Как структурная электроника изменяет электротехнику

В постоянно развивающемся мире электротехники набирает обороты революционный подход: структурная электроника.

В отличие от традиционной электроники, которая размещается в защитных корпусах, структурная электроника интегрирует электрические функции непосредственно в материалы, формирующие структуру устройства.

Этот сдвиг парадигмы представляет собой фундаментальное переосмысление того, как мы проектируем, производим и реализуем электронные системы.

Разрушение Традиционных Границ

На протяжении десятилетий проектирование электроники следовало одному и тому же образцу: электрические компоненты монтируются на жесткие печатные платы, которые затем помещаются в защитную структуру. Такой подход создает четкое разделение между электроникой, обеспечивающей функциональность, и структурами, обеспечивающими физическую форму и защиту. Структурная электроника размывает эту границу, встраивая цепи, датчики и другие электронные компоненты непосредственно в сам материал структуры.

Эта интеграция открывает массу новых возможностей. Устройства становятся легче, поскольку излишние корпуса устраняются. Формы становятся более гибкими и адаптируемыми, освобождаясь от ограничений по размещению отдельных печатных плат. И, возможно, самое важное, появляются новые функциональные возможности, поскольку теперь электроника может распределяться по всей структуре, а не концентрироваться в определенных областях.

Ключевые Технологии, Движущие Революцией

Несколько технологических достижений слились, чтобы сделать структурную электронику жизнеспособной.

3D-MIDs (Трехмерные Мехатронные Интегрированные Устройства)

3D-MID представляют собой один из наиболее перспективных подходов к структурной электронике. Эти устройства по сути являются пластиковыми литыми подложками с проводящими дорожками, проложенными по любой поверхности, включая прямые углы и вертикальное направление. Процесс изготовления, известный как лазерное прямое структурирование (LDS), использует лазер для нанесения схемы цепи непосредственно на поверхность 3D-подложки, после чего проводится металлизация для создания проводящих путей.

HARTING, ведущий поставщик продукции MID в отрасли, разработал инновационные носители компонентов на MID-подложках, которые действуют как вертикальные адаптеры для устройств со стандартными размерами. Эти носители позволяют конструкторам вертикально монтировать SMD-компонент со стандартным размером, при этом носитель припаивается к плате так же, как и любой другой SMD-компонент.

Печатная электроника

Печатная электроника использует проводящие, резистивные и диэлектрические чернила для создания цепей непосредственно на или внутри структурных материалов. В отличие от традиционного производства печатных плат, которое является редуктивным процессом (удаление меди с непрерывного листа), печатная электроника представляет собой аддитивный процесс, при котором сигнальные пути наносятся непосредственно на подложку.

Когда конструкция требует, чтобы пути пересекались друг с другом, на этом месте печатается небольшой участок диэлектрического материала, достаточно расширенный за пределы перекрестка для достижения необходимого уровня изоляции между различными сигналами. Этот подход исключает необходимость в использовании множества слоев, разделенных диэлектрическими материалами, как в традиционных печатных платах.

Гибкая и растяжимая электроника

Разработка гибких подложек и растяжимых проводящих чернил освободила электронику от жесткости традиционных печатных плат. Эти материалы могут изгибаться, скручиваться и растягиваться, сохраняя при этом электрическую функциональность, что делает их идеальными для интеграции в динамичные конструктивные компоненты.

Специализированные материалы могут достигать 100-1000% удлинения, сохраняя при этом проводимость, обычно за счет геометрических конструкций (серпантинные или фрактальные узоры), композитных материалов (проводящие частицы в эластичных матрицах) или жидкометаллических сплавов в эластомерных каналах.

Электроника, встраиваемая в форму (IME)

Технология IME позволяет печатать электронные схемы на плоскую пленку, которая затем термоформуется и заливается под давлением, создавая трехмерную деталь с встроенной электроникой. Этот процесс исключает шаги сборки, снижает вес и создает более прочные продукты, защищая электронные компоненты внутри самой структуры.

Применение в различных отраслях, трансформирующее инженерную практику

Структурная электроника уже делает значительные шаги во многих отраслях.

Автомобильная инженерия

Современные транспортные средства все чаще включают в свой дизайн структурную электронику. Чувствительные к прикосновению управляющие поверхности интегрируются непосредственно в панели приборов и двери, что позволяет отказаться от отдельных кнопок и переключателей. Элементы обогрева встраиваются в структурные компоненты, а не добавляются как отдельные системы. А датчики для всего, от обнаружения пассажиров до мониторинга состояния конструкции, встраиваются непосредственно в каркас и панели кузова автомобиля.

