Zoptymalizuj wydajność i elastyczność projektowania dzięki elektronice strukturalnej

Gdy obudowa produktu staje się płytką drukowaną, zasady projektowe zmieniają się całkowicie. Elektronika strukturalna, oparta na technologiach takich jak 3D molded interconnect devices (3D-MIDs), osadza ścieżki przewodzące bezpośrednio na formowanych obudowach z tworzywa sztucznego, eliminując rozdział między światem elektrycznym i mechanicznym.

Na tym właśnie polega ta integracja. Umożliwia ona mniejsze wymiary, lepsze zarządzanie ciepłem oraz natywne ekranowanie EMI. Oznacza też, że pojedyncza zmiana geometrii mechanicznej może zniszczyć ścieżkę elektryczną. To kolejny przykład sytuacji, w której inżynierowie elektrycy i mechanicy muszą współpracować nad innowacyjnymi projektami, z bieżącym udostępnianiem danych na każdym etapie procesu.

Najważniejsze wnioski

• Elektronika strukturalna łączy obudowę i płytkę drukowaną w jeden element, osadzając ścieżki przewodzące bezpośrednio na formowanych obudowach z tworzywa sztucznego, co pozwala uzyskać mniejsze wymiary, lepsze zarządzanie ciepłem oraz natywne ekranowanie EMI.
• Pojedyncza zmiana mechaniczna może zniszczyć projekt elektryczny. Podłoża strukturalne zastępują standardowe materiały PCB, wprowadzając nowe kompromisy w zakresie odprowadzania ciepła, integralności sygnału i trwałości ekranowania, które muszą uwzględniać zarówno inżynierowie elektrycy, jak i mechanicy.
• Dobór komponentów i obudów musi zostać dostosowany do ograniczeń produkcji 3D. Ograniczenia w osi Z, ekstremalna temperatura i ciśnienie podczas formowania oraz krzywizna powierzchni ograniczają, które obudowy układów scalonych i materiały można stosować w sposób niezawodny.
• Elektronika strukturalna wymaga bieżącej, międzydziedzinowej współpracy przez cały proces projektowy. Statyczne przekazywanie plików między zespołami elektrycznymi i mechanicznymi stwarza niedopuszczalne ryzyko, gdy zmiana geometrii może zniszczyć ścieżkę.

Elektronika strukturalna wymaga współpracy sprzętowej

Przejście na elektronikę strukturalną usuwa tradycyjne granice projektowe. Dzięki wykorzystaniu odpowiedniego oprogramowania 3D CAD i projektowaniu pod kątem procesu osadzania 3D inżynierowie mogą porzucić ograniczenia płaskich, sztywnych płytek i prowadzić ścieżki przewodzące po dowolnej trójwymiarowej, formowanej powierzchni z tworzywa sztucznego. 

Elektronika strukturalna umożliwia unikalne rozwiązania problemów inżynierskich związanych z zarządzaniem ciepłem, projektowaniem high-speed i RF, a nawet zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI). Ponieważ samo podłoże staje się w pełni zintegrowanym elementem projektu, pojawia się inny zestaw kompromisów, ponieważ nie są już używane standardowe materiały PCB.

Odprowadzanie ciepła

• Chłodzenie na poziomie obudowy: Przekształca zewnętrzną obudowę w ogromny, rozproszony radiator, przewodzący energię cieplną bezpośrednio do zewnętrznej powierzchni.
• Złożone rozmieszczenie 3D: Zmusza inżynierów do porzucenia grupowania 2D i strategicznego rozpraszania gorących komponentów w przestrzeni 3D, aby zapobiec powstawaniu gorących punktów na zewnątrz.
• Temperatura dotyku: Odprowadzanie ciepła przez zewnętrzną obudowę wymaga starannego rozmieszczenia, aby strefy chwytu i uchwytów pozostawały poniżej odpowiedniej temperatury bezpiecznej dla użytkownika.

Integralność sygnału

• Swoboda prowadzenia w 3D: Gdy ścieżki nie są ograniczone do prowadzenia po powierzchni, można je poprowadzić najkrótszą możliwą fizyczną drogą 3D.
• Nieprzewidywalne podłoża: Żywice stosowane w strukturalnym formowaniu wtryskowym nie mają przewidywalnej jednorodności dielektrycznej jak standardowy FR-4, dlatego gdy integralność sygnału ma znaczenie, konieczna jest kwalifikacja materiału.

Ekranowanie EMI

• Bezszwowa ochrona: Jednoczęściowe, formowane obudowy 3D eliminują typowe szczeliny, łączenia i styki, przez które w tradycyjnych obudowach wieloczęściowych dochodzi do wycieków EMI.
• Zużycie ekranowania: Ponieważ ekranowanie znajduje się tuż pod zewnętrzną obudową, zarysowania środowiskowe, mikropęknięcia i naprężenia materiałowe mogą z czasem osłabić tę warstwę, co wymaga starannego doboru materiału podłoża o wystarczającej trwałości.

