- PCB רב שכבתי לצמצום שטח המסלול ומרווח הרכיבים
- ניהול הנושאים התרמיים על ידי שינוי עובי הנחושת
- בחירת חבילות רכיבים
- מחברים קומפקטיים של ניו אייג '
- רשתות נגד
- חבילות מוערמות במקום חבילות סטנדרטיות
לכל מוצר אלקטרוני, בין אם זה טלפון נייד מורכב או כל צעצוע אלקטרוניקה פשוט בעלות נמוכה אחרת, לוחות מעגלים מודפסים (PCB) הם מרכיב חיוני. במחזור פיתוח מוצרים, ניהול עלויות תכנון הוא נושא עצום ו- PCB הוא המרכיב המוזנח והיקר ביותר ב- BOM. עלות PCB עולה הרבה יותר מכל רכיב אחר שמשתמשים במעגל, כך שהקטנת גודל ה- PCB לא רק תפחית את גודל המוצר שלנו אלא תוריד את עלויות הייצור ברוב המקרים. אבל כיצד להפחית גודל PCB זו שאלה מורכבת בייצור אלקטרוניקה מכיוון שגודל ה- PCB תלוי בכמה דברים ויש לו מגבלות. במאמר זה נתאר את טכניקות העיצוב להפחתת גודל ה- PCB על ידי השוואת הפשרות והפתרונות האפשריים אליו.
PCB רב שכבתי לצמצום שטח המסלול ומרווח הרכיבים
החלל העיקרי במעגלים מודפסים נלקח על ידי הניתוב. שלבי האב-טיפוס, בכל פעם שהמעגל נבדק, משתמשים בשכבה אחת או מקסימום בלוח PCB בעל שכבה כפולה. עם זאת, לרוב, המעגל נעשה באמצעות SMD (Surface Mount Devices) שמאלץ את המעצב להשתמש בלוח מעגל שכבה כפולה. תכנון הלוח בשכבה כפולה פותח את גישת השטח לכל הרכיבים ומספק את רווחי הלוח לניתוב העקבות. שטח פני הלוח יכול לגדול שוב אם שכבת הלוח מוגדלת יותר משתי השכבות, למשל, ארבע או שש שכבות. אבל, יש חיסרון. אם הלוח מתוכנן באמצעות שתיים, ארבע או אפילו יותר שכבות יוצרים מורכבות עצומה מבחינת בדיקות, תיקונים ועיבוד חוזר של מעגל.
לכן, שכבות מרובות (ארבע שכבות בעיקר) אפשריות רק אם הלוח נבדק היטב בשלב האב-טיפוס. מלבד גודל הלוח, זמן העיצוב הוא גם קצר בהרבה מעיצוב אותו מעגל בלוח שכבות יחיד או כפול גדול יותר.
ככלל, עקבות כוח ושכבות מילוי שביל חזרה לקרקע מזוהות כנתיבים זרמים גבוהים, ולכן הן דורשות עקבות עבים. ניתן לנתב את העקבות הגבוהים בשכבות ה- TOP או התחתונה ונתיבי הזרם הנמוכים או שכבות האות יכולים לשמש כשכבות פנימיות בארבע שכבות PCB. התמונה למטה מציגה PCB בעל 4 שכבות.
אבל יש פשרות גנריות. העלות של PCB רב שכבתי גבוהה יותר מלוחות שכבה אחת. לפיכך, חיוני לחשב את מטרת העלות לפני שינוי לוח יחיד או שכבה כפולה לארבע שכבות PCB. אך הגדלת מספר השכבות עשויה לשנות באופן דרמטי את גודל הלוח.
