Оптимизируйте производительность и гибкость проектирования с помощью Structural Electronics

Когда корпус изделия сам становится печатной платой, правила проектирования полностью меняются. Структурная электроника, основанная на таких технологиях, как 3D-MID (трёхмерные формованные межсоединительные устройства), встраивает проводящие дорожки непосредственно в формованные пластиковые корпуса, устраняя разделение между электрическим и механическим мирами.

Именно в этом и заключается интеграция. Она позволяет уменьшить занимаемое пространство, улучшить теплоотвод и обеспечить встроенное экранирование EMI. Но это также означает, что одно-единственное изменение механической геометрии может разрушить электрическую дорожку. Это ещё один пример того, почему инженерам-электронщикам и инженерам-механикам необходимо совместно работать над инновационными конструкциями, обмениваясь актуальными данными на всём протяжении процесса.

Ключевые выводы

• Структурная электроника объединяет корпус и печатную плату в единое целое, встраивая проводящие дорожки непосредственно в формованные пластиковые корпуса, что позволяет уменьшить габариты, улучшить теплоотвод и обеспечить встроенное экранирование EMI.
• Одно механическое изменение может нарушить электрическую конструкцию. Структурные подложки заменяют стандартные материалы PCB, создавая новые компромиссы в области отвода тепла, целостности сигнала и долговечности экранирования, которые должны учитывать и EEs, и MEs.
• Выбор компонентов и корпусов должен адаптироваться к ограничениям 3D-производства. Ограничения по оси Z, экстремальные температуры и давление при формовании, а также кривизна поверхности ограничивают набор корпусов ИС и материалов, которые можно надёжно использовать.
• Структурная электроника требует непрерывного междисциплинарного взаимодействия на протяжении всего процесса проектирования. Статическая передача файлов между электротехническими и механическими командами создаёт недопустимый риск, когда изменение геометрии может уничтожить дорожку.

Структурная электроника требует совместной аппаратной разработки

Переход к структурной электронике устраняет традиционные границы проектирования. Используя подходящее ПО для 3D CAD и проектируя под 3D-процесс нанесения, инженеры могут отказаться от ограничений плоских жёстких плат и прокладывать проводящие дорожки по любой формованной пластиковой 3D-поверхности. 

Структурная электроника позволяет находить уникальные решения инженерных задач, связанных с теплоотводом, высокоскоростным и RF-проектированием, и даже с электромагнитными помехами (EMI). Поскольку сама подложка становится полностью интегрированным компонентом конструкции, возникает иной набор компромиссов, так как стандартные материалы PCB больше не используются.

Теплоотвод

• Отвод тепла на уровне корпуса: превращает внешний корпус в огромный распределённый радиатор, передающий тепловую энергию непосредственно на внешнюю поверхность.
• Сложное 3D-размещение: заставляет инженеров отказаться от 2D-группировки и стратегически распределять горячие компоненты по 3D-пространству, чтобы избежать локальных перегревов на внешней поверхности.
• Температура прикосновения: рассеивание тепла через внешний корпус требует продуманного размещения, чтобы зоны хвата и ручки оставались ниже допустимой температуры прикосновения для пользователя.

Целостность сигнала

• Свобода 3D-трассировки: отсутствие привязки к поверхностной трассировке позволяет прокладывать дорожки по кратчайшему физическому пути в 3D-пространстве.
• Непредсказуемые подложки: смолы для структурного литья под давлением не обладают предсказуемой диэлектрической однородностью стандартного FR-4, поэтому при критичности целостности сигнала требуется квалификация материалов.

Экранирование EMI

• Бесшовная защита: формованные цельные 3D-корпуса устраняют типичные зазоры, швы и стыки, через которые в традиционных многокомпонентных корпусах происходит утечка EMI.
• Износ экранирования: поскольку экранирующий слой расположен непосредственно под внешним корпусом, царапины от внешней среды, микротрещины и напряжения материала со временем могут нарушить его целостность, что требует тщательного выбора достаточно долговечного материала подложки.

