Ottimizza le prestazioni e la flessibilità di progettazione con l’elettronica strutturale

Quando l’involucro del prodotto diventa il circuito stampato, le regole di progettazione cambiano completamente. L’elettronica strutturale, basata su tecnologie come i dispositivi di interconnessione stampati 3D (3D-MID), integra le piste conduttive direttamente sugli alloggiamenti in plastica stampata, eliminando la separazione tra il mondo elettrico e quello meccanico.

È proprio questa integrazione il punto centrale. Consente ingombri ridotti, una migliore gestione termica e una schermatura EMI nativa. Significa anche che una singola modifica della geometria meccanica può distruggere una pista elettrica. Questo rappresenta un altro caso in cui ingegneri elettrici e meccanici devono collaborare su progetti innovativi, con condivisione dei dati in tempo reale durante tutto il processo.

Punti chiave

• L’elettronica strutturale unisce involucro e circuito stampato in un unico elemento, integrando piste conduttive direttamente sugli alloggiamenti in plastica stampata per ottenere ingombri ridotti, migliore gestione termica e schermatura EMI nativa.
• Una singola modifica meccanica può compromettere un progetto elettrico. I substrati strutturali sostituiscono i materiali PCB standard, introducendo nuovi compromessi in termini di dissipazione termica, integrità del segnale e durata della schermatura che sia gli EE sia i ME devono considerare.
• La selezione di componenti e package deve adattarsi ai vincoli della produzione 3D. I limiti sull’asse Z, il calore e la pressione estremi durante lo stampaggio e la curvatura delle superfici restringono i package IC e i materiali che possono essere utilizzati in modo affidabile.
• L’elettronica strutturale richiede una collaborazione continua e interdisciplinare durante tutto il processo di progettazione. I passaggi statici di file tra team elettrici e meccanici creano un rischio inaccettabile quando una modifica geometrica può distruggere una pista.

L’elettronica strutturale richiede collaborazione hardware

Il passaggio all’elettronica strutturale elimina i tradizionali confini di progettazione. Utilizzando un software CAD 3D adeguato e progettando per un processo di deposizione 3D, gli ingegneri possono superare i limiti delle schede piatte e rigide e instradare le piste conduttive lungo qualsiasi superficie plastica stampata in 3D. 

L’elettronica strutturale consente soluzioni uniche a problemi ingegneristici che riguardano la gestione termica, la progettazione ad alta velocità e RF e persino le interferenze elettromagnetiche (EMI). Poiché il substrato stesso diventa un componente completamente integrato nel progetto, emerge un diverso insieme di compromessi, dato che non vengono più utilizzati i materiali PCB standard.

Dissipazione termica

• Dissipazione a livello di chassis: trasforma l’involucro esterno in un enorme dissipatore distribuito, conducendo l’energia termica direttamente verso la superficie esterna.
• Posizionamento 3D complesso: costringe gli ingegneri ad abbandonare il raggruppamento 2D e a distribuire strategicamente i componenti caldi nello spazio 3D per evitare punti caldi esterni.
• Temperatura al tatto: dissipare il calore attraverso l’involucro esterno richiede un posizionamento accurato per garantire che le aree di presa e impugnatura rimangano al di sotto di una temperatura di contatto adeguata per gli utenti.

Integrità del segnale

• Libertà di instradamento 3D: non essendo vincolati a percorsi di superficie, consente di instradare le piste lungo il percorso fisico 3D assolutamente più breve.
• Substrati imprevedibili: le resine per stampaggio a iniezione strutturale non hanno l’uniformità dielettrica prevedibile del FR-4 standard, quindi è necessaria la qualificazione del materiale quando l’integrità del segnale è un aspetto critico.

Schermatura EMI

• Protezione senza giunzioni: gli involucri 3D stampati in un unico pezzo eliminano i tipici spazi, giunzioni e raccordi in cui i tradizionali alloggiamenti multi-parte soffrono di perdite EMI.
• Usura della schermatura: poiché la schermatura si trova appena sotto il telaio esterno, graffi ambientali, microfratture e stress del materiale possono compromettere lo strato nel tempo, rendendo necessaria un’attenta selezione di un materiale di substrato sufficientemente durevole.

