PCBサイズを縮小するために小さな回路基板を設計するためのヒントとテクニック

複雑な携帯電話であれ、その他の単純な低コストの電子玩具であれ、あらゆる電子製品にとって、プリント回路基板（PCB）は不可欠なコンポーネントです。製品開発サイクルでは、設計コスト管理は大きな問題であり、PCBはBOMで最も無視されコストのかかるコンポーネントです。PCBは回路で使用される他のどのコンポーネントよりもはるかにコストがかかるため、PCBのサイズを小さくすると、製品のサイズが小さくなるだけでなく、ほとんどの場合、製造コストも下がります。しかし、PCBのサイズはいくつかのことに依存し、その制限があるため、PCBのサイズをどのように縮小するかは電子機器の製造において複雑な問題です。この記事では、PCBサイズを縮小するための設計手法について説明します。 トレードオフとそれに考えられる解決策を比較することによって。

トラックスペースとコンポーネント間隔を削減するための多層PCB

プリント回路基板の主要なスペースは、ルーティングによって使用されます。プロトタイプステージでは、回路をテストするたびに、1層または最大2層のPCBボードを使用します。ただし、ほとんどの場合、回路はSMD（Surface Mount Devices）を使用して作成されるため、設計者は2層回路基板を使用する必要があります。ボードを2層で設計すると、すべてのコンポーネントへの表面アクセスが可能になり、トレースをルーティングするためのボードスペースが提供されます。ボード層が2層よりも多くなると、たとえば4層または6層になると、ボードの表面スペースが再び増える可能性があります。しかし、欠点があります。ボードが2、4、またはそれ以上の層を使用して設計されている場合、回路のテスト、修理、および再加工に関して非常に複雑になります。

したがって、複数のレイヤー（主に4つのレイヤー）は、ボードがプロトタイプフェーズで十分にテストされている場合にのみ可能です。ボードサイズ以外に、設計時間は、より大きな単層または二重層ボードで同じ回路を設計するよりもはるかに短くなります。

一般に、電源トレースとグランドリターンパスフィル層は高電流パスとして識別されるため、太いトレースが必要です。これらの高トレースはTOP層またはBottom層にルーティングでき、低電流パスまたは信号層は4層PCBの内部層として使用できます。下の画像は4層PCBを示しています。

ただし、一般的なトレードオフがあります。多層PCBのコストは、単層ボードよりも高くなります。したがって、単層または二層のボードを4層のPCBに変更する前に、コストの目的を計算することが不可欠です。ただし、層の数を増やすと、ボードのサイズが大幅に変わる可能性があります。

銅の厚さを変更して熱の問題を管理する

PCBは、PCBの熱管理である大電流回路設計に非常に役立つケースに貢献します。 PCBトレースに大電流が流れると、熱放散が増加し、パスに抵抗が発生します。ただし、大電流パスを管理するための専用の太いトレースを除いて、PCBの主な利点はPCBヒートシンクを作成することです。したがって、回路設計で熱管理に大量のPCB銅領域を使用している場合、または大電流トレース用に大きなスペースを割り当てている場合は、銅層の厚さを増やすことでボードサイズを縮小できます。

IPC2221Aに従って、設計者は必要な電流パスに最小トレース幅を使用する必要がありますが、総トレース面積を考慮する必要があります。一般に、PCBの銅層の厚さは10z（35um）でした。しかし、銅の厚さは増やすことができます。したがって、簡単な計算を使用すると、厚さを2倍の20z（70um）にすると、トレースサイズを同じ電流容量の半分に削減できます。これ以外に、20zの銅の厚さはPCBベースのヒートシンクにも有益です。40zから100zの範囲のより重い銅容量も利用できます。

したがって、銅の厚さを増やすと、PCBのサイズが効果的に小さくなります。これがどのように効果的であるかを見てみましょう。以下の画像は、PCBトレース幅を計算するためのオンラインベースの計算機です。

トレースを流れる電流の値は1Aです。銅の厚さは1オンス（35um）に設定されています。トレース上の温度の上昇は、摂氏25度の周囲温度で10度になります。IPC2221A標準によるトレース幅の出力は-

さて、同じ仕様で、銅の厚さを増やすと、トレース幅を減らすことができます。

必要な厚さは-

コンポーネントパッケージの選択

コンポーネントの選択は、回路設計の主要な要素です。電子機器で利用できるパッケージコンポーネントは同じですが、異なります。たとえば、定格が.125ワットの単純な抵抗器は、0402、0603、0805、1210などのさまざまなパッケージで入手できます。