Strategie projektowe

1. Standaryzacja footprintu i osi Z

W projekcie płaskiej PCB zamiana na nieco wyższy układ zapasowy jest łatwa: po prostu zajmuje pustą przestrzeń powietrzną wewnątrz obudowy. W elektronice strukturalnej możliwe jest jednak, że oś Z jest ograniczona, co zawęzi zakres dostępnych opcji komponentów lub obudów. Podłoże strukturalne może być ograniczone przez inną obudowę lub element mechaniczny, a wnęki na komponenty mogą ograniczać wysokość montowanych elementów.

2. Odporność na temperaturę i ciśnienie

Procesy wytwarzania strukturalnego, takie jak in-mold electronics (IME), narażają części na intensywne ciepło i ogromne ciśnienie, gdy roztopione tworzywo wypełnia wnękę formy. Tymczasem do wytwarzania elektroniki strukturalnej stosuje się także laser-direct structuring (LDS), które również poddaje materiały podłoża chwilowemu działaniu wysokich temperatur. To kolejny aspekt doboru materiału, który będzie decydował o niezawodności ukończonego projektu strukturalnego.

3. Wybieraj obudowy układów scalonych zależnie od krzywizny

Geometria komponentu decyduje o tym, jak dobrze znosi on siły występujące podczas produkcji. Komponenty z delikatnymi, wystającymi metalowymi wyprowadzeniami są bardzo podatne na uszkodzenia, ponieważ szybko płynące ciekłe tworzywo może je wygiąć lub oderwać podczas formowania wtryskowego. Prawdziwa elastyczność zależy od pozyskania bezwyprowadzeniowych obudów o ultraniskim profilu (takich jak QFNs lub BGAs), które przylegają płasko do podłoża, minimalizując powierzchnię narażoną na działanie sił i ryzyko mechaniczne.

Gdzie projektować elektronikę strukturalną

Zrozumienie teorii stojącej za elektroniką strukturalną to dopiero pierwszy krok; prawdziwe wyzwanie leży w realizacji. Aby poradzić sobie z tymi trójwymiarowymi problemami, wszystkie strony muszą działać we wspólnym środowisku zapewniającym pełną przejrzystość 3D.

Altium Agile Teams wypełnia tę lukę, zapewniając zunifikowany ekosystem, w którym inżynierowie elektrycy i mechanicy mogą natywnie wzajemnie odnosić swoje układy do bieżących, międzydziałowych informacji. Zamiast polegać na sztywnych checklistach i statycznym przekazywaniu plików, zespoły zyskują możliwość współpracy na aktualnych, żywych danych projektowych, gdzie każda zmiana mechaniczna i każda zmiana ścieżki elektrycznej są natychmiast śledzone.

Realizacja elektroniki strukturalnej wymaga czegoś więcej niż tylko trafnej oceny inżynierskiej; wymaga, aby oba zespoły widziały ten sam projekt w tym samym czasie, a zmiany były śledzone we wszystkich obszarach. Altium Agile Teams zapewnia to dzięki zaawansowanemu współprojektowaniu ECAD-MCAD: synchronizacji na żywo między środowiskami elektrycznym i mechanicznym, rozmieszczaniu komponentów od strony mechanicznej oraz przepływowi pracy typu compare-and-approve, który utrzymuje zgodność obu dziedzin od pierwszej koncepcji aż po finalne wydanie. 

Dowiedz się więcej o Altium Agile Teams →

Często zadawane pytania

Czym jest elektronika strukturalna i czym różni się od tradycyjnych PCB?

Elektronika strukturalna integruje ścieżki przewodzące i komponenty bezpośrednio z formowaną strukturą mechaniczną, taką jak obudowa produktu. W przeciwieństwie do tradycyjnej PCB, podłoże mechaniczne pełni również funkcję nośnika obwodu, dzięki czemu cechy elektryczne i mechaniczne mogą zajmować tę samą trójwymiarową przestrzeń.

Jak 3D molded interconnect devices integrują obwody z obudowami produktów?

3D molded interconnect devices wykorzystują procesy produkcyjne, takie jak laser-direct structuring lub osadzanie materiału przewodzącego, aby tworzyć ścieżki na formowanych powierzchniach z tworzywa sztucznego. Komponenty można następnie montować bezpośrednio na tej strukturze, tworząc pojedynczy zespół łączący obudowę, połączenia międzyelementowe i osprzęt elektroniczny.

W jaki sposób elektronika strukturalna może zapewniać ekranowanie EMI?

Elektronika strukturalna może zawierać przewodzące warstwy ekranowania bezpośrednio w formowanej obudowie. Ciągła, jednoczęściowa struktura zmniejsza liczbę szczelin i połączeń, które często umożliwiają przenikanie zakłóceń elektromagnetycznych, choć sama warstwa ekranowania musi pozostawać chroniona przed zarysowaniami, pękaniem i naprężeniami mechanicznymi.