- PCB multicouche pour réduire l'espace de piste et l'espacement des composants
- Gérer les problèmes thermiques en modifiant l'épaisseur du cuivre
- Sélection du package de composants
- Connecteurs compacts New Age
- Réseaux de résistances
- Paquets empilés au lieu de paquets standard
Pour tout produit électronique, qu'il s'agisse d'un téléphone mobile complexe ou de tout autre jouet électronique simple à faible coût, les cartes de circuits imprimés (PCB) sont un composant essentiel. Dans un cycle de développement de produit, la gestion des coûts de conception est un problème majeur et le PCB est le composant le plus négligé et le plus coûteux de la nomenclature. Le PCB coûte beaucoup plus cher que tout autre composant utilisé dans un circuit, donc la réduction de la taille du PCB réduira non seulement la taille de notre produit, mais réduira également les coûts de production dans la plupart des cas. Mais, comment réduire la taille d'un PCB est une question complexe dans la production électronique car la taille du PCB dépend de quelques éléments et a ses limites. Dans cet article, nous allons décrire les techniques de conception pour réduire la taille du PCB en comparant les compromis et les solutions possibles.
PCB multicouche pour réduire l'espace de piste et l'espacement des composants
L'espace principal dans un circuit imprimé est occupé par le routage. Les étapes du prototype, chaque fois que le circuit est testé, utilise une couche ou un maximum de carte PCB double couche. Cependant, la plupart du temps, le circuit est réalisé à l'aide de SMD (Surface Mount Devices), ce qui oblige le concepteur à utiliser un circuit imprimé double couche. La conception de la carte en double couche ouvre l'accès de la surface à tous les composants et fournit les espaces de la carte pour le routage des traces. L'espace de surface de la carte peut à nouveau augmenter si la couche de carte est augmentée plus que les deux couches, par exemple quatre ou six couches. Mais il y a un inconvénient. Si la carte est conçue en utilisant deux, quatre couches ou même plus, cela crée une énorme complexité en termes de tests, de réparations et de retouches d'un circuit.
Par conséquent, plusieurs couches (quatre couches principalement) ne sont possibles que si la carte est bien testée dans la phase de prototype. Outre la taille de la carte, le temps de conception est également beaucoup plus court que la conception du même circuit dans une carte plus grande à une ou deux couches.
Généralement, les traces de puissance et les couches de remplissage du chemin de retour au sol sont identifiées comme des chemins de courant élevé, elles nécessitent donc des traces épaisses. Ces traces élevées peuvent être acheminées dans les couches SUPÉRIEURE ou INFÉRIEURE et les chemins à faible courant ou couches de signal peuvent être utilisés comme couches internes dans des circuits imprimés à quatre couches. L'image ci-dessous montre un PCB à 4 couches.
Mais il existe des compromis génériques. Le coût du PCB multicouche est plus élevé que celui des cartes monocouche. Ainsi, il est essentiel de calculer l'objectif de coût avant de changer une carte simple ou double couche en PCB à quatre couches. Mais augmenter le nombre de couches pourrait changer radicalement la taille de la carte.
Gérer les problèmes thermiques en modifiant l'épaisseur du cuivre
Le PCB constitue un cas très utile pour les conceptions de circuits à courant élevé, qui est la gestion thermique des PCB. Lorsqu'un courant élevé traverse une trace de PCB, il augmente les dissipations de chaleur et crée une résistance sur les chemins. Cependant, outre les traces épaisses dédiées à la gestion des chemins de courant élevé, un avantage majeur du PCB est de créer les dissipateurs de chaleur du PCB. Ainsi, si la conception du circuit utilise une quantité significative de surface de cuivre PCB pour la gestion thermique ou alloue des espaces énormes pour les traces de courant élevé, on peut réduire la taille de la carte en utilisant une épaisseur de couche de cuivre croissante.
Conformément à l'IPC2221A, un concepteur doit utiliser une largeur de trace minimale pour les chemins de courant requis, mais il convient de prendre en considération la zone de trace totale. En général, les PCB avaient une épaisseur de couche de cuivre de 1Oz (35um). Mais l'épaisseur du cuivre peut être augmentée. Par conséquent, en utilisant des mathématiques simples, doubler l'épaisseur à 2Oz (70um) pourrait réduire la taille de la trace de moitié comme une large même capacité de courant. En dehors de cela, une épaisseur de cuivre de 2Oz peut également être bénéfique pour le dissipateur thermique à base de PCB. Il existe également une capacité de cuivre plus lourde qui peut également être disponible, allant de 4Oz à 10Oz.
Ainsi, l'augmentation de l'épaisseur du cuivre réduit efficacement la taille du PCB. Voyons comment cela peut être efficace. L'image ci-dessous est une calculatrice en ligne pour calculer la largeur de trace de PCB.
La valeur du courant qui traversera la trace est de 1A. L'épaisseur du cuivre est fixée à 1 Oz (35 um). L'élévation de la température sur la trace sera de 10 degrés sur une température ambiante de 25 degrés Celsius. La sortie de la largeur de trace selon la norme IPC2221A est:
Maintenant, dans la même spécification, si l'épaisseur du cuivre est augmentée, la largeur de la trace peut être diminuée.
