Пространство печатных плат (ПП) часто имеет большое значение в современных компактных конструкциях продуктов, и оптимизация размера ПП стала важным фактором. Размер ПП влияет на себестоимость производства, размеры продукта и даже на такие факторы производительности, как целостность сигнала. Хотя для обычных приложений существуют стандартные размеры ПП, настройка и минимизация размера вашей платы дает множество преимуществ. В этом руководстве рассматриваются ключевые факторы определения и уменьшения размера ПП.
Факторы, определяющие PCB Размер
Окончательно достижимый размер печатной платы зависит от множества конструктивных факторов:
Размер компонента и интервал – Размеры монтируемых деталей вместе с минимальными правилами зазоров определяют базовую площадь печатной платы. Более крупные компоненты, такие как разъемы или четырехместные пакеты и их расстояние является отправной точкой для определения размера.
Layer Stackup – Увеличение количества слоев печатной платы обеспечивает более плотную трассировку на нескольких слоях, сокращая площадь платы. Однако каждый добавленный слой пропорционально увеличивает затраты, поэтому 4-6 слоев обеспечивают экономически эффективный баланс.
Сложность трассировки – Плотная, компактная трассировка дорожек между близко расположенными контактными площадками часто определяет наименьший достижимый размер печатной платы. Автотрассировщики отлично справляются с оптимизацией сложных макетов.
Ограничения по корпусу — печатная плата должна помещаться внутри корпуса продукта, поэтому выделенное пространство для разъемов и компонентов уменьшает доступную площадь для самой платы.
Тепловые соображения – Достаточная площадь печатной платы помогает отводить тепло от компонентов. Тепловые потребности могут ограничить усадку, но тщательное проектирование с использованием переходных отверстий, заземляющих плоскостей и радиаторов может смягчить проблемы.
На размер влияют и многие другие факторы, такие как экранирование от электромагнитных помех (ЭМП), требования к панельизации и удобство обслуживания, но их можно сбалансировать путем тщательного Печатные платы дизайн интерфейса.
Методы оптимизации и минимизации размера печатной платы
Ряд передовых практических стратегий может помочь решить задачу миниатюризации печатных плат:
- Размещение компонентов
Детали, выполняющие схожие функции, должны быть сгруппированы вместе, когда это возможно. Стратегическое размещение также подразумевает распределение в первую очередь наиболее ограниченных по пространству деталей высокой плотности, гарантируя, что они эффективно размещаются без лишнего неиспользуемого пространства.
- Высокоплотные пакеты
Крошечные микрокорпуса, такие как чип-резисторы, конденсаторы и микросхемы 0201 и 01005, занимают лишь часть пространства по сравнению с 0402, 0603 или более крупными эквивалентами. Широкая доступность этих миниатюрных компоненты для поверхностного монтажа (SMD) обусловлено сверхкомпактной природой потребительской электроники. Эти детали могут заменить менее эффективные устаревшие варианты.
- Каналы маршрутизации
Уменьшение ширины каналов маршрутизации между рядами и столбцами компонентов позволяет более компактно размещать трассы между деталями. Однако этот метод требует дополнительных слоев платы для обеспечения адекватной пропускной способности маршрутизации. Тщательное определение размеров каналов позволяет сбалансировать плотность маршрутизации и технологичность.
- Ширина следа
Уменьшая ширину медных дорожек, меньше места потребляется при маршрутизации соединений. Однако проектировщик должен учитывать эффекты сопротивления и токовой емкости. Дорожки менее 0.2 мм являются обычными для максимизации маршрутизации на платах высокой плотности.
- Ручной макет
Автотрассировщики обеспечивают начальную схему маршрутизации, но критически важные компактные печатные платы требуют эксперта-проектировщика для ручной оптимизации трасс. Эта тщательная настройка путей трассировки извлекает каждый бит эффективности маршрутизации.
- Наложение слоев
Увеличение количества слоев обеспечивает большую гибкость маршрутизации для уплотнения макетов. Для эффективной минимизации размеров часто требуется 6 слоев или более. Но каждый добавленный слой увеличивает затраты.
- 3D Строительство
Инновационная технология жестко-гибких печатных плат позволяет складывать 2D-платы в эффективные 3D-формы. Дополнительная стоимость этих плат может позволить большую функциональную плотность и компактные корпуса. Требуется тщательное 3D-планирование.
Преимущества печатных плат меньшего размера
Уменьшение размеров печатной платы в пределах функциональных ограничений имеет многочисленные преимущества:
Более компактные продукты – Обеспечивая значительную миниатюризацию печатных плат, можно разрабатывать более мелкие и портативные потребительские гаджеты, что является важным преимуществом для мобильных устройств, таких как сотовые телефоны. Компактные печатные платы также экономят место в приборах и другой электронике.
Более низкие затраты на материалы – благодаря уменьшенной площади платы меньшего размера, материал подложки и медная фольга требуются при изготовлении, что снижает расходы на эти материалы. Меньшее количество слоев и более короткие длины дорожек также существенно экономят на стоимости материалов.
Лучшая целостность сигнала — меньшая длина дорожек на миниатюрной печатной плате уменьшает помехи и искажения сигнала, обеспечивая более чистую и быструю высокоскоростную передачу сигнала, что критически важно для качественной работы устройства.
Упрощенная сборка – Ключевым преимуществом меньших печатных плат является простота сборки с помощью ручной пайки, осуществимой при уменьшении размера платы. Автоматизированная сборка также становится быстрее и эффективнее при меньшей площади платы для размещения компонентов.
Проблемы с миниатюрными печатными платами
К недостаткам максимизации компактности печатной платы относятся:
- Сложная маршрутизация
Уменьшение размеров платы значительно усложняет прокладку плотных медных дорожек между плотно упакованными компонентами с ограниченным пространством, что часто требует дополнительных слоев или высококвалифицированной инженерной компоновки для успешного соединения всех устройств.
- Тепловые проблемы
Миниатюрные печатные платы концентрируют тепловыделение в меньшей области с меньшей поверхностью для рассеивания, что усложняет управление температурой. Тщательная разработка заземляющих плоскостей, тепловых переходов, радиаторов и воздушного потока имеет решающее значение для предотвращения перегрева.
- Сложность сборки
Чрезвычайно маленькие компоненты и узкие пространства на компактной печатной плате затрудняют ручную пайку и сборку, увеличивая сложность и ошибки. Переделка неисправных паяных соединений также становится очень сложной в уменьшенном масштабе.
- Потери на высоких частотах
Чрезмерное уменьшение длины дорожек может, как ни странно, привести к увеличению потерь резистивного сигнала на микроволновых частотах выше нескольких гигагерц, ограничивая миниатюризацию для высокочастотных радиоприложений.
Заключение
С ростом требований к компактности в электронных областях оптимизация размера печатных плат использует конструкции с минимальными габаритами, которые уравновешивают компромиссы между стоимостью, производительностью и технологичностью. Сложная, но достижимая благодаря тщательному выбору компонентов и компоновке, печатные платы правильного размера обеспечивают уровни миниатюризации, которые стимулируют инновации. Как индивидуальные размеры для конкретных приложений, так и расширение границ стандартных размеров дают преимущества по сравнению с мышлением «один размер подходит всем». Поскольку печатные платы продолжают уменьшаться, инженеры могут соответствовать ограничениям по размеру с помощью таких стратегий, как многослойные стеки, расширенная маршрутизация и 3D-интеграция, когда это необходимо.
