Tip dan teknik mendesain papan sirkuit kecil untuk mengecilkan ukuran PCB

Untuk produk elektronik apa pun, baik itu ponsel yang rumit atau mainan Elektronik sederhana dan murah lainnya, Papan Sirkuit Cetak (PCB) adalah komponen penting. Dalam siklus pengembangan produk, manajemen biaya desain adalah masalah besar dan PCB adalah komponen yang paling diabaikan dan lebih mahal di BOM. Biaya PCB jauh lebih mahal daripada komponen lain yang digunakan dalam rangkaian, jadi mengurangi ukuran PCB tidak hanya akan mengurangi ukuran produk kami tetapi juga akan menurunkan biaya produksi dalam banyak kasus. Namun, bagaimana cara memperkecil ukuran PCB adalah pertanyaan yang kompleks dalam produksi elektronik karena ukuran PCB bergantung pada beberapa hal dan memiliki keterbatasan. Pada artikel ini, kami akan menjelaskan Teknik Desain untuk mengurangi ukuran PCB dengan membandingkan pengorbanan dan solusi yang mungkin untuk itu.

PCB Multi-Layer untuk Mengurangi Ruang Track dan Jarak Komponen

Ruang utama di Papan Sirkuit Cetak diambil oleh perutean. Tahapan prototipe, setiap kali rangkaian diuji, menggunakan satu lapisan atau maksimal papan PCB lapis ganda. Namun, sebagian besar waktu, rangkaian dibuat menggunakan SMD (Surface Mount Devices) yang memaksa perancang untuk menggunakan papan sirkuit lapisan ganda. Mendesain papan dalam lapisan ganda membuka akses permukaan ke semua komponen dan menyediakan ruang papan untuk merutekan jejak. Ruang permukaan papan dapat bertambah lagi jika lapisan papan ditambah lebih dari dua lapisan, misalnya empat atau enam lapisan. Tapi, ada kekurangannya. Jika papan dirancang menggunakan dua, empat, atau bahkan lebih lapisan, membuat kompleksitas besar dalam hal pengujian, perbaikan, dan pengerjaan ulang sirkuit.

Oleh karena itu, beberapa lapisan (Terutama empat lapisan) hanya mungkin jika papan diuji dengan baik dalam fase prototipe. Selain ukuran papan, waktu desain juga jauh lebih singkat daripada merancang sirkuit yang sama di papan lapisan tunggal atau ganda yang lebih besar.

Secara umum, jejak Daya dan lapisan pengisian jalur balik Tanah diidentifikasi sebagai jalur arus tinggi, sehingga memerlukan jejak yang tebal. Jejak tinggi tersebut dapat diarahkan ke lapisan TOP atau Bawah dan jalur arus rendah atau lapisan sinyal dapat digunakan sebagai lapisan internal dalam empat lapisan PCB. Gambar di bawah ini menunjukkan PCB 4 Lapisan.

Tetapi ada pengorbanan umum. Biaya PCB multilayer lebih tinggi daripada papan satu lapis. Dengan demikian, penting untuk menghitung tujuan biaya sebelum mengubah papan satu atau dua lapis menjadi PCB empat lapis. Tetapi meningkatkan jumlah lapisan dapat mengubah ukuran papan secara dramatis.

Mengelola Masalah Termal dengan mengubah Ketebalan Tembaga

PCB memberikan kasus yang sangat berguna untuk desain sirkuit arus tinggi, yaitu manajemen Termal di PCB. Ketika arus tinggi mengalir melalui jejak PCB, itu meningkatkan pembuangan panas dan menciptakan resistansi pada jalur. Namun, selain jejak tebal khusus untuk mengelola jalur arus tinggi, keuntungan utama dari PCB adalah membuat pendingin PCB. Jadi, jika desain sirkuit menggunakan sejumlah besar area tembaga PCB untuk manajemen termal atau mengalokasikan ruang yang besar untuk jejak arus tinggi, seseorang dapat mengecilkan ukuran papan dengan menggunakan peningkatan ketebalan lapisan tembaga.

Sesuai dengan IPC2221A, seorang desainer harus menggunakan lebar jejak minimum untuk jalur yang dibutuhkan saat ini, tetapi pertimbangan harus diambil untuk total luas jejak. Pada umumnya PCB yang dulu memiliki ketebalan lapisan tembaga 1Oz (35um). Tetapi ketebalan tembaga bisa ditingkatkan. Oleh karena itu, dengan menggunakan matematika sederhana, menggandakan ketebalan menjadi 2Oz (70um) dapat memotong ukuran jejak setengah dari kapasitas arus yang sama. Selain itu, ketebalan tembaga 2Oz dapat bermanfaat untuk heat sink berbasis PCB juga. Ada juga kapasitas tembaga yang lebih berat yang juga dapat tersedia yang berkisar dari 4Oz hingga 10Oz.

Dengan demikian, meningkatkan ketebalan tembaga secara efektif mengurangi ukuran PCB. Mari kita lihat bagaimana ini bisa efektif. Gambar di bawah ini adalah kalkulator berbasis online untuk menghitung lebar jejak PCB.

Nilai arus yang akan mengalir melalui trace adalah 1A. Ketebalan tembaga ditetapkan sebagai 1 Oz (35 um). Kenaikan suhu di jalur tersebut akan menjadi 10 derajat pada suhu lingkungan 25 derajat Celcius. Output dari lebar jejak sesuai standar IPC2221A adalah-

Sekarang, dalam spesifikasi yang sama, jika ketebalan tembaga ditingkatkan, lebar jejak dapat dikurangi.

