- Többrétegű NYÁK a vágánytér és az alkatrészek távolságának csökkentésére
- A termikus problémák kezelése a rézvastagság megváltoztatásával
- Alkatrészcsomag kiválasztása
- New Age kompakt csatlakozók
- Ellenállási hálózatok
- Halmozott csomagok normál csomagok helyett
Bármely elektronikus termék esetében, legyen az összetett mobiltelefon vagy bármilyen más egyszerű, olcsó elektronikai játék, a nyomtatott áramköri kártyák (PCB) elengedhetetlen elemek. A termékfejlesztési ciklusban a tervezési költséggazdálkodás óriási kérdés, és a NYÁK a leginkább elhanyagolt és költségesebb elem a BOM-ban. A NYÁK sokkal többe kerül, mint az áramkörben használt bármely más alkatrész, így a NYÁK méretének csökkentése nemcsak a termékünk méretét csökkenti, hanem a legtöbb esetben csökkenti a gyártási költségeket is. De az, hogy miként lehet csökkenteni a NYÁK méretét, összetett kérdés az elektronikai gyártásban, mert a NYÁK mérete néhány dologtól függ és korlátai vannak. Ebben a cikkben a PCB méretének csökkentésére szolgáló tervezési technikákat írjuk le összehasonlítva a kompromisszumokat és azok lehetséges megoldásait.
Többrétegű NYÁK a vágánytér és az alkatrészek távolságának csökkentésére
A nyomtatott áramköri kártya legnagyobb részét az útválasztás foglalja el. A prototípus szakaszai, amikor az áramkört tesztelik, egy vagy legfeljebb kétrétegű NYÁK lapot használnak. Az áramkört azonban legtöbbször SMD (Surface Mount Devices) segítségével készítik el, ami a tervezőt kétrétegű áramköri kártya használatára kényszeríti. A tábla dupla rétegben történő kialakítása megnyitja a felületi hozzáférést az összes alkatrészhez, és helyet biztosít a táblának a nyomok továbbításához. A deszka felülete újból megnőhet, ha a deszkaréteg nagyobb, mint a két réteg, például négy vagy hat réteg. De van egy hátránya. Ha az alaplapot két, négy vagy akár több réteg felhasználásával tervezik, akkor az összetettség óriási összetettséget eredményez az áramkör tesztelése, javítása és átdolgozása szempontjából.
Ezért több réteg (főleg négy réteg) csak akkor lehetséges, ha a táblát jól tesztelik a prototípus fázisában. A tábla méretén kívül a tervezési idő is sokkal rövidebb, mint ugyanazt az áramkört nagyobb egy- vagy kétrétegű táblában tervezni.
Általában a teljesítmény nyomokat és a földi visszatérési út kitöltési rétegeit nagy áramú útnak nevezik, ezért vastag nyomokra van szükségük. Ezek a magas nyomok a felső vagy az alsó rétegben vezethetők, és az alacsony áramú útvonalak vagy jelrétegek belső rétegként használhatók négy rétegű NYÁK-ban. Az alábbi képen egy 4 rétegű NYÁK látható.
De vannak általános kompromisszumok. A többrétegű NYÁK költsége magasabb, mint az egyrétegű lapoké. Ezért elengedhetetlen a költségcél kiszámítása, mielőtt egy- vagy kétrétegű lapot négyrétegű NYÁK-ra cserélne. De a rétegek számának növelése drámaian megváltoztathatja a tábla méretét.
A termikus problémák kezelése a rézvastagság megváltoztatásával
A NYÁK nagyon hasznos esetben hozzájárul a nagyáramú áramkörök kialakításához, amely a NYÁK hőkezelése. Ha egy nagy áram áramlik a NYÁK nyomvonalán, ez növeli a hőelvezetést és ellenállást vált ki az utakon. A nagy áramú pályák kezelésére szolgáló vastag nyomok kivételével azonban a NYÁK egyik fő előnye a NYÁK hűtőbordák létrehozása. Így, ha az áramkörtervezés jelentős mennyiségű NYÁK-rézterületet használ fel hőkezeléshez, vagy hatalmas tereket oszt ki nagyáramú nyomokra, akkor a rézréteg vastagságának növelésével csökkenthető a tábla mérete.
Az IPC2221A szerint a tervezőnek a minimális nyomvonalszélességet kell használnia a szükséges áramutakhoz, de a teljes nyomterületet figyelembe kell venni. Általában a PCB-k rézrétegének vastagsága 1Oz (35um) volt. De a réz vastagsága növelhető. Ezért egyszerű matematika alkalmazásával a vastagság megduplázása 2Oz-ra (70um) felére csökkentheti a nyomméretet ugyanolyan áramkapacitásként. Ettől eltekintve a 2Oz rézvastagság előnyös lehet a NYÁK-alapú hűtőbordák számára is. Van még egy nagyobb, szintén rendelkezésre álló rézkapacitás is, amely 4Oz és 10Oz között mozog.
Így a rézvastagság növelése hatékonyan csökkenti a PCB méretét. Nézzük meg, hogyan lehet ez hatékony. Az alábbi kép egy online alapú számológép a NYÁK nyomkövetési szélességének kiszámításához.
A nyomon átáramló áram értéke 1A. A réz vastagságát 1 oz (35 um) értékre állítjuk be. A hőmérséklet emelkedése a nyomon 10 fok lesz 25 Celsius fokos környezeti hőmérsékleten. A nyomszélesség kimenete az IPC2221A szabvány szerint
Ugyanezen előírás szerint, ha a rézvastagságot növelik, a nyomszélesség csökkenthető.
