Consejos y técnicas para diseñar placas de circuito pequeñas para reducir el tamaño de la pcb

Para cualquier producto electrónico, ya sea un teléfono móvil complejo o cualquier otro juguete electrónico simple de bajo costo, las placas de circuito impreso (PCB) son un componente esencial. En un ciclo de desarrollo de productos, la gestión de los costes de diseño es un gran problema y la PCB es el componente más descuidado y costoso de la lista de materiales. La PCB cuesta mucho más que cualquier otro componente utilizado en un circuito, por lo que reducir el tamaño de la PCB no solo reducirá el tamaño de nuestro producto, sino que también reducirá los costos de producción en la mayoría de los casos. Pero, cómo reducir el tamaño de una PCB es una cuestión compleja en la producción de electrónica porque el tamaño de la PCB depende de algunas cosas y tiene sus limitaciones. En este artículo, describiremos las técnicas de diseño para reducir el tamaño de la PCB comparando las compensaciones y las posibles soluciones.

PCB multicapa para reducir el espacio de pista y el espaciado de componentes

El espacio principal en una placa de circuito impreso lo ocupa el enrutamiento. Las etapas del prototipo, siempre que se prueba el circuito, utilizan una capa o un máximo de placa PCB de doble capa. Sin embargo, la mayoría de las veces, el circuito se realiza con SMD (dispositivos de montaje en superficie) que obliga al diseñador a utilizar una placa de circuito de doble capa. El diseño de la placa en una capa doble abre el acceso a la superficie a todos los componentes y proporciona los espacios de la placa para enrutar las trazas. El espacio de la superficie del tablero puede volver a aumentar si la capa del tablero aumenta más que las dos capas, por ejemplo, cuatro o seis capas. Pero hay un inconveniente. Si la placa está diseñada con dos, cuatro o incluso más capas, crea una gran complejidad en términos de pruebas, reparaciones y reelaboración de un circuito.

Por lo tanto, las capas múltiples (cuatro capas principalmente) solo son posibles si la placa está bien probada en la fase de prototipo. Aparte del tamaño de la placa, el tiempo de diseño también es mucho más corto que diseñar el mismo circuito en una placa más grande de una o dos capas.

Generalmente, las trazas de energía y las capas de relleno de la ruta de retorno de tierra se identifican como rutas de alta corriente, por lo que requieren trazas gruesas. Esas trazas altas se pueden enrutar en las capas SUPERIOR o Inferior y las rutas de baja corriente o capas de señal se pueden usar como capas internas en PCB de cuatro capas. La siguiente imagen muestra un PCB de 4 capas.

Pero hay compensaciones genéricas. El costo de la PCB multicapa es más alto que el de las placas de una sola capa. Por lo tanto, es esencial calcular el propósito del costo antes de cambiar una placa de una o dos capas a una PCB de cuatro capas. Pero aumentar el número de capas podría cambiar drásticamente el tamaño del tablero.

Manejo de los problemas térmicos cambiando el espesor del cobre

PCB aporta un caso muy útil para diseños de circuitos de alta corriente, que es la gestión térmica en PCB. Cuando una corriente alta fluye a través de una traza de PCB, aumenta las disipaciones de calor y crea resistencia en las rutas. Sin embargo, además de las trazas gruesas dedicadas para la gestión de rutas de alta corriente, una de las principales ventajas de la PCB es crear los disipadores de calor de la PCB. Por lo tanto, si el diseño del circuito utiliza una cantidad significativa de área de cobre de PCB para la gestión térmica o la asignación de grandes espacios para trazas de alta corriente, se puede reducir el tamaño de la placa aumentando el espesor de la capa de cobre.

Según IPC2221A, un diseñador debe utilizar un ancho de traza mínimo para las rutas de corriente requeridas, pero se debe tener en cuenta el área de traza total. En general, los PCB solían tener un espesor de capa de cobre de 1Oz (35um). Pero se puede aumentar el espesor del cobre. Por lo tanto, mediante el uso de matemáticas simples, duplicar el grosor a 2Oz (70um) podría reducir el tamaño de la traza a la mitad como una amplia misma capacidad de corriente. Aparte de esto, el espesor de cobre de 2 oz también puede ser beneficioso para el disipador de calor basado en PCB. También existe la capacidad de cobre más pesada que también puede estar disponible que varía de 4Oz a 10Oz.

Por lo tanto, aumentar el grosor del cobre reduce efectivamente el tamaño de la PCB. Veamos cómo esto puede ser efectivo. La siguiente imagen es una calculadora en línea para calcular el ancho de traza de PCB.

El valor de la corriente que fluirá a través de la traza es 1A. El espesor del cobre se establece en 1 oz (35 um). El aumento de la temperatura en la traza será de 10 grados con una temperatura ambiente de 25 grados Celsius. La salida del ancho de la traza según el estándar IPC2221A es:

Ahora, en la misma especificación, si se aumenta el espesor del cobre, se puede disminuir el ancho de la traza.