Ketebalan yang dibutuhkan hanya-

Pemilihan Paket Komponen

Pemilihan komponen merupakan hal utama dalam desain sirkuit. Ada komponen paket yang sama tetapi berbeda yang tersedia di elektronik. Misalnya, resistor sederhana dengan rating.125 Watt dapat tersedia dalam berbagai paket, seperti 0402, 0603, 0805, 1210, dll.

Sebagian besar waktu, prototipe PCB menggunakan komponen yang lebih besar yang menggunakan resistor 0805 atau 1210 serta kapasitor non-polarisasi dengan jarak bebas yang lebih tinggi daripada umumnya karena lebih mudah untuk menangani, menyolder, mengganti, atau menguji. Tetapi taktik ini akhirnya memiliki ruang papan yang sangat besar. Selama fase produksi, komponen dapat diubah menjadi paket yang lebih kecil dengan rating yang sama dan ruang papan dapat dikompresi. Kami dapat mengurangi ukuran paket komponen tersebut.

Tetapi situasinya adalah paket mana yang harus dipilih? Tidak praktis menggunakan paket yang lebih kecil dari 0402 karena mesin pick and place standar yang tersedia untuk produksi mungkin memiliki keterbatasan untuk menangani paket SMD yang lebih kecil dari 0402.

Kelemahan lain dari komponen yang lebih kecil adalah peringkat daya. Paket yang lebih kecil dari 0603 dapat menangani arus yang jauh lebih rendah daripada 0805 atau 1210. Jadi, pertimbangan yang cermat diperlukan untuk memilih komponen yang tepat. Dalam kasus seperti itu, setiap kali paket yang lebih kecil tidak dapat digunakan untuk pengurangan ukuran PCB, seseorang dapat mengedit footprint paket dan dapat menyusutkan pad komponen sejauh mungkin. Perancang mungkin dapat mempererat sesuatu dengan mengubah jejak kaki. Karena toleransi desain, footprint default yang tersedia adalah footprint umum yang dapat menampung semua versi paket. Misalnya footprint dari kemasan 0805 dibuat sedemikian rupa sehingga dapat mencakup sebanyak mungkin variasi untuk 0805. Variasi tersebut terjadi karena perbedaan kemampuan pembuatannya.Perusahaan yang berbeda menggunakan mesin produksi berbeda yang sebelumnya memiliki toleransi berbeda untuk paket 0805 yang sama. Jadi, footprint paket default sedikit lebih besar dari yang dibutuhkan.

Seseorang dapat secara manual mengedit footprint menggunakan lembar data dari komponen tertentu dan dapat mengecilkan ukuran pad sesuai kebutuhan.

Ukuran papan dapat dikecilkan dengan menggunakan kapasitor elektrolit berbasis SMD juga karena mereka tampaknya memiliki diameter lebih kecil daripada komponen lubang tembus dengan peringkat yang sama.

Penghubung Ringkas Zaman Baru

Komponen lain yang haus ruang adalah konektor. Konektor menggunakan ruang papan yang lebih besar dan tapak juga menggunakan bantalan berdiameter lebih tinggi. Mengubah jenis konektor bisa sangat berguna jika nilai arus dan tegangan memungkinkan.

Perusahaan pembuat konektor, misalnya, Molex atau Wurth Electronics atau perusahaan besar lainnya selalu menyediakan beberapa jenis konektor yang sama berdasarkan ukuran. Dengan demikian, memilih ukuran yang tepat dapat menghemat biaya serta ruang papan.

Jaringan Resistor

Terutama dalam desain berbasis mikrokontroler, resistor lulus seri adalah yang selalu diperlukan untuk melindungi mikrokontroler dari aliran arus tinggi melalui pin IO. Oleh karena itu, lebih dari 8 resistor, terkadang lebih dari 16 resistor diperlukan untuk digunakan sebagai resistor lulus seri. Sejumlah besar resistor menambah lebih banyak ruang di PCB. Masalah ini dapat diatasi dengan menggunakan jaringan resistor. Jaringan resistor berbasis paket 1210 sederhana dapat menghemat ruang untuk 4 atau 6 resistor. Gambar di bawah ini adalah resistor 5 dalam paket 1206.

Paket Bertumpuk Bukan Paket Standar

Ada banyak desain yang membutuhkan banyak transistor atau bahkan lebih dari dua MOSFET untuk tujuan yang berbeda. Menambahkan transistor atau MOSFET individual dapat menghabiskan lebih banyak ruang daripada menggunakan paket bertumpuk.

Ada berbagai opsi yang menggunakan banyak komponen dalam satu paket. Misalnya, paket MOSFET ganda atau quad MOSFET juga tersedia yang hanya menggunakan ruang satu MOSFET dan dapat menghemat banyak ruang papan.

Trik ini bisa diterapkan ke hampir semua komponen. Hal ini menyebabkan ruang papan yang lebih kecil dan poin bonusnya adalah, terkadang biaya komponen tersebut lebih rendah daripada menggunakan komponen individual.

Poin di atas adalah jalan keluar yang mungkin untuk pengurangan ukuran PCB. Namun, biaya, kompleksitas vs. ukuran PCB selalu memiliki beberapa pengorbanan terkait keputusan yang penting. Seseorang perlu memilih jalur yang tepat yang bergantung pada aplikasi yang ditargetkan atau untuk desain sirkuit yang ditargetkan secara spesifik.