Рекомендации по оптимизации печатных плат
Потребность в более высокопроизводительных устройствах увеличится, и аналитики предсказывают двузначный рост в секторе промышленного Интернета вещей на ежегодной основе до 2030 года. В связи с этой тенденцией, вот семь рекомендаций, которые помогут усовершенствовать проектирование печатных плат для высоковольтной электроники.
Проектирование любой печатной платы может быть сложной задачей, особенно по мере того, как устройства становятся все меньше. Проектирование высокоточной печатной платы является еще более сложной задачей, поскольку сопряжено с теми же препятствиями и дополнительным набором уникальных факторов.
Спрос на более мощные устройства, вероятно, будет расти, и эксперты прогнозируют двузначный ежегодный рост промышленного Интернета вещей до 2030 года. Вот семь шагов, которые необходимо предпринять для оптимизации конструкции печатных плат в сильноточной электронике в ответ на эту тенденцию.
1. Обеспечьте достаточные габаритные размеры
Размеры дорожек являются одним из наиболее важных факторов при проектировании сильноточных печатных плат. Медные дорожки имеют тенденцию к усадке, что позволяет создавать более компактные конструкции, но это не сработает при более высоких токах. Меньшее поперечное сечение приведет к потерям мощности из-за рассеивания тепла, поэтому вам понадобятся направляющие соответствующего размера.
Вы можете изменить площадь поперечного сечения направляющих, отрегулировав два фактора: ширину направляющей и толщину меди. Баланс этих двух факторов является ключом к снижению потерь мощности и поддержанию идеальных размеров печатных плат.
Используйте калькулятор ширины печатной платы, чтобы определить, какие значения ширины и толщины соответствуют типам тока, которые требуются вашему устройству. При использовании этих инструментов будьте осторожны и рассчитайте размеры печатной платы таким образом, чтобы они могли выдерживать больший ток, чем вы считаете необходимым.
2. Ознакомьтесь с расположением компонентов
Размещение компонентов является еще одним ключевым фактором при проектировании сильноточной печатной платы. МОП-транзисторы и аналогичные компоненты выделяют много тепла, поэтому важно размещать их, по возможности, отдельно от других мест с высоким уровнем тепловыделения или чувствительных к температуре. Это не всегда легко, когда имеешь дело с уменьшающимися форм-факторами.
Усилители и преобразователи должны располагаться на удобном расстоянии от МОП-транзисторов и других компонентов, выделяющих тепло. Хотя может возникнуть соблазн разместить высокопроизводительные области по краям, это не обеспечит равномерного распределения температуры. Вместо этого расположите их линейно по всей поверхности, чтобы сэкономить энергию и, следовательно, обеспечить более равномерный нагрев.
Проще определить идеальные компоненты, обратившись сначала к наиболее уязвимым участкам. Начните с выбора идеального расположения для ваших высокотемпературных компонентов. Как только вы определитесь с их размещением, вы сможете заполнить пробелы остальными элементами.
3. Оптимизируйте температурный режим
Аналогичным образом, высокоточные печатные платы требуют тщательного контроля температуры. В большинстве случаев это означает поддержание внутренней температуры ниже 130 градусов Цельсия — температуры стеклования ламината FR4. Это поможет оптимизировать размещение компонентов, но ваши действия по минимизации нагрева должны быть более тщательными.
Естественного конвекционного охлаждения может быть достаточно для небольших печатных плат бытовых устройств, но не для систем большой мощности. Могут потребоваться механические радиаторы. Также может помочь активное охлаждение, например вентиляторы или системы жидкостного охлаждения на МОП-транзисторах. Однако размеры некоторых устройств могут быть недостаточны для установки обычного радиатора или активной системы охлаждения.
Тепловые переходы являются полезной альтернативой для небольших, но мощных печатных плат. Литые металлы с высокой электропроводностью и множеством отверстий отводят тепло от МОП-транзисторов или аналогичных компонентов, прежде чем оно достигнет более чувствительных зон.
4. Используйте соответствующие материалы.
Выбор материала будет важен для оптимизации терморегулирования и обеспечения того, чтобы компоненты выдерживали высокие токи. Это относится как к компонентам вашей печатной платы, так и к подложке.