Стратегии проектирования

1. Стандартизация посадочного места и оси Z

В плоской конструкции PCB заменить микросхему на резервную, немного более высокую, легко: она просто займёт свободное воздушное пространство внутри корпуса. В структурной электроникеось Z может быть ограничена, что сузит диапазон доступных вариантов компонентов или корпусов. Структурная подложка может быть ограничена другим корпусом или механическим элементом, а полости под компоненты могут ограничивать высоту установленных компонентов.

2. Температурные и барические рейтинги стойкости

Процессы структурного производства, такие как электроника в пресс-форме (IME), подвергают детали воздействию интенсивного нагрева и огромного давления, когда расплавленный пластик заполняет полость формы. При этом для изготовления структурной электроники также используется лазерное прямое структурирование (LDS), которое тоже подвергает материалы подложки кратковременному воздействию высоких температур. Это ещё один аспект выбора материалов, определяющий надёжность готовой структурной конструкции.

3. Выбирайте корпуса ИС с учётом кривизны

Геометрия компонента определяет, насколько хорошо он выдерживает производственные нагрузки. Компоненты с хрупкими выступающими металлическими выводами особенно уязвимы, поскольку поток жидкого пластика при литье под давлением может согнуть их или вовсе оторвать. Настоящая гибкость достигается за счёт использования безвыводных корпусов сверхмалой высоты (например, QFNs или BGAs), которые прилегают к подложке заподлицо, минимизируя площадь воздействия и механические риски.

Где проектировать структурную электронику

Понимание теории структурной электроники — лишь первый шаг; настоящая сложность начинается на этапе реализации. Чтобы преодолеть эти трёхмерные трудности, все участники должны работать в общей среде с полной 3D-наглядностью.

Altium Agile Teams устраняет этот разрыв, предоставляя единую экосистему, в которой EEs и MEs могут напрямую сопоставлять свои компоновки с межфункциональной информацией в реальном времени. Вместо зависимости от жёстких чек-листов и статической передачи файлов команды получают возможность совместно работать с актуальными живыми данными проекта, где каждое механическое изменение и каждое изменение электрической трассировки отслеживаются мгновенно.

Реализация структурной электроники требует большего, чем просто грамотного инженерного подхода; необходимо, чтобы обе команды видели один и тот же проект одновременно, а изменения отслеживались во всех областях. Altium Agile Teams обеспечивает это благодаря продвинутому ECAD-MCAD со-проектированию: живой синхронизации между электрической и механической средами, размещению компонентов со стороны механической разработки и процессу сравнения и утверждения, который поддерживает согласованность обеих дисциплин от первой концепции до финального релиза. 

Узнайте больше об Altium Agile Teams →

Часто задаваемые вопросы

Что такое структурная электроника и чем она отличается от традиционных PCB?

Структурная электроника интегрирует проводящие дорожки и компоненты непосредственно в формованную механическую конструкцию, например в корпус изделия. В отличие от традиционной PCB, механическая подложка здесь также выполняет функцию носителя схемы, позволяя электрическим и механическим элементам занимать одно и то же трёхмерное пространство.

Как 3D-MID интегрируют схемы в корпуса изделий?

3D-MID используют такие производственные процессы, как лазерное прямое структурирование или нанесение проводящих материалов, чтобы формировать дорожки на формованных пластиковых поверхностях. Затем компоненты могут устанавливаться непосредственно на эту структуру, создавая единую сборку, которая объединяет корпус, межсоединения и электронную аппаратную часть.

Каким образом структурная электроника может обеспечивать экранирование EMI?

Структурная электроника может включать проводящие экранирующие слои непосредственно в формованный корпус. Непрерывная цельная конструкция уменьшает количество швов и стыков, через которые обычно происходит утечка электромагнитного излучения, хотя сам экранирующий слой должен быть защищён от царапин, растрескивания и механических напряжений.