Mẹo và kỹ thuật thiết kế bảng mạch nhỏ để thu nhỏ kích thước pcb

Đối với bất kỳ sản phẩm điện tử nào, có thể là điện thoại di động phức tạp hay bất kỳ đồ chơi Điện tử đơn giản giá rẻ nào khác, Bảng mạch in (PCB) là một thành phần thiết yếu. Trong chu kỳ phát triển sản phẩm, quản lý chi phí thiết kế là một vấn đề rất lớn và PCB là thành phần bị bỏ quên và tốn kém hơn trong BOM. PCB có giá cao hơn nhiều so với bất kỳ thành phần nào khác được sử dụng trong mạch, vì vậy việc giảm kích thước PCB sẽ không chỉ làm giảm kích thước sản phẩm của chúng ta mà còn làm giảm chi phí sản xuất trong hầu hết các trường hợp. Tuy nhiên, làm thế nào để giảm kích thước PCB là một câu hỏi phức tạp trong sản xuất điện tử vì kích thước của PCB phụ thuộc vào một số thứ và có những hạn chế của nó. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ mô tả các Kỹ thuật thiết kế để giảm kích thước PCB bằng cách so sánh sự cân bằng và các giải pháp khả thi cho nó.

PCB nhiều lớp để giảm không gian theo dõi và khoảng cách thành phần

Không gian chính trong Bảng mạch in được thực hiện bởi định tuyến. Các giai đoạn nguyên mẫu, bất cứ khi nào mạch được kiểm tra, sử dụng một lớp hoặc tối đa bảng mạch PCB hai lớp. Tuy nhiên, hầu hết thời gian, mạch được làm bằng SMD (Thiết bị gắn trên bề mặt), buộc nhà thiết kế phải sử dụng bảng mạch hai lớp. Việc thiết kế bo mạch trong một lớp kép mở ra khả năng truy cập bề mặt vào tất cả các thành phần và cung cấp không gian cho bo mạch để định tuyến các dấu vết. Không gian bề mặt bảng có thể tăng trở lại nếu lớp bảng được tăng lên nhiều hơn hai lớp, ví dụ, bốn hoặc sáu lớp. Nhưng, có một nhược điểm. Nếu bo mạch được thiết kế bằng cách sử dụng hai, bốn hoặc thậm chí nhiều lớp hơn sẽ tạo ra sự phức tạp rất lớn về mặt kiểm tra, sửa chữa và làm lại mạch.

Do đó, chỉ có thể thực hiện nhiều lớp (chủ yếu là bốn lớp) nếu bảng được kiểm tra tốt trong giai đoạn nguyên mẫu. Ngoài kích thước bảng, thời gian thiết kế cũng ngắn hơn nhiều so với việc thiết kế cùng một mạch trong bảng đơn hoặc hai lớp lớn hơn.

Nói chung, các lớp lấp đầy đường dẫn điện và đường trở lại mặt đất được xác định là các đường dẫn dòng điện cao, do đó chúng yêu cầu dấu vết dày. Các dấu vết cao đó có thể được định tuyến trong các lớp TOP hoặc Bottom và các đường dẫn dòng điện thấp hoặc các lớp tín hiệu có thể được sử dụng như các lớp bên trong trong bốn lớp PCB. Hình ảnh dưới đây cho thấy một PCB 4 lớp.

Nhưng có những sự đánh đổi chung. Chi phí của PCB nhiều lớp cao hơn so với bo mạch một lớp. Vì vậy, điều cần thiết là phải tính toán mục đích chi phí trước khi thay đổi bo mạch một lớp hoặc hai lớp thành PCB bốn lớp. Nhưng việc tăng số lượng lớp có thể thay đổi đáng kể kích thước của bảng.