ניהול הנושאים התרמיים על ידי שינוי עובי הנחושת
PCB תורם מקרה שימושי מאוד לתכנון מעגלים בזרם גבוה, שהוא הניהול התרמי ב- PCB. כאשר זרם גבוה זורם במעקב PCB, הוא מגביר את פיזור החום ויוצר התנגדות בנתיבים. עם זאת, מלבד העקבות העבותים הייעודיים לניהול נתיבים בעלי זרם גבוה, יתרון גדול של ה- PCB הוא יצירת כיורי החום של PCB. לפיכך, אם תכנון המעגל משתמש בכמות משמעותית של שטח נחושת PCB לניהול תרמי או הקצאת חללים עצומים לעקבות זרם גבוה, ניתן לכווץ את גודל הלוח באמצעות הגדלת עובי שכבת הנחושת.
בהתאם ל- IPC2221A, על מעצב להשתמש ברוחב עקבות מינימלי עבור הנתיבים הנוכחיים הנדרשים, אך יש לקחת בחשבון את שטח העקבות הכולל. באופן כללי, בעבר היו PCBs עובי שכבת הנחושת 1Oz (35um). אך ניתן להגדיל את עובי הנחושת. לכן, על ידי שימוש במתמטיקה פשוטה, הכפלת העובי ל -2 Oz (70um) עלולה לחתוך את גודל העקבות כמחצית קיבולת הנוכחית. מלבד זאת, עובי נחושת 2Oz יכול להועיל גם עבור גוף הקירור מבוסס PCB. יש גם יכולת נחושת כבדה יותר שיכולה להיות זמינה שנעה בין 4 עוז ל -10 עוז.
כך, הגדלת עובי הנחושת מפחיתה ביעילות את גודל ה- PCB. בואו נראה איך זה יכול להיות יעיל. התמונה שלהלן היא מחשבון מבוסס מקוון לחישוב רוחב עקבות PCB.
ערך הזרם שיזרום דרך העקבה הוא 1A. עובי הנחושת נקבע כ- 1 עוז (35 אום). עליית הטמפרטורה על המסלול תהיה 10 מעלות בטמפרטורת הסביבה של 25 מעלות צלזיוס. תפוקת רוחב העקבות לפי תקן IPC2221A היא-
כעת, באותה מפרט, אם עובי הנחושת גדל, ניתן להקטין את רוחב העקבות.
העובי הנדרש הוא רק-
בחירת חבילות רכיבים
בחירת רכיבים היא דבר מרכזי בתכנון מעגלים. ישנם רכיבי חבילה זהים אך שונים הזמינים באלקטרוניקה. לדוגמא, נגד פשוט עם דירוג של.125 וואט יכול להיות זמין בחבילות שונות, כמו 0402, 0603, 0805, 1210 וכו '.
לרוב, האב-טיפוס PCB משתמש ברכיבים גדולים יותר המשתמשים בנגדים 0805 או 1210 וכן בקבלים שאינם מקוטבים עם מרווח גבוה יותר מאשר כללי בגלל קל יותר לטיפול, הלחמה, החלפה או בדיקה. אבל בסופו של דבר לטקטיקה זו יש שטח עצום על הלוח. בשלב הייצור ניתן לשנות את הרכיבים לחבילה קטנה יותר עם דירוג זהה וניתן לדחוס את שטח הלוח. אנו יכולים להפחית את גודל החבילה של אותם רכיבים.
אבל המצב הוא באיזו חבילה לבחור? זה לא מעשי להשתמש בחבילות קטנות יותר מ- 0402 מכיוון שלמכונות הבחירה והמקום הסטנדרטיות הזמינות לייצור עשויות להיות מגבלות לטפל בחבילות SMD הקטנות מ- 0402.