Strategie di progettazione

1. Standardizzazione di footprint e asse Z

In un progetto PCB piatto, passare a un chip di backup leggermente più alto è semplice: occupa solo spazio d’aria vuoto all’interno del contenitore. Nell’elettronica strutturale, è possibile che l’asse z sia vincolato e limiti la gamma di componenti o package disponibili. Un substrato strutturale può essere vincolato da un altro involucro o elemento meccanico, oppure le cavità per i componenti possono limitare l’altezza dei componenti montati.

2. Valori nominali di sopravvivenza a temperatura e pressione

I processi di produzione strutturale come l’elettronica in stampo (IME) sottopongono i componenti a calore intenso e pressione enorme mentre la plastica fusa invade la cavità dello stampo. Nel frattempo, anche la strutturazione laser diretta (LDS) viene utilizzata per la fabbricazione di elettronica strutturale, sottoponendo anch’essa i materiali del substrato a temperature elevate per brevi periodi. Anche questo è un aspetto della selezione dei materiali che determinerà l’affidabilità del progetto strutturale completato.

3. Scegliere i package IC in base alla curvatura

La geometria del componente determina quanto bene sopporta le forze di produzione. I componenti con terminali metallici sporgenti e fragili sono altamente vulnerabili, poiché il rapido flusso di plastica liquida può piegarli o strapparli durante lo stampaggio a iniezione. La vera flessibilità dipende dalla disponibilità di package senza terminali, a profilo ultra-ribassato (come QFN o BGA) che aderiscano al substrato, riducendo al minimo l’area superficiale e il rischio meccanico.

Dove progettare l’elettronica strutturale

Comprendere la teoria alla base dell’elettronica strutturale è solo il primo passo; la vera sfida sta nell’esecuzione. Per superare questi problemi tridimensionali, tutte le parti devono operare all’interno di un ambiente condiviso con piena chiarezza 3D.

Altium Agile Teams colma questo divario fornendo un ecosistema unificato in cui EE e ME possono fare riferimento in modo nativo ai rispettivi layout con informazioni interdipartimentali in tempo reale. Invece di affidarsi a checklist rigide e a passaggi statici di file, i team possono collaborare su dati di progettazione aggiornati e in tempo reale, dove ogni modifica meccanica e ogni variazione delle piste elettriche vengono tracciate istantaneamente.

Realizzare elettronica strutturale richiede più di un buon giudizio ingegneristico; richiede che entrambi i team vedano lo stesso progetto, nello stesso momento, con le modifiche tracciate in ogni ambito. Altium Agile Teams offre tutto questo tramite co-design ECAD-MCAD avanzato: sincronizzazione live tra ambienti elettrici e meccanici, posizionamento dei componenti dal lato meccanico e un flusso di lavoro di confronto e approvazione che mantiene entrambe le discipline allineate dal primo concetto fino al rilascio finale. 

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Domande frequenti

Cosa sono l’elettronica strutturale e in cosa differisce dai PCB tradizionali?

L’elettronica strutturale integra piste conduttive e componenti direttamente su una struttura meccanica stampata, come l’involucro di un prodotto. A differenza di un PCB tradizionale, il substrato meccanico funge anche da supporto del circuito, consentendo a caratteristiche elettriche e meccaniche di occupare lo stesso spazio tridimensionale.

In che modo i dispositivi di interconnessione stampati 3D integrano i circuiti negli involucri dei prodotti?

I dispositivi di interconnessione stampati 3D utilizzano processi produttivi come la strutturazione laser diretta o la deposizione di materiale conduttivo per formare piste sulle superfici in plastica stampata. I componenti possono quindi essere montati direttamente sulla struttura, creando un unico assieme che combina involucro, interconnessioni e hardware elettronico.

In che modo l’elettronica strutturale può fornire schermatura EMI?

L’elettronica strutturale può incorporare strati di schermatura conduttiva direttamente in un involucro stampato. Una struttura continua in un unico pezzo riduce giunzioni e raccordi che comunemente consentono perdite elettromagnetiche, anche se lo strato di schermatura deve rimanere protetto da graffi, crepe e stress meccanico.