Quản lý các vấn đề nhiệt bằng cách thay đổi độ dày đồng

PCB đóng góp một trường hợp rất hữu ích cho các thiết kế mạch dòng cao, đó là Quản lý nhiệt trong PCB. Khi một dòng điện cao chạy qua một vết PCB, nó sẽ làm tăng khả năng tản nhiệt và tạo ra điện trở trên các đường dẫn. Tuy nhiên, khác với các dấu vết dày chuyên dụng để quản lý các đường dẫn dòng điện cao, một ưu điểm chính của PCB là tạo ra các tản nhiệt PCB. Do đó, nếu thiết kế mạch đang sử dụng một lượng đáng kể diện tích đồng PCB để quản lý nhiệt hoặc phân bổ không gian lớn cho các vết dòng điện cao, người ta có thể thu nhỏ kích thước bảng bằng cách tăng độ dày lớp đồng.

Theo IPC2221A, một nhà thiết kế nên sử dụng chiều rộng vết tối thiểu cho các đường dẫn dòng điện cần thiết, nhưng cần xem xét tổng diện tích vết. Nói chung, PCB thường có độ dày lớp đồng là 1Oz (35um). Nhưng độ dày của đồng có thể được tăng lên. Do đó, bằng cách sử dụng phép toán đơn giản, việc tăng gấp đôi độ dày lên 2Oz (70um) có thể giảm một nửa kích thước vết như một công suất hiện tại rộng như nhau. Ngoài ra, độ dày đồng 2Oz cũng có thể có lợi cho tản nhiệt dựa trên PCB. Ngoài ra còn có dung lượng đồng nặng hơn cũng có thể có trong khoảng từ 4Oz đến 10Oz.

Do đó, việc tăng độ dày đồng làm giảm kích thước PCB một cách hiệu quả. Hãy xem cách này có thể hiệu quả như thế nào. Hình ảnh dưới đây là một máy tính dựa trên trực tuyến để tính toán độ rộng vết PCB.

Giá trị của dòng điện sẽ chạy qua vết là 1A. Độ dày của đồng được đặt là 1 Oz (35 um). Sự gia tăng nhiệt độ trên dấu vết sẽ là 10 độ trên nhiệt độ môi trường xung quanh 25 độ C. Đầu ra của chiều rộng vết theo tiêu chuẩn IPC2221A là-

Bây giờ, trong cùng một thông số kỹ thuật, nếu độ dày đồng được tăng lên, chiều rộng vết có thể được giảm xuống.

Độ dày được yêu cầu chỉ là-

Lựa chọn gói thành phần

Lựa chọn thành phần là một điều quan trọng trong thiết kế mạch. Có những thành phần gói giống nhau nhưng khác nhau có sẵn trong thiết bị điện tử. Ví dụ: một điện trở đơn giản có định mức.125 Watt có thể có sẵn trong các gói khác nhau, như 0402, 0603, 0805, 1210, v.v.

Hầu hết thời gian, PCB nguyên mẫu sử dụng các thành phần lớn hơn sử dụng điện trở 0805 hoặc 1210 cũng như các tụ điện không phân cực có độ hở cao hơn so với thông thường vì dễ xử lý, hàn, thay thế hoặc kiểm tra hơn. Nhưng chiến thuật này cuối cùng sẽ có một lượng lớn không gian bảng. Trong giai đoạn sản xuất, các thành phần có thể được thay đổi thành một gói nhỏ hơn với cùng xếp hạng và không gian bảng có thể được nén lại. Chúng ta có thể giảm kích thước gói của các thành phần đó.

Nhưng tình hình là chọn gói nào? Việc sử dụng các gói nhỏ hơn 0402 là không thực tế vì máy chọn và đặt tiêu chuẩn có sẵn cho sản xuất có thể có những hạn chế để xử lý các gói SMD nhỏ hơn 0402.

