Optimisez les performances et la flexibilité de conception grâce à l’électronique structurelle

Lorsque le boîtier du produit devient la carte électronique, les règles de conception changent entièrement. L’électronique structurelle, fondée sur des technologies comme les dispositifs d’interconnexion moulés 3D (3D-MID), intègre des pistes conductrices directement sur des boîtiers plastiques moulés, supprimant la séparation entre les mondes électrique et mécanique.

Cette intégration est précisément l’objectif. Elle permet des encombrements plus réduits, une meilleure gestion thermique et un blindage EMI natif. Cela signifie aussi qu’une simple modification de la géométrie mécanique peut détruire une piste électrique. Cela illustre un nouveau cas où les ingénieurs électriciens et mécaniciens doivent collaborer sur des conceptions innovantes, avec un partage de données en direct tout au long du processus.

Points clés

• L’électronique structurelle fusionne le boîtier et la carte électronique en un seul élément, en intégrant des pistes conductrices directement sur des boîtiers plastiques moulés afin de permettre des encombrements plus réduits, une meilleure gestion thermique et un blindage EMI natif.
• Une seule modification mécanique peut rompre une conception électrique. Les substrats structurels remplacent les matériaux PCB standard, créant de nouveaux compromis autour de la dissipation thermique, de l’intégrité du signal et de la durabilité du blindage que les EE et les ME doivent tous deux prendre en compte.
• La sélection des composants et des boîtiers doit s’adapter aux contraintes de fabrication 3D. Les limitations sur l’axe Z, la chaleur et la pression extrêmes pendant le moulage, ainsi que la courbure des surfaces, restreignent tous les types de boîtiers de CI et de matériaux pouvant être utilisés de manière fiable.
• L’électronique structurelle exige une collaboration interdisciplinaire en temps réel tout au long du processus de conception. Les transferts statiques de fichiers entre les équipes électrique et mécanique créent un risque inacceptable lorsqu’un changement de géométrie peut détruire une piste.

L’électronique structurelle exige une collaboration matérielle

Le passage à l’électronique structurelle supprime les frontières de conception traditionnelles. En utilisant un logiciel de CAO 3D approprié et en concevant pour un procédé de dépôt 3D, les ingénieurs peuvent s’affranchir des limites des cartes planes et rigides et router des pistes conductrices sur n’importe quelle surface plastique moulée en 3D. 

L’électronique structurelle permet d’apporter des solutions uniques à des problèmes d’ingénierie liés à la gestion thermique, à la conception haute vitesse et RF, et même aux interférences électromagnétiques (EMI). Étant donné que le substrat lui-même devient un composant totalement intégré dans la conception, un autre ensemble de compromis apparaît puisque les matériaux PCB standard ne sont plus utilisés.

Dissipation thermique

• Refroidissement par le châssis au niveau du boîtier : transforme le boîtier extérieur en un immense dissipateur thermique réparti, conduisant l’énergie thermique directement vers la surface extérieure.
• Placement 3D complexe : oblige les ingénieurs à abandonner le regroupement 2D et à répartir stratégiquement les composants chauds dans l’espace 3D afin d’éviter les points chauds externes.
• Température au toucher : dissiper la chaleur à travers le boîtier extérieur nécessite un placement soigné afin de garantir que les zones de prise en main et de manipulation restent en dessous d’une température de contact appropriée pour les utilisateurs.

Intégrité du signal

• Liberté de routage 3D : lorsqu’il n’est pas limité aux routages de surface, permet de router les pistes selon le chemin physique 3D le plus court possible.
• Substrats imprévisibles : les résines de moulage par injection structurel n’offrent pas l’uniformité diélectrique prévisible du FR-4 standard, de sorte qu’une qualification des matériaux est nécessaire lorsque l’intégrité du signal est une préoccupation.

Blindage EMI

• Protection sans discontinuité : les boîtiers 3D moulés en une seule pièce éliminent les espaces, joints et raccords typiques par lesquels les boîtiers traditionnels en plusieurs parties souffrent de fuites EMI.
• Usure du blindage : comme le blindage se trouve juste sous le châssis extérieur, les rayures environnementales, les microfissures et les contraintes sur le matériau peuvent dégrader la couche au fil du temps, ce qui exige une sélection minutieuse d’un matériau de substrat suffisamment durable.