El espesor que se requiere es solo-

Selección de paquete de componentes

La selección de componentes es una cosa importante en el diseño de un circuito. Hay los mismos componentes de paquete, pero diferentes, disponibles en electrónica. Por ejemplo, una resistencia simple con una clasificación de.125 Watt puede estar disponible en diferentes paquetes, como 0402, 0603, 0805, 1210, etc.

La mayoría de las veces, el prototipo de PCB usa componentes más grandes que usan resistencias 0805 o 1210, así como capacitores no polarizados con mayor holgura que los generales debido a que son más fáciles de manejar, soldar, reemplazar o probar. Pero esta táctica acaba teniendo una gran cantidad de espacio en el tablero. Durante la fase de producción, los componentes se pueden cambiar a un paquete más pequeño con la misma clasificación y el espacio de la placa se puede comprimir. Podemos reducir el tamaño del paquete de esos componentes.

Pero la situación es ¿qué paquete elegir? No es práctico utilizar paquetes más pequeños que el 0402 porque las máquinas estándar de recogida y colocación que están disponibles para la producción pueden tener limitaciones para manejar paquetes SMD más pequeños que el 0402.

Otro inconveniente de los componentes más pequeños es la potencia nominal. Los paquetes más pequeños que el 0603 podrían manejar una corriente mucho menor que el 0805 o el 1210. Por lo tanto, se requieren consideraciones cuidadosas para seleccionar los componentes adecuados. En tal caso, siempre que los paquetes más pequeños no se puedan utilizar para la reducción de tamaños de PCB, se puede editar la huella del paquete y se podría reducir la almohadilla de componentes tanto como sea posible. El diseñador puede apretar un poco más las cosas cambiando las huellas. Debido a las tolerancias de diseño, la huella predeterminada disponible es una huella común que podría contener cualquier versión de los paquetes. Por ejemplo, la huella de los paquetes 0805 se hace de tal manera que puede cubrir tantas variaciones como sea posible para 0805. Las variaciones ocurren debido a la diferencia de la capacidad de fabricación.Diferentes empresas utilizan diferentes máquinas de producción que solían tener diferentes tolerancias para el mismo paquete 0805. Por lo tanto, las huellas de paquetes predeterminadas son un poco más grandes de lo necesario.

Se puede editar manualmente la huella utilizando las hojas de datos de los componentes específicos y se puede reducir el tamaño de la almohadilla según sea necesario.

El tamaño de la placa se puede reducir utilizando también condensadores electrolíticos basados ​​en SMD porque parecían tener diámetros más pequeños que los componentes de orificio pasante con la misma clasificación.

Conectores compactos New Age

Otro componente que necesita espacio son los conectores. Los conectores utilizan un espacio de placa más grande y la huella también utiliza almohadillas de mayor diámetro. Cambiar los tipos de conectores puede ser muy útil si las clasificaciones de corriente y voltaje lo permiten.

La empresa de fabricación de conectores, por ejemplo, Molex o Wurth Electronics o cualquier otra gran empresa, siempre proporciona conectores del mismo tipo de tamaño múltiple. Por lo tanto, seleccionar el tamaño correcto podría ahorrar el costo y el espacio de la placa.

Redes de resistencias

Principalmente en el diseño basado en microcontroladores, las resistencias de paso en serie son lo que siempre se requiere para proteger el microcontrolador del alto flujo de corriente a través de los pines IO. Por lo tanto, se requieren más de 8 resistencias, a veces más de 16 resistencias para usarse como resistencias de paso en serie. Una cantidad tan grande de resistencias agrega mucho más espacio en la PCB. Este problema se puede resolver utilizando redes de resistencias. Una simple red de resistencias basada en un paquete 1210 podría ahorrar espacio para 4 o 6 resistencias. La siguiente imagen es una resistencia de 5 en el paquete 1206.

Paquetes apilados en lugar de paquetes estándar

Hay muchos diseños que requieren múltiples transistores o incluso más de dos MOSFET para diferentes propósitos. Agregar transistores individuales o Mosfets podría terminar en más espacio que usar paquetes apilados.

Existe una variedad de opciones que utilizan varios componentes en un solo paquete. Por ejemplo, también se encuentran disponibles paquetes de Mosfet dual o MOSFET cuádruple que ocupan el espacio de un solo Mosfet y podrían ahorrar una gran cantidad de espacio en la placa.

Estos trucos se pueden aplicar a casi todos los componentes. Esto conduce a un espacio de placa más pequeño y el punto extra es que, a veces, el costo de esos componentes es menor que el uso de componentes individuales.

Los puntos anteriores son la posible salida para la reducción del tamaño de PCB. Sin embargo, el costo, la complejidad frente al tamaño de la PCB siempre tiene algunas ventajas y desventajas cruciales relacionadas con la decisión. Es necesario seleccionar la ruta exacta que depende de la aplicación de destino o para ese diseño de circuito de destino específico.