L'épaisseur requise est seulement-
Sélection du package de composants
La sélection des composants est un élément majeur dans la conception d'un circuit. Il existe des composants de package identiques mais différents disponibles dans l'électronique. Par exemple, une simple résistance d'une puissance de 0,125 Watt peut être disponible dans différents boîtiers, comme 0402, 0603, 0805, 1210, etc.
La plupart du temps, le prototype de PCB utilise des composants plus gros qui utilisent des résistances 0805 ou 1210 ainsi que des condensateurs non polarisés avec un jeu plus élevé que le général en raison de la facilité de manipulation, de soudure, de remplacement ou de test. Mais cette tactique finit par avoir une énorme quantité d'espace sur le plateau. Pendant la phase de production, les composants peuvent être remplacés par un emballage plus petit avec la même valeur nominale et l'espace de la carte peut être comprimé. Nous pouvons réduire la taille de l'emballage de ces composants.
Mais quelle est la situation à choisir? Il n'est pas pratique d'utiliser des emballages plus petits que 0402 car les machines de prélèvement et de placement standard disponibles pour la production peuvent avoir des limitations pour gérer des emballages SMD plus petits que le 0402.
Un autre inconvénient des composants plus petits est la puissance nominale. Des boîtiers plus petits que le 0603 pourraient gérer un courant beaucoup plus faible que le 0805 ou le 1210. Ainsi, des considérations minutieuses sont nécessaires pour sélectionner les composants appropriés. Dans un tel cas, chaque fois que les emballages plus petits ne peuvent pas être utilisés pour la réduction des tailles de PCB, on peut modifier l'empreinte de l'emballage et peut réduire le tampon de composants autant que possible. Le concepteur peut être en mesure de resserrer un peu les choses en modifiant les empreintes de pas. En raison des tolérances de conception, l'encombrement par défaut disponible est un encombrement commun pouvant contenir n'importe quelle version des packages. Par exemple, l'empreinte des emballages 0805 est faite de telle manière qu'elle peut couvrir autant de variations que possible pour 0805. Les variations se produisent en raison de la différence de capacité de fabrication.Différentes entreprises utilisent différentes machines de production qui avaient auparavant des tolérances différentes pour le même emballage 0805. Ainsi, les empreintes de package par défaut sont légèrement plus grandes que nécessaire.
On peut modifier manuellement l'empreinte à l'aide des fiches techniques des composants spécifiques et peut réduire la taille du tampon si nécessaire.
La taille de la carte peut également être réduite en utilisant des condensateurs électrolytiques à base de SMD, car ils semblent avoir des diamètres plus petits que les composants à trou traversant de même valeur.
Connecteurs compacts New Age
Les connecteurs sont un autre composant gourmand en espace. Les connecteurs utilisent un plus grand espace sur la carte et l'empreinte utilise également des tampons de plus grand diamètre. Changer les types de connecteurs peut être très utile si les valeurs nominales de courant et de tension le permettent.
La société de fabrication de connecteurs, par exemple Molex ou Wurth Electronics ou toute autre grande entreprise, fournit toujours le même type de connecteurs en fonction de plusieurs tailles. Ainsi, la sélection de la bonne taille pourrait économiser le coût ainsi que l'espace sur le plateau.
Réseaux de résistances
Principalement dans la conception à base de microcontrôleur, les résistances de passage en série sont ce qui est toujours nécessaire pour protéger le microcontrôleur d'un flux de courant élevé à travers les broches IO. Par conséquent, plus de 8 résistances, parfois plus de 16 résistances sont nécessaires pour être utilisées comme résistances passe-série. Un si grand nombre de résistances ajoute beaucoup plus d'espace dans le PCB. Ce problème peut être résolu en utilisant des réseaux de résistances. Un simple réseau de résistances basé sur un boîtier 1210 pourrait économiser de l'espace pour 4 ou 6 résistances. L'image ci-dessous est une résistance 5 dans le boîtier 1206.
Paquets empilés au lieu de paquets standard
Il existe de nombreux modèles qui nécessitent plusieurs transistors ou même plus de deux MOSFET à des fins différentes. L'addition de transistors ou de Mosfets individuels pourrait générer plus d'espace que l'utilisation de packages empilés.
Il existe une variété d'options qui utilisent plusieurs composants dans un seul package. Par exemple, deux packages Mosfet ou quad MOSFET sont également disponibles qui occupent l'espace d'un seul Mosfet et pourraient économiser une énorme quantité d'espace sur la carte.
Ces astuces peuvent être appliquées à presque tous les composants. Cela conduit à un espace de carte plus petit et le point bonus est que le coût de ces composants est parfois inférieur à celui de l'utilisation de composants individuels.
Les points ci-dessus sont la solution possible pour réduire la taille des PCB. Cependant, le coût, la complexité par rapport à la taille du PCB ont toujours des compromis cruciaux liés à la décision. Il faut sélectionner le chemin exact qui dépend de l'application ciblée ou de cette conception de circuit ciblée spécifique.