Leistung und Designflexibilität mit struktureller Elektronik optimieren

Wenn das Produktgehäuse zur Leiterplatte wird, ändern sich die Designregeln grundlegend. Strukturelektronik, basierend auf Technologien wie 3D-MID (dreidimensionale spritzgegossene Schaltungsträger), integriert leitfähige Leiterbahnen direkt auf spritzgegossenen Kunststoffgehäusen und hebt damit die Trennung zwischen der elektrischen und der mechanischen Welt auf.

Genau diese Integration ist der entscheidende Punkt. Sie ermöglicht kleinere Bauformen, ein besseres Wärmemanagement und integrierte EMI-Abschirmung. Sie bedeutet aber auch, dass bereits eine einzige Änderung an der mechanischen Geometrie eine elektrische Leiterbahn zerstören kann. Das ist ein weiteres Beispiel dafür, dass Elektro- und Maschinenbauingenieure bei innovativen Designs zusammenarbeiten müssen – mit gemeinsam genutzten Live-Daten über den gesamten Prozess hinweg.

Wichtige Erkenntnisse

• Strukturelektronik vereint Gehäuse und Leiterplatte zu einer Einheit, indem leitfähige Leiterbahnen direkt auf spritzgegossene Kunststoffgehäuse aufgebracht werden. Das ermöglicht kleinere Bauformen, besseres Wärmemanagement und integrierte EMI-Abschirmung.
• Eine einzelne mechanische Änderung kann ein elektrisches Design zerstören. Strukturelle Substrate ersetzen Standard-PCB-Materialien und schaffen neue Zielkonflikte bei Wärmeableitung, Signalintegrität und Haltbarkeit der Abschirmung, die sowohl EEs als auch MEs berücksichtigen müssen.
• Die Auswahl von Komponenten und Gehäusen muss an die Einschränkungen der 3D-Fertigung angepasst werden. Begrenzungen in der Z-Achse, extreme Hitze und hoher Druck beim Formprozess sowie Oberflächenkrümmungen schränken ein, welche IC-Gehäuse und Materialien zuverlässig eingesetzt werden können.
• Strukturelektronik erfordert während des gesamten Designprozesses eine bereichsübergreifende Zusammenarbeit in Echtzeit. Statische Dateihandoffs zwischen Elektro- und Mechanikteams schaffen ein inakzeptables Risiko, wenn eine Geometrieänderung eine Leiterbahn zerstören kann.

Strukturelektronik erfordert Hardware-Zusammenarbeit

Der Wechsel zur Strukturelektronik hebt traditionelle Designgrenzen auf. Durch den Einsatz geeigneter 3D-CAD-Software und die Auslegung für einen 3D-Depositionsprozess können Ingenieure die Einschränkungen flacher, starrer Leiterplatten hinter sich lassen und leitfähige Leiterbahnen entlang beliebiger 3D-geformter Kunststoffoberflächen führen. 

Strukturelektronik ermöglicht einzigartige Lösungen für technische Probleme in den Bereichen Wärmemanagement, Highspeed- und HF-Design sowie sogar bei elektromagnetischen Interferenzen (EMI). Da das Substrat selbst zu einem vollständig integrierten Bestandteil des Designs wird, entsteht ein anderer Satz an Zielkonflikten, da Standard-PCB-Materialien nicht mehr verwendet werden.

Wärmeableitung

• Kühlung auf Chassis-Ebene: Verwandelt das äußere Gehäuse in einen großen, verteilten Kühlkörper, der thermische Energie direkt an die äußere Oberfläche ableitet.
• Komplexe 3D-Platzierung: Zwingt Ingenieure dazu, die 2D-Clusterung aufzugeben und wärmeerzeugende Komponenten strategisch im 3D-Raum zu verteilen, um äußere Hotspots zu vermeiden.
• Berührungstemperatur: Wenn Wärme über das Außengehäuse abgeführt wird, ist eine sorgfältige Platzierung erforderlich, damit Griffflächen und Handhabungszonen unter einer für menschliche Nutzer angemessenen Berührungstemperatur bleiben.

Signalintegrität

• Freiheit beim 3D-Routing: Wenn die Leiterbahnführung nicht auf Oberflächenrouten beschränkt ist, können Leiterbahnen entlang des absolut kürzesten physischen 3D-Pfads geführt werden.
• Unvorhersehbare Substrate: Strukturierte Spritzguss-Harze besitzen nicht die vorhersehbare dielektrische Gleichmäßigkeit von standardmäßigem FR-4, daher ist eine Materialqualifizierung erforderlich, wenn Signalintegrität eine Rolle spielt.

EMI-Abschirmung

• Lückenloser Schutz: Einteilige, geformte 3D-Gehäuse beseitigen die typischen Lücken, Nähte und Verbindungsstellen, an denen bei herkömmlichen mehrteiligen Gehäusen EMI-Leckagen auftreten.
• Verschleiß der Abschirmung: Da sich die Abschirmung direkt unter dem äußeren Chassis befindet, können Kratzer aus der Umgebung, Mikrorisse und Materialspannungen die Schicht im Laufe der Zeit beeinträchtigen. Daher ist eine sorgfältige Auswahl eines ausreichend robusten Substratmaterials erforderlich.