חסרון נוסף של הרכיבים הקטנים יותר הוא דירוג ההספק. חבילות קטנות יותר מ- 0603 יכולות להתמודד עם זרם נמוך בהרבה מ- 0805 או 1210. לכן, נדרשים שיקולים זהירים לבחירת הרכיבים המתאימים. במקרה כזה, בכל פעם שלא ניתן להשתמש בחבילות הקטנות להפחתת גדלי PCB, ניתן לערוך את טביעת הרגל של החבילה ועלול לכווץ את משטח הרכיבים עד כמה שאפשר. ייתכן שהמעצב יוכל לסחוט דברים מעט יותר על ידי שינוי עקבות הרגליים. בשל סובלנות התכנון, טביעת הרגל המוגדרת כברירת מחדל היא טביעת רגל נפוצה שיכולה להכיל כל גרסה של החבילות. לדוגמה, טביעת הרגל של חבילות 0805 נעשית באופן שיוכל לכסות כמה שיותר וריאציות עבור 0805. הווריאציות קורות בגלל ההבדל ביכולת הייצור.חברות שונות משתמשות במכונות ייצור שונות שבעבר היו בעלי סובלנות שונות לאותה חבילה 0805. לפיכך, עקבות ברירת המחדל של החבילה מעט גדולות מהנדרש.
אפשר לערוך ידנית את טביעת הרגל באמצעות גליונות הנתונים של הרכיבים הספציפיים ועלולים לכווץ את גודל הרפידות כנדרש.
ניתן לכווץ את גודל הלוח על ידי שימוש בקבלים אלקטרוליטיים מבוססי SMD מכיוון שנראה שיש להם קטרים קטנים יותר מאשר רכיבי החור באמצעות דירוג זהה.
מחברים קומפקטיים של ניו אייג '
רכיב רעב חלל נוסף הוא המחברים. המחברים משתמשים בשטח לוח גדול יותר וטביעת הרגל משתמשת גם ברפידות בקוטר גבוה יותר. שינוי סוגי המחברים יכול להיות שימושי מאוד אם דירוג הזרם והמתח מאפשר זאת.
חברת ייצור המחברים, למשל, Molex או Wurth Electronics או כל חברות גדולות אחרות תמיד מספקות מספר סוגים של מחברים בגודל מרובה. לפיכך, בחירת הגודל הנכון עשויה לחסוך את העלות וכן את שטח הלוח.
רשתות נגד
בעיקר בתכנון מבוסס מיקרו-בקר, נגדי מעבר סדרתי הם הנדרשים תמיד כדי להגן על המיקרו-בקר מפני זרם זרם גבוה דרך סיכות ה- IO. לכן, יותר מ -8 נגדים, לפעמים יותר מ -16 נגדים נדרשים לשמש כנגדי מעבר סדרתי. מספר עצום כזה של נגדים מוסיף מקום רב יותר ב- PCB. ניתן לפתור בעיה זו באמצעות רשתות נגדים. רשת נגדים פשוטה מבוססת 1210 יכולה לחסוך מקום ל -4 או 6 נגדים. התמונה למטה היא נגד 5 בחבילה 1206.
חבילות מוערמות במקום חבילות סטנדרטיות
יש הרבה עיצובים הדורשים טרנזיסטורים מרובים או אפילו יותר משני MOSFET למטרות שונות. הוספת טרנזיסטורים או Mosfets בודדים עלולה בסופו של דבר ליותר מקום מאשר להשתמש בחבילות מוערמות.
ישנן מגוון אפשרויות המשתמשות במספר רכיבים בחבילה אחת. לדוגמה, זמינות גם חבילות Mosfet כפולות או מרובעות MOSFET שתופסות מקום של Mosfet אחד בלבד ויכולות לחסוך כמות עצומה של שטח לוח.
ניתן ליישם את הטריקים הללו כמעט על כל רכיב. זה מוביל למרחב לוח קטן יותר ונקודת הבונוס היא, לפעמים העלות של רכיבים אלה נמוכה יותר משימוש ברכיבים בודדים.
הנקודות שלעיל הן הדרך האפשרית להפחתת גודל PCB. עם זאת, לעלות, למורכבות לעומת גודל ה- PCB יש תמיד כמה פשרות מכריעות הקשורות להחלטות. צריך לבחור את הנתיב המדויק שתלוי ביישום הממוקד או עבור אותו תכנון מעגל ממוקד ספציפי.