Dlaczego kursy projektowania PCB są niezbędne w programie studiów inżynierskich

Jeśli półprzewodniki są jak narządy w ludzkim ciele, to płytka drukowana (PCB) jest jak szkielet i naczynia krwionośne, które nadają urządzeniu elektronicznemu jego strukturę. Nowoczesna elektronika z którą mamy dziś do czynienia, nie byłaby możliwa bez PCB, a wykorzystanie PCB do montażu komponentów elektronicznych nie zniknie w najbliższym czasie. PCB w urządzeniach elektronicznych – od smartfonów po urządzenia gospodarstwa domowego – muszą być precyzyjnie zaprojektowane i starannie wyprodukowane, w przeciwnym razie produkty nie będą poprawnie działać.

Mimo że PCB są obecne w praktycznie każdym produkcie elektronicznym wprowadzanym obecnie na rynek, system kształcenia uniwersyteckiego oferuje zaskakująco mało programów edukacyjnych koncentrujących się na projektowaniu i produkcji obwodów drukowanych. Zrozumiałe jest więc, że branża półprzewodników zajęła ważne miejsce ze względu na ogromne wyzwania inżynieryjne związane z nadążaniem za zgodnością z prawem Moore’a. W rezultacie czasami PCB są postrzegane jako przesadzony sposób łączenia ze sobą chipów komputerowych.

W rzeczywistości żadne urządzenia elektroniczne, z których korzystamy lub na których polegamy, nie mogą działać poprawnie, jeśli obwody drukowane nie są właściwie zaprojektowane i wyprodukowane. Projektowanie i produkcja obwodów drukowanych opiera się również na innych obszarach inżynierii poza elektroniką. Kurs projektowania PCB może pomóc przygotować studentów do radzenia sobie zarówno z ich zaprojektowaniem, jak i przygotowaniem do produkcji. Dzięki temu będą mieli więcej atutów na rynku pracy.

Dlaczego warto uwzględniać projektowanie PCB w kursach inżynierskich?

Projektowanie PCB łączy wiele podstawowych pojęć w inżynierii elektrycznej i elektronicznej z naciskiem na przygotowanie produktu fizycznego. Tworzenie nadającego się do produkcji obwodu drukowanego jest jak rozwiązywanie złożonej zagadki, w której zasady opierają się na podstawowych pojęciach w elektrotechnice. To zawód dostarczający wiele radości i satysfakcji, który obejmuje wiele wyzwań inżynierskich w każdym projekcie.

Oprócz tego, że jest to dobra zabawa, projektowanie PCB jest również kluczową funkcją w przemyśle elektronicznym, choć nie przywiązywano do niej należytej wagi przez kilka ostatnich dekad. W rezultacie oczekuje się, że popyt na kompetentnych projektantów PCB wzrośnie w nadchodzących latach, gdy osoby zajmujące się tym obecnie przejdą na emeryturę. Kursy projektowania PCB dadzą studentom przewagę na rynku pracy, jeśli zdecydują się na rozwój kariery w kierunku inżynierii sprzętu. Studenci mogą uzyskać pewne ważne korzyści z kursów projektowania PCB w standardowych programach nauczania inżynierii elektrycznej.

Nastawienie na procesy projektowania przemysłowego i oprogramowania

Bardziej niż w innych dziedzinach inżynierii projektowanie PCB odbywa się zgodnie z określonym przepływem pracy inżynierskiej, który prowadzi zespoły projektowe od koncepcji produktu do w pełni możliwego do wyprodukowania projektu. Kurs projektowania PCB zapoznaje studentów ze standardowym przepływem pracy, który jest stosowany w całej branży elektronicznej. Ten przepływ pracy jest uwzględniany w oprogramowaniu do projektowania PCB, a studenci będą mieli okazję zobaczyć, jak prawdziwe projekty są realizowane w profesjonalnym środowisku. Jest to cenne doświadczenie, które w innym wypadku wymagałoby od studenta udziału w stażu.

Projektowanie PCB łączy w sobie wiele dyscyplin inżynieryjnych

U podstaw projektowania PCB leżą mocne podstawy inżynierii elektrycznej, wymagające od studentów czerpania z koncepcji elektroniki cyfrowej, analogowej, mocy i mikrofalowej, często podczas pracy nad pojedynczym projektem. W każdym projekcie trzeba wykorzystywać koncepcje z wielu dziedzin inżynierii, aby ukończyć schematy, fizyczny układ, a ostatecznie w pełni możliwy do wyprodukowania projekt. Obejmuje to:

• Projektowanie obwodów i przechwytywanie schematów na podstawowym poziomie
• Symulacje i analizy – od oprogramowania SPICE do pełnofalowych solwerów pola 3D
• Układ fizyczny, w którym często trzeba uwzględnić ograniczenia mechaniczne
• Koncepcje elektromagnetyczne, w szczególności dotyczące propagacji fal i promieniowania

Biorąc pod uwagę, że pojedynczy projekt PCB może być uzależniony od tak wielu dziedzin inżynierii, projektowanie PCB jest doskonałą okazją do praktycznego pokazania zależności między tymi dziedzinami. Nawet jeśli po ukończeniu kursu studenci nie zaczną pracować w branży PCB, zyskają kontakt z różnymi rodzajami wspólnych, multidyscyplinarnych projektów inżynieryjnych, z którymi się spotkają, gdy podejmą pracę zawodową.