Designstrategien

1. Standardisierung von Footprint und Z-Achse

In einem flachen PCB-Design ist der Wechsel zu einem etwas höheren Ersatzchip einfach: Er belegt lediglich leeren Raum im Gehäuseinneren. In structural electronicskann die Z-Achse jedoch eingeschränkt sein und damit den Bereich der verfügbaren Komponenten- oder Gehäuseoptionen begrenzen. Ein strukturelles Substrat kann durch ein anderes Gehäuse oder mechanisches Element eingeschränkt sein, oder Komponentenkavitäten können die Höhe montierter Bauteile begrenzen.

2. Überlebenskennwerte für Temperatur und Druck

Strukturelle Fertigungsprozesse wie In-Mold Electronics (IME) setzen Bauteile intensiver Hitze und enormem Druck aus, wenn geschmolzener Kunststoff die Formkavität flutet. Gleichzeitig wird auch Laser Direct Structuring (LDS) für die Fertigung von Strukturelektronik verwendet, wodurch die Substratmaterialien ebenfalls kurzzeitig hohen Temperaturen ausgesetzt werden. Auch dies ist ein Aspekt der Materialauswahl, der die Zuverlässigkeit des fertigen strukturellen Designs bestimmt.

3. IC-Gehäuse basierend auf der Krümmung auswählen

Die Geometrie von Komponenten bestimmt, wie gut sie den Fertigungskräften standhält. Komponenten mit empfindlichen, hervorstehenden Metallanschlüssen sind besonders anfällig, da schnell fließender Kunststoff sie beim Spritzgießen verbiegen oder abreißen kann. Echte Flexibilität setzt voraus, dass anschlusslose, extrem flache Gehäuse (wie QFNs oder BGAs) verwendet werden, die bündig auf dem Substrat sitzen und so Oberfläche und mechanisches Risiko minimieren.

Wo sich Strukturelektronik entwickeln lässt

Die Theorie hinter Strukturelektronik zu verstehen, ist nur der erste Schritt; die eigentliche Herausforderung liegt in der Umsetzung. Um diese dreidimensionalen Herausforderungen zu bewältigen, müssen alle Beteiligten in einer gemeinsamen Umgebung mit vollständiger 3D-Transparenz arbeiten.

Altium Agile Teams schließt diese Lücke, indem es ein einheitliches Ökosystem bereitstellt, in dem EEs und MEs ihre Layouts nativ mit bereichsübergreifenden Echtzeit-Einblicken abgleichen können. Anstatt sich auf starre Checklisten und statische Dateihandoffs zu verlassen, können Teams mit aktuellen Live-Designdaten zusammenarbeiten, bei denen jede mechanische Änderung und jede elektrische Leiterbahnänderung sofort nachverfolgt wird.

Die Umsetzung von Strukturelektronik erfordert mehr als nur gutes ingenieurtechnisches Urteilsvermögen; sie verlangt, dass beide Teams dasselbe Design zur selben Zeit sehen und Änderungen in allen Bereichen nachverfolgt werden. Altium Agile Teams ermöglicht dies durch fortschrittliches ECAD-MCAD-Co-Design: Live-Synchronisierung zwischen elektrischen und mechanischen Umgebungen, Komponentenplatzierung von der mechanischen Seite aus sowie einen Compare-and-Approve-Workflow, der beide Disziplinen vom ersten Konzept bis zur finalen Freigabe aufeinander abstimmt. 

Erfahren Sie mehr über Altium Agile Teams →

Häufig gestellte Fragen

Was ist Strukturelektronik, und wie unterscheidet sie sich von herkömmlichen PCBs?

Strukturelektronik integriert leitfähige Leiterbahnen und Komponenten direkt auf eine geformte mechanische Struktur, beispielsweise ein Produktgehäuse. Anders als bei einer herkömmlichen PCB fungiert das mechanische Substrat gleichzeitig als Schaltungsträger, sodass elektrische und mechanische Funktionen denselben dreidimensionalen Raum einnehmen können.

Wie integrieren 3D-MIDs Schaltungen in Produktgehäuse?

3D-MIDs nutzen Fertigungsprozesse wie Laser Direct Structuring oder die Abscheidung leitfähiger Materialien, um Leiterbahnen auf geformten Kunststoffoberflächen zu erzeugen. Anschließend können Komponenten direkt auf der Struktur montiert werden, sodass eine einzelne Baugruppe entsteht, die Gehäuse, Verbindungen und elektronische Hardware kombiniert.

Wie kann Strukturelektronik EMI-Abschirmung bereitstellen?

Strukturelektronik kann leitfähige Abschirmschichten direkt in ein geformtes Gehäuse integrieren. Eine durchgängige, einteilige Struktur reduziert Nähte und Verbindungsstellen, über die elektromagnetische Leckage typischerweise entsteht, wobei die Abschirmschicht jedoch vor Kratzern, Rissbildung und mechanischer Belastung geschützt bleiben muss.