Dicas e técnicas para projetar pequenas placas de circuito para reduzir o tamanho do pcb

Para qualquer produto eletrônico, seja um celular complexo ou qualquer outro brinquedo eletrônico simples de baixo custo, as Placas de Circuito Impresso (PCB) são um componente essencial. Em um ciclo de desenvolvimento de produto, o gerenciamento de custos de design é um grande problema e o PCB é o componente mais negligenciado e mais caro do BOM. O PCB custa muito mais do que qualquer outro componente usado em um circuito, portanto, reduzir o tamanho do PCB não apenas reduzirá o tamanho do nosso produto, mas também reduzirá os custos de produção na maioria dos casos. Mas, como reduzir o tamanho de um PCB é uma questão complexa na produção de eletrônicos porque o tamanho do PCB depende de algumas coisas e tem suas limitações. Neste artigo, descreveremos as técnicas de design para reduzir o tamanho do PCB comparando as vantagens e desvantagens e as soluções possíveis.

PCB multicamadas para reduzir o espaço da trilha e o espaçamento dos componentes

O espaço principal em uma placa de circuito impresso é ocupado pelo roteamento. Os estágios do protótipo, sempre que o circuito é testado, utiliza uma camada ou no máximo placa de circuito impresso de dupla camada. Porém, na maioria das vezes, o circuito é feito em SMD (Surface Mount Devices), o que força o projetista a usar uma placa de circuito de camada dupla. Projetar a placa em uma camada dupla abre o acesso de superfície a todos os componentes e fornece os espaços da placa para rotear os traços. O espaço da superfície da placa pode aumentar novamente se a camada da placa for aumentada mais do que as duas camadas, por exemplo, quatro ou seis camadas. Mas, há uma desvantagem. Se a placa for projetada com duas, quatro ou até mais camadas, crie uma enorme complexidade em termos de testes, reparos e retrabalho de um circuito.

Portanto, múltiplas camadas (principalmente quatro camadas) só são possíveis se a placa for bem testada na fase de protótipo. Além do tamanho da placa, o tempo de design também é muito menor do que projetar o mesmo circuito em uma placa maior de camada única ou dupla.

Geralmente, os traços de energia e as camadas de preenchimento do caminho de retorno do solo são identificados como caminhos de alta corrente, portanto, exigem traços espessos. Esses traços altos podem ser roteados nas camadas SUPERIOR ou Inferior e os caminhos de baixa corrente ou camadas de sinal podem ser usados ​​como camadas internas em PCBs de quatro camadas. A imagem abaixo mostra um PCB de 4 camadas.

Mas existem compensações genéricas. O custo de placas de circuito impresso multicamadas é maior do que placas de camada única. Portanto, é essencial calcular a finalidade do custo antes de alterar uma placa de camada única ou dupla para PCB de quatro camadas. Porém, aumentar o número de camadas pode alterar drasticamente o tamanho da placa.

Gerenciando os problemas térmicos alterando a espessura do cobre

O PCB contribui com um case muito útil para projetos de circuitos de alta corrente, que é o gerenciamento térmico no PCB. Quando uma alta corrente flui através de um traço de PCB, ela aumenta as dissipações de calor e cria resistência nos caminhos. No entanto, além dos traços grossos dedicados para gerenciar caminhos de alta corrente, uma grande vantagem do PCB é criar os dissipadores de calor do PCB. Assim, se o projeto do circuito estiver usando uma quantidade significativa de área de cobre do PCB para gerenciamento térmico ou alocando grandes espaços para traços de alta corrente, pode-se diminuir o tamanho da placa usando o aumento da espessura da camada de cobre.

De acordo com o IPC2221A, um projetista deve usar uma largura mínima de traço para os caminhos de corrente necessários, mas deve-se levar em consideração a área total de traço. Em geral, os PCBs costumavam ter a espessura da camada de cobre de 1Oz (35um). Mas a espessura do cobre pode ser aumentada. Portanto, usando matemática simples, dobrar a espessura para 2Oz (70um) poderia reduzir o tamanho do traço pela metade como uma grande capacidade de corrente. Fora isso, a espessura do cobre 2Oz também pode ser benéfica para o dissipador de calor com base em PCB. Há também a capacidade de cobre mais pesada que também pode estar disponível, que varia de 4Oz a 10Oz.

Assim, aumentar a espessura do cobre efetivamente reduz o tamanho do PCB. Vamos ver como isso pode ser eficaz. A imagem abaixo é uma calculadora online para calcular a largura do traço do PCB.

O valor da corrente que fluirá pelo traço é 1A. A espessura do cobre é definida como 1 Oz (35 um). O aumento da temperatura no traço será de 10 graus em uma temperatura ambiente de 25 graus Celsius. A saída da largura do traço de acordo com o padrão IPC2221A é-

Agora, na mesma especificação, se a espessura do cobre for aumentada, a largura do traço pode ser diminuída.