Stratégies de conception

1. Standardisation de l’empreinte et de l’axe Z

Dans une conception PCB plane, passer à une puce de secours légèrement plus haute est simple : elle n’occupe que de l’air vide à l’intérieur du boîtier. Dans les structural electronics, il est possible que l’axe Z soit contraint, ce qui limitera l’éventail des composants ou des boîtiers disponibles. Un substrat structurel peut être limité par un autre boîtier ou un autre élément mécanique, ou les cavités de composants peuvent limiter la hauteur des composants montés.

2. Températures et pressions admissibles

Les procédés de fabrication structurelle comme l’électronique in-mold (IME) soumettent les pièces à une chaleur intense et à une pression considérable lorsque le plastique fondu remplit la cavité du moule. Parallèlement, la structuration laser directe (LDS) est également utilisée pour la fabrication d’électronique structurelle, soumettant elle aussi les matériaux du substrat à des températures élevées momentanées. Il s’agit d’un autre aspect du choix des matériaux qui déterminera la fiabilité de la conception structurelle finale.

3. Choisir les boîtiers de CI en fonction de la courbure

La géométrie des composants détermine leur capacité à supporter les contraintes de fabrication. Les composants dotés de pattes métalliques fragiles et saillantes sont très vulnérables, car le plastique liquide en mouvement peut les plier ou les arracher lors du moulage par injection. Une véritable flexibilité repose sur l’approvisionnement en boîtiers sans pattes, ultra-bas profil (comme les QFNs ou BGAs) qui reposent à plat contre le substrat, minimisant la surface exposée et le risque mécanique.

Où concevoir l’électronique structurelle

Comprendre la théorie de l’électronique structurelle n’est que la première étape ; le véritable défi réside dans l’exécution. Pour surmonter ces difficultés tridimensionnelles, toutes les parties doivent travailler dans un environnement partagé offrant une vision 3D claire.

Altium Agile Teams comble cet écart en fournissant un écosystème unifié dans lequel les EE et les ME peuvent recouper nativement leurs implantations avec des informations interservices en temps réel. Au lieu de s’appuyer sur des check-lists rigides et des transferts de fichiers statiques, les équipes peuvent collaborer sur des données de conception à jour et en direct, où chaque modification mécanique et chaque changement de piste électrique sont suivis instantanément.

La mise en œuvre de l’électronique structurelle exige plus qu’un bon jugement d’ingénierie ; elle nécessite que les deux équipes voient la même conception, au même moment, avec des changements suivis dans tous les domaines. Altium Agile Teams offre cela grâce à une co-conception ECAD-MCAD avancée : synchronisation en direct entre les environnements électrique et mécanique, placement de composants depuis le côté mécanique et flux de travail de comparaison et d’approbation qui maintient les deux disciplines alignées du premier concept à la version finale. 

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Foire aux questions

Qu’est-ce que l’électronique structurelle et en quoi diffère-t-elle des PCB traditionnels ?

L’électronique structurelle intègre des pistes conductrices et des composants directement sur une structure mécanique moulée, comme un boîtier de produit. Contrairement à un PCB traditionnel, le substrat mécanique fait également office de support de circuit, permettant aux fonctions électriques et mécaniques d’occuper le même espace tridimensionnel.

Comment les dispositifs d’interconnexion moulés 3D intègrent-ils les circuits dans les boîtiers de produits ?

Les dispositifs d’interconnexion moulés 3D utilisent des procédés de fabrication tels que la structuration laser directe ou le dépôt de matériaux conducteurs pour former des pistes sur des surfaces plastiques moulées. Les composants peuvent ensuite être montés directement sur la structure, créant un ensemble unique qui combine le boîtier, les interconnexions et le matériel électronique.

Comment l’électronique structurelle peut-elle fournir un blindage EMI ?

L’électronique structurelle peut intégrer des couches de blindage conductrices directement dans un boîtier moulé. Une structure continue, en une seule pièce, réduit les joints et raccords qui permettent couramment les fuites électromagnétiques, bien que la couche de blindage doive rester protégée contre les rayures, les fissures et les contraintes mécaniques.