Một nhược điểm khác của các thành phần nhỏ hơn là định mức công suất. Các gói nhỏ hơn 0603 có thể xử lý dòng điện thấp hơn nhiều so với 0805 hoặc 1210. Vì vậy, cần phải xem xét cẩn thận để chọn các thành phần thích hợp. Trong trường hợp như vậy, bất cứ khi nào các gói nhỏ hơn không thể được sử dụng để giảm kích thước PCB, người ta có thể chỉnh sửa dấu chân gói và có thể thu nhỏ pad thành phần càng nhiều càng tốt. Nhà thiết kế có thể siết chặt mọi thứ hơn một chút bằng cách thay đổi các dấu chân. Do dung sai thiết kế, dấu chân mặc định có sẵn là dấu chân chung có thể chứa bất kỳ phiên bản nào của gói. Ví dụ: dấu chân của các gói 0805 được tạo ra theo cách mà nó có thể bao gồm nhiều biến thể nhất có thể cho 0805. Các biến thể xảy ra do sự khác biệt của khả năng sản xuất.Các công ty khác nhau sử dụng các máy sản xuất khác nhau đã từng có dung sai khác nhau cho cùng một gói 0805. Do đó, các dấu chân gói mặc định lớn hơn một chút so với mức cần thiết.

Người ta có thể chỉnh sửa dấu chân theo cách thủ công bằng cách sử dụng các bảng dữ liệu của các thành phần cụ thể và có thể thu nhỏ kích thước pad theo yêu cầu.

Kích thước bo mạch có thể được thu nhỏ lại bằng cách sử dụng tụ điện Điện phân dựa trên SMD vì chúng dường như có đường kính nhỏ hơn so với các thành phần xuyên lỗ có cùng xếp hạng.

Trình kết nối nhỏ gọn thời đại mới

Một thành phần đói không gian khác là các đầu nối. Các đầu nối sử dụng không gian bảng lớn hơn và dấu chân cũng sử dụng miếng đệm có đường kính cao hơn. Thay đổi loại đầu nối có thể rất hữu ích nếu xếp hạng dòng điện và điện áp cho phép.

Công ty sản xuất đầu nối, ví dụ, Molex hoặc Wurth Electronics hoặc bất kỳ công ty lớn nào khác luôn cung cấp nhiều kích thước dựa trên cùng một loại đầu nối. Vì vậy, lựa chọn kích thước phù hợp có thể tiết kiệm chi phí cũng như không gian bảng.

Mạng điện trở

Chủ yếu trong thiết kế dựa trên vi điều khiển, điện trở nối tiếp là thứ luôn được yêu cầu để bảo vệ vi điều khiển khỏi dòng điện cao qua các chân IO. Do đó, nhiều hơn 8 điện trở, đôi khi nhiều hơn 16 điện trở được yêu cầu để được sử dụng như một điện trở nối tiếp. Một số lượng lớn các điện trở như vậy chiếm nhiều không gian hơn trong PCB. Vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách sử dụng mạng điện trở. Một mạng điện trở đơn giản dựa trên gói 1210 có thể tiết kiệm không gian cho 4 hoặc 6 điện trở. Hình ảnh dưới đây là một điện trở 5 trong gói 1206.

Gói xếp chồng lên nhau thay vì gói tiêu chuẩn

Có rất nhiều thiết kế yêu cầu nhiều bóng bán dẫn hoặc thậm chí nhiều hơn hai MOSFET cho các mục đích khác nhau. Việc thêm các bóng bán dẫn hoặc Mosfet riêng lẻ có thể chiếm nhiều dung lượng hơn so với việc sử dụng các gói xếp chồng lên nhau.

Có nhiều tùy chọn sử dụng nhiều thành phần trong một gói duy nhất. Ví dụ, các gói Mosfet kép hoặc MOSFET bốn cũng có sẵn, chỉ chiếm không gian của một Mosfet và có thể tiết kiệm một lượng lớn không gian bảng.

Những thủ thuật này có thể được áp dụng cho hầu hết mọi thành phần. Điều này dẫn đến không gian bo mạch nhỏ hơn và điểm cộng là, đôi khi chi phí của những thành phần đó thấp hơn so với việc sử dụng các thành phần riêng lẻ.

Những điểm trên là cách có thể để giảm kích thước PCB. Tuy nhiên, chi phí, độ phức tạp so với kích thước PCB luôn có một số đánh đổi quan trọng liên quan đến quyết định. Người ta cần chọn đường dẫn chính xác phụ thuộc vào ứng dụng được nhắm mục tiêu hoặc cho thiết kế mạch được nhắm mục tiêu cụ thể đó.