Tesla стала пионером в интеграции электроники в структурные компоненты. Их транспортные средства оснащены центральными консольными панелями с сенсорным управлением и тактильной обратной связью, созданными с использованием технологии внутримолдовой электроники, управляющими элементами рулевой колонки, напечатанными непосредственно на 3D-поверхности, и дверными панелями с интегрированным освещением, управлением и электронными функциями. В результате сложность сборки панели приборов сократилась на 30%, вес уменьшился на 15%, а надежность повысилась за счет исключения механических кнопок и соединений.

Аэрокосмическая и оборонная промышленность

Снижение веса является критически важным аспектом в аэрокосмических приложениях, что делает структурную электронику особенно ценной. Производители самолетов исследуют способы интеграции антенн непосредственно в структуру крыльев, встраивания систем мониторинга состояния в критически важные компоненты и создания многофункциональных материалов, которые могут одновременно выполнять структурные и электронные функции.

Airbus внедрил структурную электронику в несколько систем самолетов, включая защиту от ударов молнии, интегрированную с электроникой крыла, панели фюзеляжа с встроенными тензодатчиками для мониторинга состояния конструкции, и встроенные антенные системы, устраняющие аэродинамическое сопротивление. Их A350 XWB включает более 1000 датчиков, встроенных в конструкционные элементы, что позволяет снизить вес на 200 кг по сравнению с традиционными подходами, обеспечивая при этом значительно расширенные возможности мониторинга.

Потребительская электроника

Возможно, наиболее заметное применение структурной электроники наблюдается в потребительских устройствах. С помощью IME, TactoTek, ведущая компания в этой области, революционизирует дизайн продуктов с помощью инновационных решений для наушников. Современные наушники, использующие структурную электронику, интегрируют компоненты непосредственно в изогнутые конструктивные элементы, позволяя дизайнерам оптимизировать физическую кривизну для интуитивного взаимодействия, сохраняя при этом элегантный внешний вид с прозрачными материалами и тонкими металлическими отделками. Эти дизайны включают в себя светодиодные индикаторы, встроенные в структуру для передачи информации о состоянии устройства, сенсорные управляющие элементы без отдельных кнопочных сборок и изогнутые форм-факторы, которые были бы сложно достичь с использованием традиционных методов производства, при этом уменьшая вес и повышая прочность. Этот подход представляет собой значительное отклонение от традиционной электроники, которая потребовала бы отдельных печатных плат и механических сборок, что привело бы к более громоздким продуктам с большим количеством потенциальных точек отказа.

Медицинские устройства

Медицинская отрасль извлекает выгоду из структурной электроники за счет разработки конформных диагностических устройств, умных протезов с встроенными датчиками и исполнительными механизмами, а также имплантируемых устройств, которые лучше соответствуют контурам человеческого тела.

Ультратонкие конформные датчики, которые непосредственно прикрепляются к коже, интегрированные акселерометры, ЭКГ и ЭМГ на одной гибкой подложке, а также растяжимые схемы, которые естественно двигаются вместе с телом, революционизируют мониторинг состояния пациентов. Клинические исследования показали, что эти системы обеспечивают данные медицинского качества, при этом значительно более комфортны для пациентов, чем традиционное оборудование для мониторинга, увеличивая показатели соблюдения рекомендаций более чем на 60%.

Инженерные вызовы и решения

Хотя потенциал структурной электроники огромен, необходимо решить значительные инженерные задачи.

Управление теплом

Когда электронные компоненты встраиваются в структурные материалы, традиционные подходы к охлаждению, такие как радиаторы и вентиляторы, могут быть невозможны для реализации. Инженеры разрабатывают инновационные решения, включая материалы с фазовым переходом, микрофлюидные охлаждающие каналы, интегрированные в структуру, и теплопроводящие структурные материалы.

Надежность и обслуживание

Традиционная электроника может быть отремонтирована путем замены отдельных компонентов или целых печатных плат. Структурная электроника представляет вызовы для обслуживания и ремонта, поскольку электронные функции интегрированы непосредственно в структуру. Это стимулирует разработку самовосстанавливающихся материалов и модульных подходов, позволяющих целенаправленно заменять вышедшие из строя секции.

