren oder sogar mehr als zwei MOSFETs für unterschiedliche Zwecke erfordern. Das Addieren einzelner Transistoren oder Mosfets kann mehr Platz beanspruchen als das Verwenden von gestapelten Paketen.
Es gibt eine Vielzahl von Optionen, die mehrere Komponenten in einem einzigen Paket verwenden. Beispielsweise sind auch Dual-Mosfet- oder Quad-MOSFET-Pakete erhältlich, die nur Platz für einen Mosfet beanspruchen und viel Platz auf der Platine sparen könnten.
Diese Tricks können auf fast jede Komponente angewendet werden. Dies führt zu einem kleineren Platz auf der Platine und der Bonuspunkt ist, dass die Kosten für diese Komponenten manchmal niedriger sind als für die Verwendung einzelner Komponenten.
Die obigen Punkte sind der mögliche Ausweg für die Reduzierung der Leiterplattengröße. Die Kosten, die Komplexität im Vergleich zur Leiterplattengröße haben jedoch immer einige entscheidende entscheidungsbezogene Kompromisse. Man muss den genauen Pfad auswählen, der von der Zielanwendung oder für das spezifische Zielschaltungsdesign abhängt.