A espessura necessária é apenas-

Seleção de pacote de componentes

A seleção de componentes é um fator importante em um projeto de circuito. Existem componentes de pacote iguais, mas diferentes, disponíveis na eletrônica. Por exemplo, um resistor simples com uma classificação de 0,125 Watt pode estar disponível em diferentes pacotes, como 0402, 0603, 0805, 1210, etc.

Na maioria das vezes, o protótipo de PCB usa componentes maiores que usam resistores 0805 ou 1210, bem como capacitores não polarizados com folga maior do que o geral por causa da facilidade de manusear, soldar, substituir ou testar. Mas essa tática acaba tendo muito espaço no tabuleiro. Durante a fase de produção, os componentes podem ser alterados para um pacote menor com a mesma classificação e o espaço da placa pode ser comprimido. Podemos reduzir o tamanho do pacote desses componentes.

Mas a situação é qual pacote escolher? É impraticável usar pacotes menores do que 0402 porque as máquinas pick and place padrão que estão disponíveis para a produção podem ter limitações para lidar com pacotes SMD menores que o 0402.

Outra desvantagem dos componentes menores é a classificação de potência. Pacotes menores do que o 0603 poderiam lidar com corrente muito mais baixa do que o 0805 ou 1210. Portanto, considerações cuidadosas são necessárias para selecionar os componentes adequados. Nesse caso, sempre que os pacotes menores não podem ser usados ​​para a redução de tamanhos de PCB, pode-se editar a pegada do pacote e pode encolher a almofada de componentes tanto quanto possível. O designer pode apertar um pouco mais as coisas mudando as pegadas. Devido às tolerâncias de design, a área de cobertura padrão disponível é uma área comum que pode conter qualquer versão dos pacotes. Por exemplo, a pegada das embalagens do 0805 é feita de forma que possa abranger o máximo de variações possível para o 0805. As variações acontecem devido à diferença da capacidade de fabricação.Diferentes empresas usam máquinas de produção diferentes que costumavam ter tolerâncias diferentes para o mesmo pacote 0805. Portanto, as pegadas do pacote padrão são ligeiramente maiores do que o necessário.

Pode-se editar manualmente a pegada usando as folhas de dados dos componentes específicos e pode diminuir o tamanho da almofada conforme necessário.

O tamanho da placa pode ser reduzido usando capacitores eletrolíticos baseados em SMD também porque eles pareciam ter diâmetros menores do que os componentes do orifício com a mesma classificação.

Conectores compactos New Age

Outro componente que consome muito espaço são os conectores. Os conectores usam maior espaço de placa e a pegada também usa almofadas de maior diâmetro. Alterar os tipos de conector pode ser muito útil se as classificações de corrente e tensão permitirem.

A empresa de fabricação de conectores, por exemplo, Molex ou Wurth Electronics ou quaisquer outras grandes empresas sempre fornecem vários tamanhos com base no mesmo tipo de conectores. Assim, selecionar o tamanho certo pode economizar custos e também economizar espaço na placa.

Redes de resistores

Principalmente no projeto baseado em microcontrolador, os resistores de passagem em série são o que sempre é necessário para proteger o microcontrolador do fluxo de alta corrente através dos pinos IO. Portanto, mais de 8 resistores, às vezes mais de 16 resistores são necessários para serem usados ​​como resistores de passagem em série. Um número tão grande de resistores adiciona muito mais espaço no PCB. Este problema pode ser resolvido usando redes de resistores. Uma rede de resistores simples baseada em pacote 1210 poderia economizar espaço para 4 ou 6 resistores. A imagem abaixo é um resistor de 5 no pacote 1206.

Pacotes empilhados em vez de pacotes padrão

Existem muitos projetos que requerem múltiplos transistores ou até mais de dois MOSFETs para diferentes propósitos. Adicionar transistores ou Mosfets individuais pode acabar com mais espaço do que usar pacotes empilhados.

Há várias opções que usam vários componentes em um único pacote. Por exemplo, pacotes MOSFET duplos ou MOSFET quádruplos também disponíveis, que ocupam o espaço de apenas um Mosfet e podem economizar muito espaço na placa.

Esses truques podem ser aplicados a quase todos os componentes. Isso leva a um espaço de placa menor e o ponto de bônus é, às vezes o custo desses componentes é menor do que usar componentes individuais.

Os pontos acima são a saída possível para a redução do tamanho do PCB. No entanto, o custo, a complexidade versus o tamanho do PCB sempre têm algumas compensações cruciais relacionadas à decisão. É necessário selecionar o caminho exato que depende da aplicação alvo ou para aquele projeto de circuito alvo específico.