Методологии проектирования

Структурная электроника требует от инженеров иного подхода к проектированию. Вместо того чтобы разрабатывать электронику и структуру отдельно, их необходимо рассматривать как единое целое на самых ранних этапах. Это стимулирует разработку новых инструментов CAD, которые могут одновременно моделировать механические, тепловые и электрические свойства, а также прогресс в мультифизическом моделировании.

Altium Designer: Ведущий в революции структурной электроники

Altium Designer занял передовые позиции в проектировании структурной электроники с возможностями, выходящими за рамки традиционного проектирования печатных плат.

3D-проектирование электроники

Возможности 3D-проектирования печатных плат в Altium Designer позволяют инженерам визуализировать и проектировать электронные схемы, которые соответствуют не плоским поверхностям и интегрируются с механическими структурами. Новый инструмент 3D-MID впервые привносит истинное 3D-проектирование схем в Altium Designer, позволяя вам объединять электрические и механические функции в одной детали.

Документ 3D-MID интегрируется в ваш проект Altium Designer так же, как и стандартная печатная плата - его компоненты и связность управляются вашей схемотехникой, и он включает стандартные SMT посадочные места из вашей обычной библиотеки компонентов.

Совместное проектирование MCAD и ECAD

Нативная интеграция с системами механического CAD обеспечивает беспрепятственное сотрудничество между электрическими и механическими инженерами, что необходимо для проектирования структурной электроники. При проектировании подложки в MCAD на поверхность детали могут быть размещены 3D-кривые, которые включаются в экспортируемый файл IGES. Эти "кривые" затем могут быть отображены в Altium Designer и использованы в качестве руководства для размещения компонентов и областей, а также во время трассировки.

Поддержка печатной электроники

Altium Designer также поддерживает проектирование печатной электроники, где схема непосредственно печатается на подложке. Стек слоев может быть настроен для печатной электроники, с определением проводящих и непроводящих слоев в соответствии с производственным процессом. Диэлектрические формы могут быть созданы вручную или автоматически сгенерированы для изоляции пересечений между различными сетями.

Выходные данные для производства

Altium Designer может генерировать производственные данные, необходимые для производства структурной электроники. Для 3D-MID дизайн может быть экспортирован в форматах, совместимых с машинами лазерного прямого структурирования (LDS). Для печатной электроники выходные данные включают файлы для каждого прохода печати проводников и каждого прохода печати диэлектрика, обычно в формате Gerber.

Будущее электротехники

По мере развития структурной электроники мы можем ожидать изменения в подходах электроинженеров к своей работе.

Междисциплинарное сотрудничество

Граница между электротехникой и другими дисциплинами, такими как механическая, материаловедческая и химическая инженерия, будет продолжать стираться. Успешная реализация структурной электроники требует знаний в этих областях, что стимулирует более коллаборативные подходы к проектированию и разработке.

Новые образовательные парадигмы

Образование в области инженерии должно будет эволюционировать, чтобы подготовить студентов к этому междисциплинарному будущему. Учебные программы, которые традиционно разделяли электротехнику и механику, должны будут создать совместные курсы, обучающие интегрированным принципам проектирования.

Эволюция стандартов и практик

Стандарты и лучшие практики индустрии должны будут адаптироваться к этой новой парадигме. От валидации дизайна до методологий тестирования и рассмотрения вопросов утилизации, революция в области структурной электроники потребует переосмысления установленных норм.

Заключение

Структурная электроника представляет собой не только новую технологию, но и новую философию в области электротехники. Разрушая искусственную границу между структурой и функцией, она открывает дверь к дизайнам, которые более эффективны, более способны и более интегрированы, чем когда-либо прежде.

По мере того как это направление продолжает совершенствоваться, электроинженеры получают беспрецедентную возможность переосмыслить свою роль и свои творения, проектируя по-настоящему интегрированные системы, где каждый элемент служит как структурным, так и электронным назначением. Инструменты вроде Altium Designer прокладывают путь, предоставляя возможности, необходимые для превращения обещания структурной электроники в реальность.

Для инженеров, привыкших к традиционным подходам, структурная электроника изначально может показаться сложной. Однако те, кто принимает этот сдвиг парадигмы, окажутся на передовой революции, которая обещает переосмыслить как электротехнику, так и саму сущность продуктов и систем, которые мы создаем.

Изучите, как Altium Designer поддерживает печатную электронику и позволяет интегрировать электрические цепи с трехмерными механическими частями.