ほとんどの場合、プロトタイプPCBは、0805または1210抵抗を使用するより大きなコンポーネントと、取り扱い、はんだ付け、交換、またはテストが容易なため、一般よりもクリアランスの高い無極性コンデンサを使用します。しかし、この戦術は結局、膨大な量のボードスペースを持つことになります。製造段階で、コンポーネントを同じ定格の小さなパッケージに変更し、ボードスペースを圧縮することができます。これらのコンポーネントのパッケージサイズを縮小できます。

しかし、状況はどのパッケージを選択するかです。0402よりも小さいパッケージを使用することは実用的ではありません。これは、生産に使用できる標準のピックアンドプレースマシンには、0402よりも小さいSMDパッケージの処理に制限がある場合があるためです。

小さいコンポーネントのもう1つの欠点は、電力定格です。 0603よりも小さいパッケージは、0805または1210よりもはるかに低い電流を処理できます。したがって、適切なコンポーネントを選択するには、慎重に検討する必要があります。このような場合、PCBサイズの縮小に小さいパッケージを使用できないときはいつでも、パッケージのフットプリントを編集して、コンポーネントパッドを可能な限り縮小することができます。設計者は、フットプリントを変更することで、物事を少しきつく絞ることができる場合があります。設計の許容誤差により、使用可能なデフォルトのフットプリントは、パッケージの任意のバージョンを保持できる一般的なフットプリントです。たとえば、0805パッケージのフットプリントは、0805の可能な限り多くのバリエーションをカバーできるように作成されています。バリエーションは、製造能力の違いによって発生します。さまざまな企業が、同じ0805パッケージに対してさまざまな公差を持っていたさまざまな生産マシンを使用しています。したがって、デフォルトのパッケージフットプリントは必要以上にわずかに大きくなります。

特定のコンポーネントのデータシートを使用してフットプリントを手動で編集し、必要に応じてパッドサイズを縮小することができます。

同じ定格のスルーホール部品よりも直径が小さいように見えたため、SMDベースの電解コンデンサを使用することでボードサイズを縮小することもできます。

ニューエイジコンパクトコネクタ

もう1つのスペースを必要とするコンポーネントは、コネクタです。コネクタはより大きなボードスペースを使用し、フットプリントもより大きな直径のパッドを使用します。電流と電圧の定格が許せば、コネクタの種類を変更すると非常に便利です。

たとえば、MolexやWurth Electronicsなどのコネクタ製造会社やその他の大企業は、常に複数のサイズベースの同じタイプのコネクタを提供しています。したがって、適切なサイズを選択すると、コストとボードスペースを節約できます。

抵抗器ネットワーク

主にマイクロコントローラベースの設計では、IOピンを流れる大電流からマイクロコントローラを保護するために常に必要なのは直列パス抵抗です。したがって、8個を超える抵抗、場合によっては16個を超える抵抗を直列パス抵抗として使用する必要があります。このような膨大な数の抵抗は、PCB内のスペースを大幅に増やします。この問題は、抵抗ネットワークを使用することで解決できます。単純な1210パッケージベースの抵抗ネットワークは、4つまたは6つの抵抗のスペースを節約できます。以下の画像は、1206パッケージの5抵抗です。

標準パッケージの代わりにスタックパッケージ

異なる目的のために複数のトランジスタまたは3つ以上のMOSFETを必要とする設計はたくさんあります。個々のトランジスタまたはMOSFETを合計すると、スタックパッケージを使用するよりも多くのスペースが必要になる可能性があります。

1つのパッケージで複数のコンポーネントを使用するさまざまなオプションがあります。たとえば、デュアルMosfetまたはクアッドMOSFETパッケージも利用可能で、1つのMosfetのスペースしか占有せず、ボードスペースを大幅に節約できます。

これらのトリックは、ほぼすべてのコンポーネントに適用できます。これにより、ボードスペースが小さくなり、ボーナスポイントとして、個々のコンポーネントを使用するよりもこれらのコンポーネントのコストが低くなる場合があります。

上記の点は、PCBサイズを縮小するための可能な方法です。ただし、PCBサイズに対するコスト、複雑さには、常にいくつかの重要な意思決定関連のトレードオフがあります。ターゲットアプリケーションまたはその特定のターゲット回路設計に依存する正確なパスを選択する必要があります。