A szükséges vastagság csak
Alkatrészcsomag kiválasztása
Az alkatrészek kiválasztása az áramkör tervezésének egyik legfontosabb eleme. Az elektronikában ugyanazok, de különböző csomagolási elemek állnak rendelkezésre. Például egy egyszerű, 125 Watt névleges ellenállás különféle csomagokban kapható, például 0402, 0603, 0805, 1210 stb.
Legtöbbször a NYÁK prototípusa nagyobb alkatrészeket használ, amelyek 0805 vagy 1210 ellenállást használnak, valamint nem polarizált kondenzátorokat, amelyek nagyobb hézaggal rendelkeznek, mint általában, a könnyebben kezelhető, forrasztható, cserélhető vagy tesztelhetők miatt. De ennek a taktikának a végén hatalmas mennyiségű deszka van. A gyártási szakaszban az alkatrészek kisebb, azonos besorolású csomagra cserélhetők, és a tábla helye összenyomható. Csökkenthetjük ezen alkatrészek csomagméretét.
De a helyzet melyik csomagot választja? A 0402-nél kisebb csomagok használata nem célszerű, mert a gyártáshoz rendelkezésre álló szabványos pick and place gépek korlátozottak lehetnek a 0402-nél kisebb SMD-csomagok kezelésében.
A kisebb alkatrészek másik hátránya a teljesítménynév. A 0603-nál kisebb méretű csomagok sokkal alacsonyabb áramot képesek kezelni, mint a 0805 vagy 1210. Ezért a megfelelő alkatrészek kiválasztásához alapos megfontolások szükségesek. Ilyen esetben, amikor a kisebb csomagokat nem lehet felhasználni a NYÁK-méret csökkentésére, szerkeszthetjük a csomag alapterületét, és a lehető legnagyobb mértékben összehúzhatjuk az alkatrészek betétjét. Lehet, hogy a tervező a lábnyomok megváltoztatásával kissé szorosabban képes megszorítani a dolgokat. A tervezési tűrések miatt az elérhető alapértelmezett lábnyom egy általános lábnyom, amely a csomagok bármely változatát elférne. Például a 0805 csomagok alapterülete úgy van kialakítva, hogy a 0805 esetében a lehető legtöbb variációt lefedje. A variációk a gyártási képesség különbsége miatt következnek be.Különböző cégek különböző gyártási gépeket használnak, amelyek korábban eltérő tűréssel rendelkeztek ugyanarra a 0805 csomagra. Így az alapértelmezett csomagnyomok valamivel nagyobbak a szükségesnél.
A lábnyom manuálisan szerkeszthető az adott alkatrészek adatlapjainak felhasználásával, és szükség szerint csökkenthető a betétméret.
Az alaplap mérete csökkenthető az SMD alapú elektrolit kondenzátorok használatával is, mert úgy tűnt, hogy kisebb átmérőjűek, mint az azonos besorolású átmenő furatú alkatrészek.
New Age kompakt csatlakozók
Egy másik űrigényes alkatrész a csatlakozók. A csatlakozók nagyobb tábla helyet foglalnak el, és a lábnyom nagyobb átmérőjű párnákat is használ. A csatlakozó típusainak megváltoztatása nagyon hasznos lehet, ha az áram- és feszültségértékek megengedik.
A csatlakozógyártó cég, például a Molex vagy a Wurth Electronics, vagy bármely más nagyvállalat mindig többféle méretű, azonos típusú csatlakozókat kínál. Így a megfelelő méret kiválasztása megtakaríthatja a költségeket és a tábla helyet is.
Ellenállási hálózatok
Főként mikrokontroller-alapú tervezésnél soros áteresztő ellenállásokra van szükség, amelyek mindig szükségesek ahhoz, hogy megvédjék a mikrovezérlőt az IO-csapokon átáramló nagy áramtól. Ezért több mint 8, néha több mint 16 ellenállást kell használni sorozatáteresztő ellenállóként. Ilyen hatalmas számú ellenállás sokkal több helyet foglal el a NYÁK-ban. Ez a probléma megoldható ellenállási hálózatok használatával. Egy egyszerű 1210-es csomag alapú ellenállási hálózat helyet takaríthat meg 4 vagy 6 ellenállás számára. Az alábbi képen egy 5 ellenállás található az 1206-os csomagban.
Halmozott csomagok normál csomagok helyett
Rengeteg olyan terv van, amelyekhez több tranzisztor vagy több mint két MOSFET szükséges különféle célokra. Az egyes tranzisztorok vagy Mosfets összeadása több helyet eredményezhet, mint halmozott csomagok használata.
Számos olyan lehetőség létezik, amelyek több összetevőt használnak egy csomagban. Például kettős Mosfet vagy quad MOSFET csomagok is elérhetők, amelyek csak egy Mosfet helyet foglalnak el, és hatalmas mennyiségű táblaterületet takaríthatnak meg.
Ezek a trükkök szinte minden alkatrészre alkalmazhatók. Ez kisebb táblaterülethez vezet, és a bónuszpont az, hogy néha ezeknek az alkatrészeknek a költsége alacsonyabb, mint az egyes alkatrészek használata.
A fenti pontok jelentik a lehetséges kiutat a PCB méretének csökkentésére. Azonban a költségeknek, a bonyolultságnak és a NYÁK méretének mindig van néhány döntéssel kapcsolatos kompromisszuma. Ki kell választani azt a pontos utat, amely a megcélzott alkalmazástól függ, vagy az adott célzott áramkörtervhez.