- 트랙 공간 및 부품 간격을 줄이기위한 다층 PCB
- 구리 두께를 변경하여 열 문제 관리
- 구성 요소 패키지 선택
- 뉴 에이지 컴팩트 커넥터
- 저항기 네트워크
- 표준 패키지 대신 스택 패키지
복잡한 휴대폰이나 기타 단순한 저가 전자 제품 등 모든 전자 제품의 경우 인쇄 회로 기판 (PCB)은 필수 구성 요소입니다. 제품 개발주기에서 설계 비용 관리 는 큰 문제이며 PCB는 BOM에서 가장 무시되고 비용이 많이 드는 구성 요소입니다. PCB는 회로에 사용되는 다른 구성 요소보다 훨씬 비싸기 때문에 PCB 크기를 줄이면 제품 크기가 줄어들뿐만 아니라 대부분의 경우 생산 비용도 낮아집니다. 그러나 PCB 크기를 줄이는 방법은 PCB의 크기 가 몇 가지 사항에 의존하고 한계가 있기 때문에 전자 제품 생산에서 복잡한 문제입니다. 이 기사에서는 PCB 크기를 줄이기위한 설계 기법에 대해 설명합니다. 장단점과 가능한 솔루션을 비교하여.
트랙 공간 및 부품 간격을 줄이기위한 다층 PCB
인쇄 회로 기판의 주요 공간은 라우팅에 의해 사용됩니다. 프로토 타입 스테이지는 회로를 테스트 할 때마다 한 레이어 또는 최대 이중 레이어 PCB 보드를 사용합니다. 그러나 대부분의 경우 회로는 SMD (Surface Mount Devices)를 사용하여 만들어져 설계자가 이중층 회로 기판 을 사용해야합니다. 이중 레이어로 보드를 설계하면 모든 구성 요소에 대한 표면 액세스가 열리고 트레이스 라우팅을위한 보드 공간이 제공됩니다. 보드 표면 공간은 보드 레이어가 두 레이어 (예: 4 개 또는 6 개 레이어)보다 더 많이 증가하면 다시 증가 할 수 있습니다. 그러나 단점이 있습니다. 보드가 2 개, 4 개 또는 그 이상의 레이어를 사용하여 설계되면 회로의 테스트, 수리 및 재 작업 측면에서 엄청난 복잡성이 발생합니다.
따라서 여러 레이어 (주로 4 개 레이어)는 보드가 프로토 타입 단계에서 잘 테스트 된 경우에만 가능합니다. 보드 크기 외에도 더 큰 단일 또는 이중 레이어 보드에서 동일한 회로를 설계하는 것보다 설계 시간이 훨씬 짧 습니다.
일반적으로 전력 트레이스 및 접지 복귀 경로 채우기 레이어는 고전류 경로로 식별되므로 두꺼운 트레이스가 필요합니다. 이러한 높은 트레이스는 TOP 또는 Bottom 레이어에서 라우팅 될 수 있으며 낮은 전류 경로 또는 신호 레이어는 4 개 레이어 PCB의 내부 레이어로 사용될 수 있습니다. 아래 이미지는 4 레이어 PCB를 보여줍니다.
그러나 일반적인 장단점이 있습니다. 다층 PCB의 비용은 단층 보드보다 높습니다. 따라서 단일 또는 이중층 보드를 4 층 PCB로 변경하기 전에 비용 목적을 계산하는 것이 필수적입니다. 그러나 레이어 수를 늘리면 보드 크기가 크게 바뀔 수 있습니다.
구리 두께를 변경하여 열 문제 관리
PCB 는 PCB 의 열 관리인 고전류 회로 설계에 매우 유용한 사례입니다. 고전류가 PCB 트레이스를 통해 흐르면 열 방출이 증가하고 경로에 저항이 생성됩니다. 그러나 고전류 경로를 관리하기위한 전용 두꺼운 트레이스 외에 PCB의 주요 장점은 PCB 방열판 을 만드는 것 입니다. 따라서 회로 설계가 열 관리를 위해 상당한 양의 PCB 구리 영역을 사용하거나 고전류 트레이스를 위해 큰 공간을 할당 하는 경우 구리 층 두께를 늘리면 보드 크기를 줄일 수 있습니다.
IPC2221A에 따라 설계자는 필요한 전류 경로에 대해 최소 트레이스 폭을 사용해야하지만 전체 트레이스 영역을 고려해야합니다. 일반적으로 PCB는 구리 층 두께가 1Oz (35um)였습니다. 그러나 구리의 두께를 늘릴 수 있습니다. 따라서 간단한 수학을 사용하여 두께를 2Oz (70um)로 두 배로 늘리면 트레이스 크기를 동일한 전류 용량의 절반으로 줄일 수 있습니다. 이 외에 2Oz 구리 두께는 PCB 기반 방열판에도 유용 할 수 있습니다. 또한 4Oz에서 10Oz까지 사용할 수있는 더 무거운 구리 용량도 있습니다.
따라서 구리 두께를 늘리면 PCB 크기가 효과적으로 감소합니다. 이것이 어떻게 효과적 일 수 있는지 봅시다. 아래 이미지는 PCB 트레이스 폭 을 계산 하기위한 온라인 기반 계산기입니다.
트레이스를 통해 흐르는 전류 값은 1A입니다. 구리의 두께는 1Oz (35um)로 설정됩니다. 트레이스의 온도 상승은 섭씨 25 도의 주변 온도에서 10 도입니다. IPC2221A 표준에 따른 트레이스 폭의 출력은 다음과 같습니다.
이제 동일한 사양에서 구리 두께를 늘리면 트레이스 폭을 줄일 수 있습니다.