Nastawienie na produkcję

Ogólnie można powiedzieć, że inżynieria sprzętu polega na stworzeniu projektu, który może być produkowany seryjnie. Projektowanie PCB kładzie duży nacisk na aspekt projektowania do celów produkcyjnych (DFM), gdzie podczas tworzenia fizycznego układu brane są pod uwagę ograniczenia narzucone przez procesy produkcyjne. Projektowanie PCB daje studentom świetne wprowadzenie do strategii DFM i pomaga im rozwinąć proces myślowy uwzględniający przyszłe ograniczenia produkcyjne. Studenci, którzy rozumieją DFM, są lepiej przygotowani do wejścia na rynek pracy i rozpoczęcia przygotowywania produktów, które mogą być wytwarzane seryjnie.

Efektem ubocznym nastawienia na proces produkcji PCB jest to, że studenci mogą zainteresować się pracą w dziedzinie wytwarzania PCB. Dzięki skupieniu się na onshoringu i nowych inwestycjach w zaawansowane techniki produkcyjne studenci znajdą w tym obszarze satysfakcjonujące i interesujące wyzwania inżynieryjne. Kurs projektowania PCB może przygotować studentów do odniesienia sukcesu, jeśli zdecydują się na karierę w branży produkcyjnej.
Przed rozpoczęciem działalności związanej z produkcją na pełną skalę studenci mogą uzyskać doskonałe wprowadzenie do front-endowego procesu projektowania i inżynierii poprzez tworzenie funkcjonalnych prototypów i wdrażanie rozwiązań proof-of-concept. Kolejnym krokiem do rozwoju umiejętności i wiedzy studentów jest zaprojektowanie i wyprodukowanie niestandardowej płytki drukowanej, która odpowiada funkcjonalności prototypu wykonanego w poprzednim etapie. Jak twierdzi Siddharth Deliwala, dyrektor programów ESE Lab w School of Engineering and Applied Science, University of Pennsylvania:
„Zrozumienie umiejętności tworzenia prototypów jest niezbędnym krokiem dla studentów ECE, aby stać się świetnymi projektantami w zakresie RF i szybkiego projektowania cyfrowego. Program Altium Education to idealne wprowadzenie do projektowania PCB dla studentów, które można podjąć przed każdą zaawansowaną lekcją inżynierii”.

Projektanci PCB to poszukiwany zawód

Być może najważniejsze jest to, że zgodnie z przewidywaniami projektanci PCB będą bardzo poszukiwani w nadchodzących dekadach z powodu niedoboru siły roboczej. Nawet już dziś widać na horyzoncie to zjawisko, ponieważ większość projektantów PCB w Ameryce Północnej zbliża się do wieku emerytalnego. Według najnowszych wyników ankiety opublikowanych w magazynie Printed Circuit Design & Fab (PCD&F) niedobór siły roboczej wśród projektantów PCB w Ameryce Północnej będzie się tylko pogłębiał. Badanie wykazało, że:

• 61% projektantów deklaruje wiek powyżej 50 lat, a tylko 23% ma mniej niż 35 lat
• 55% projektantów planuje odejść z zawodu w ciągu najbliższych 10 lat
• Spośród nich ponad 25% przejdzie na emeryturę w ciągu najbliższych pięciu lat
• 78% projektantów stwierdziło, że nie będzie już pracować w branży w ciągu najbliższych 15 lat z powodu starzenia się

Poznaj program Altium Education

Branża elektroniczna i środowiska akademickie mają możliwość i odpowiedzialność, aby zacząć dbać o stworzenie następnego pokolenia inżynierów projektantów. Ze względu na bezprecedensowy niedobór siły roboczej i problemy w znalezieniu wysokiej jakości zasobów edukacyjnych online firma Altium postanowiła stworzyć bezpłatny program edukacyjny dla szkół średnich, techników i uniwersytetów.

Program Altium Education umożliwia instruktorom i studentom uwzględnienie przodujących w branży treści instruktażowych dotyczących projektowania PCB we własnym programie nauczania lub w samodzielnej nauce. Zakres programu nauczania został zaprojektowany w taki sposób, aby mógł być wykorzystywany w formacie modułowym. W ten sposób instruktorzy mogą włączać poszczególne moduły do swoich istniejących kursów inżynierskich lub korzystać z całego kursu. Studenci, którzy są zainteresowani projektowaniem PCB, mogą również samodzielnie zrealizować te kursy. Co najlepsze, kursy te są dostępne bezpłatnie. Wystarczy, aby student podał poprawny adres e-mail z instytucji edukacyjnej, co uprawnia go do licencji edukacyjnej Altium Designer pracy z przykładowymi projektami w tym kursie.

Jeśli chcesz się dowiedzieć więcej o programie nauczania Altium Education dla studentów, zarejestruj się już dziś, aby uzyskać dostęp do kursu. Rejestracja jest darmowa i możesz zacząć odkrywać nasze zasoby edukacyjne. Mamy nadzieję, że zasoby te zainspirują Cię do uwzględnienia tematów związanych z projektowaniem PCB w zajęciach z inżynierii elektrycznej.