Хотя FR4 является наиболее распространенной подложкой, она не всегда подходит для проектирования сильноточных печатных плат. Печатные платы с металлическим сердечником могут быть идеальными, поскольку они обеспечивают баланс между изоляцией и экономичностью подложек типа FR4, а также прочностью и термостойкостью высокопроводящих металлов. В качестве альтернативы некоторые производители выпускают специальные термостойкие ламинаты, которые вы могли бы рассмотреть.
Аналогичным образом, вы должны использовать только компоненты с высокими значениями термостойкости. Иногда это означает выбор более термостойких материалов, а в других случаях — использование более толстых компонентов, изготовленных из того же материала. Какой вариант лучше, зависит от размера вашей печатной платы, бюджета и доступных поставщиков.
5. Улучшите процессы контроля качества
Надежность высокоточных печатных плат также зависит от выявления производственных ошибок. Эти четыре предыдущих варианта конструкции не принесут существенного улучшения, если в процессе производства не будут обнаружены и устранены дефекты, которые сводят на нет их преимущества. Также важны более надежные проверки качества прототипов.
Использование правильных инструментов для оценки качества печатных плат является одним из наиболее важных аспектов в этой области. Цифровые оптические компараторы предпочтительнее традиционных методов, поскольку рисунки и накладки со временем растягиваются и искажаются, что снижает их надежность. Вам также следует рассмотреть возможность использования легко автоматизируемых инструментов, чтобы свести к минимуму риск человеческой ошибки.
Независимо от того, какие конкретные методы и технологии вы используете, важно отслеживать все дефекты. Со временем эти данные позволят выявить тенденции, определить, где возникают проблемы, и сообщить о более достоверных изменениях в конструкции печатной платы.
6. Проектирование с учетом технологичности.
Аналогичным и часто упускаемым из виду фактором при проектировании высокоточных печатных плат является обеспечение простоты производства. Теоретически, не имеет значения, насколько надежна печатная плата, если производственные ошибки настолько распространены, что устройства редко соответствуют заявленным техническим характеристикам.
Решение заключается в том, чтобы по возможности избегать чрезмерно сложных конструкций. При проектировании высокоточных печатных плат рассмотрите свой производственный процесс, чтобы понять, как эти рабочие процессы могут привести к их созданию и какие проблемы могут возникнуть. Чем проще вы сделаете производство без ошибок, тем надежнее оно будет.
Этот шаг требует тесного сотрудничества с заинтересованными сторонами на производстве. В тех случаях, когда вы не занимаетесь производством самостоятельно, привлеките своих партнеров-производителей на стадии проектирования, чтобы узнать их мнение о потенциальных проблемах с технологичностью.
7. Используйте технологии в своих интересах
Новые технологии планирования и производства могут значительно упростить решение этих задач. 3D-печать обеспечивает большую гибкость проектирования, позволяя создавать более сложные печатные платы без риска производственных ошибок. Его точность также гарантирует, что медные направляющие будут изгибаться не под прямым углом, что уменьшит их длину и сведет к минимуму потери мощности.
ИИ - еще одна технология, на которую стоит обратить внимание. Инструменты ИИ печатных плат могут автоматизировать размещение компонентов или выявлять потенциальные проблемы проектирования, чтобы предотвратить ошибки до того, как они возникнут в реальном мире. Такие решения позволяют моделировать различные тестовые среды для оценки производительности печатных плат перед созданием физического прототипа.
Автоматизация на этапе производства имеет аналогичные преимущества. Словацкий завод по производству печатных плат, принадлежащий Marelli Holdings, увеличил скорость сборки на 25% и свел к минимуму ошибки при обработке, внедрив роботов для совместной работы в производство микросхем.
Проектирование высокоскоростных печатных плат требует особого внимания
Разработка надежных и высокоточных печатных плат — задача непростая, но далеко не невыполнимая. Выполнение этих семи шагов поможет вам оптимизировать процесс проектирования для создания более эффективных и мощных устройств.
По мере развития промышленного Интернета вещей эти соображения будут приобретать все большее значение. Принятие их сейчас станет ключом к постоянному успеху в будущем.