필요한 두께는
구성 요소 패키지 선택
부품 선택은 회로 설계에서 중요한 부분입니다. 전자 제품에는 동일하지만 다른 패키지 구성 요소가 있습니다. 예를 들어, 정격.125W의 간단한 저항은 0402, 0603, 0805, 1210 등과 같은 다양한 패키지로 제공 될 수 있습니다.
대부분의 경우 프로토 타입 PCB는 0805 또는 1210 저항을 사용하는 더 큰 구성 요소와 취급, 납땜, 교체 또는 테스트가 쉽기 때문에 일반보다 더 높은 클리어런스를 가진 비극성 커패시터를 사용합니다. 그러나이 전술은 결국 엄청난 양의 보드 공간을 갖게됩니다. 생산 단계에서 구성 요소를 동일한 등급 의 더 작은 패키지로 변경할 수 있으며 보드 공간을 압축 할 수 있습니다. 이러한 구성 요소의 패키지 크기를 줄일 수 있습니다.
그러나 상황은 어떤 패키지를 선택할까요? 생산에 사용할 수 있는 표준 픽 앤 플레이스 기계 는 0402보다 작은 SMD 패키지를 처리하는 데 제한이있을 수 있으므로 0402보다 작은 패키지를 사용하는 것은 비현실적 입니다.
더 작은 구성 요소의 또 다른 단점은 전력 등급입니다. 0603보다 작은 패키지는 0805 또는 1210보다 훨씬 낮은 전류를 처리 할 수 있습니다. 따라서 적절한 구성 요소를 선택하려면 신중한 고려가 필요합니다. 이 경우 PCB 크기를 줄이기 위해 더 작은 패키지를 사용할 수 없을 때마다 패키지 풋 프린트를 편집하고 부품 패드를 최대한 줄일 수 있습니다. 디자이너는 발자국을 변경하여 좀 더 꽉 조일 수 있습니다. 설계 공차로 인해 사용 가능한 기본 풋 프린트는 모든 버전의 패키지를 보유 할 수있는 공통 풋 프린트입니다. 예를 들어, 0805 패키지의 풋 프린트는 0805에 대해 가능한 많은 변형을 포함 할 수있는 방식으로 만들어집니다. 변형은 제조 능력의 차이로 인해 발생합니다.다른 회사는 동일한 0805 패키지에 대해 다른 공차를 가지고 있던 다른 생산 기계를 사용합니다. 따라서 기본 패키지 풋 프린트는 필요한 것보다 약간 더 큽니다.
특정 구성 요소의 데이터 시트를 사용하여 풋 프린트를 수동으로 편집하고 필요에 따라 패드 크기 를 줄일 수 있습니다.
SMD 기반 전해 커패시터를 사용하면 동일한 정격의 스루 홀 구성 요소보다 직경이 더 작은 것처럼 보이므로 보드 크기를 줄일 수 있습니다.
뉴 에이지 컴팩트 커넥터
공간을 많이 차지하는 또 다른 구성 요소는 커넥터입니다. 커넥터는 더 큰 보드 공간을 사용하고 풋 프린트는 또한 더 큰 직경의 패드를 사용합니다. 전류 및 전압 정격이 허용하는 경우 커넥터 유형을 변경하는 것이 매우 유용 할 수 있습니다.
커넥터 제조 회사 (예: Molex, Wurth Electronics 또는 기타 대기업)는 항상 여러 크기의 동일한 유형의 커넥터를 제공합니다. 따라서 적절한 크기를 선택하면 보드 공간뿐만 아니라 비용도 절약 할 수 있습니다.
저항기 네트워크
주로 마이크로 컨트롤러 기반 설계에서 직렬 패스 저항 은 IO 핀을 통한 고전류 흐름으로부터 마이크로 컨트롤러를 보호하는 데 항상 필요한 것입니다. 따라서 직렬 통과 저항으로 사용하려면 8 개 이상의 저항, 때로는 16 개 이상의 저항이 필요합니다. 이러한 엄청난 수의 저항은 PCB에서 훨씬 더 많은 공간을 추가합니다. 이 문제는 저항 네트워크를 사용하여 해결할 수 있습니다. 간단한 1210 패키지 기반 저항 네트워크는 4 개 또는 6 개의 저항을위한 공간을 절약 할 수 있습니다. 아래 이미지는 1206 패키지의 5 저항입니다.
표준 패키지 대신 스택 패키지
다양한 목적을 위해 여러 개의 트랜지스터 또는 두 개 이상의 MOSFET이 필요한 설계가 많이 있습니다. 개별 트랜지스터 또는 Mosfets를 추가하면 스택 패키지를 사용하는 것보다 더 많은 공간이 생길 수 있습니다.
단일 패키지에 여러 구성 요소를 사용하는 다양한 옵션이 있습니다. 예를 들어, 하나의 Mosfet의 공간을 차지하고 엄청난 양의 보드 공간을 절약 할 수있는 듀얼 Mosfet 또는 쿼드 MOSFET 패키지 도 사용할 수 있습니다.
이러한 트릭은 거의 모든 구성 요소에 적용될 수 있습니다. 이로 인해 보드 공간이 더 작아지고 보너스 포인트는 때때로 이러한 구성 요소의 비용이 개별 구성 요소를 사용하는 것보다 낮다는 것입니다.
위의 사항은 PCB 크기를 줄일 수있는 가능한 방법입니다. 그러나 비용, 복잡성 대 PCB 크기에는 항상 결정과 관련된 몇 가지 중요한 절충점이 있습니다. 대상 애플리케이션 또는 특정 대상 회로 설계에 따라 정확한 경로를 선택해야합니다.