Tối ưu hóa hiệu suất và tính linh hoạt trong thiết kế với điện tử cấu trúc

Khi vỏ sản phẩm trở thành bo mạch, các quy tắc thiết kế sẽ thay đổi hoàn toàn. Điện tử kết cấu, được xây dựng trên các công nghệ như thiết bị liên kết đúc 3D (3D-MID), nhúng trực tiếp các đường dẫn điện lên vỏ nhựa đúc, loại bỏ sự tách biệt giữa thế giới điện và cơ khí.

Chính sự tích hợp đó là cốt lõi. Nó cho phép kích thước nhỏ gọn hơn, quản lý nhiệt tốt hơn và khả năng che chắn EMI vốn có. Nhưng điều đó cũng có nghĩa là chỉ một thay đổi hình học cơ khí cũng có thể phá hỏng một đường dẫn điện. Đây là một ví dụ khác cho thấy kỹ sư điện và kỹ sư cơ khí cần cộng tác trong các thiết kế đổi mới, với việc chia sẻ dữ liệu trực tiếp xuyên suốt toàn bộ quy trình.

Điểm chính cần ghi nhớ

• Điện tử kết cấu hợp nhất vỏ bao và bo mạch thành một thể thống nhất, nhúng trực tiếp các đường dẫn điện lên vỏ nhựa đúc để đạt kích thước nhỏ hơn, quản lý nhiệt tốt hơn và che chắn EMI vốn có.
• Một thay đổi cơ khí đơn lẻ có thể làm hỏng thiết kế điện. Nền kết cấu thay thế các vật liệu PCB tiêu chuẩn, tạo ra những đánh đổi mới liên quan đến tản nhiệt, toàn vẹn tín hiệu và độ bền của lớp che chắn mà cả kỹ sư điện lẫn kỹ sư cơ khí đều phải tính đến.
• Việc lựa chọn linh kiện và kiểu đóng gói phải thích ứng với các ràng buộc của sản xuất 3D. Giới hạn theo trục Z, nhiệt độ và áp suất cực cao trong quá trình đúc, cùng độ cong của bề mặt đều giới hạn những gói IC và vật liệu nào có thể được sử dụng một cách tin cậy.
• Điện tử kết cấu đòi hỏi sự cộng tác liên tục, xuyên bộ môn trong suốt quá trình thiết kế. Việc bàn giao tệp tĩnh giữa nhóm điện và cơ khí tạo ra rủi ro không thể chấp nhận được khi một thay đổi hình học có thể phá hủy một đường dẫn điện.

Điện tử kết cấu đòi hỏi cộng tác phần cứng

Việc chuyển sang điện tử kết cấu sẽ xóa bỏ các ranh giới thiết kế truyền thống. Bằng cách sử dụng phần mềm CAD 3D phù hợp và thiết kế cho quy trình lắng đọng 3D, kỹ sư có thể loại bỏ các giới hạn của những bo mạch phẳng, cứng và định tuyến các đường dẫn điện dọc theo bất kỳ bề mặt nhựa đúc 3D nào. 

Điện tử kết cấu cho phép tạo ra các giải pháp độc đáo cho những bài toán kỹ thuật liên quan đến quản lý nhiệt, thiết kế tốc độ cao và RF, và thậm chí cả nhiễu điện từ (EMI). Vì chính nền vật liệu trở thành một thành phần tích hợp hoàn toàn trong thiết kế, một tập hợp đánh đổi khác sẽ xuất hiện do không còn sử dụng các vật liệu PCB tiêu chuẩn.

Tản nhiệt

• Tản nhiệt ở cấp độ khung vỏ: Biến vỏ ngoài thành một bộ tản nhiệt khổng lồ, phân tán, dẫn năng lượng nhiệt trực tiếp ra diện tích bề mặt bên ngoài.
• Bố trí 3D phức tạp: Buộc kỹ sư từ bỏ cách gom cụm 2D và phân tán chiến lược các linh kiện nóng trong không gian 3D để ngăn hình thành các điểm nóng bên ngoài.
• Nhiệt độ chạm: Việc tản nhiệt qua vỏ ngoài đòi hỏi bố trí cẩn thận để bảo đảm các vùng cầm nắm và tay cầm vẫn nằm dưới mức nhiệt độ chạm phù hợp cho người dùng.

Toàn vẹn tín hiệu

• Tự do định tuyến 3D: Khi không bị giới hạn vào các đường đi trên bề mặt, cho phép định tuyến đường dẫn theo quãng đường vật lý 3D ngắn nhất có thể.
• Nền vật liệu khó dự đoán: Các loại nhựa đúc phun cho kết cấu không có độ đồng nhất điện môi dễ dự đoán như FR-4 tiêu chuẩn, vì vậy cần đánh giá vật liệu khi toàn vẹn tín hiệu là mối quan tâm.

Che chắn EMI

• Bảo vệ liền mạch: Vỏ bọc 3D đúc nguyên khối loại bỏ các khe hở, đường ghép và mối nối vốn là nơi các vỏ nhiều phần truyền thống thường bị rò rỉ EMI.
• Độ mài mòn của lớp che chắn: Vì lớp che chắn nằm ngay bên dưới khung vỏ ngoài, các vết trầy xước môi trường, vi nứt và ứng suất vật liệu có thể làm suy giảm lớp này theo thời gian, đòi hỏi lựa chọn cẩn thận vật liệu nền có độ bền đủ cao.

Chiến lược thiết kế

1. Chuẩn hóa footprint và trục Z

Trong thiết kế PCB phẳng, việc thay sang một con chip dự phòng cao hơn một chút là rất dễ: nó chỉ chiếm phần không khí trống bên trong vỏ. Nhưng trong điện tử kết cấu, có thể trục z bị ràng buộc và sẽ giới hạn phạm vi lựa chọn linh kiện hoặc kiểu đóng gói có sẵn. Một nền kết cấu có thể bị giới hạn bởi một vỏ khác hoặc phần tử cơ khí khác, hoặc các khoang linh kiện có thể giới hạn chiều cao của các linh kiện được gắn.

2. Mức chịu nhiệt độ và áp suất

Các quy trình sản xuất kết cấu như điện tử trong khuôn (IME) đặt linh kiện dưới tác động của nhiệt độ cao dữ dội và áp suất rất lớn khi nhựa nóng chảy tràn vào khoang khuôn. Trong khi đó, tạo cấu trúc trực tiếp bằng laser (LDS) cũng được dùng để chế tạo điện tử kết cấu, đồng thời khiến vật liệu nền phải chịu nhiệt độ cao trong thời gian ngắn. Đây là một khía cạnh khác của việc lựa chọn vật liệu, quyết định độ tin cậy của thiết kế kết cấu sau khi hoàn thiện.

3. Chọn gói IC dựa trên độ cong

Hình học linh kiện quyết định khả năng chịu đựng lực trong quá trình sản xuất. Các linh kiện có chân kim loại mảnh, nhô ra rất dễ bị tổn thương, vì dòng nhựa lỏng chảy mạnh có thể uốn cong hoặc làm bật chúng ra trong quá trình đúc phun. Tính linh hoạt thực sự phụ thuộc vào việc tìm nguồn các gói không chân, siêu thấp (như QFN hoặc BGA) nằm phẳng sát nền, giúp giảm thiểu diện tích bề mặt và rủi ro cơ học.

Thiết kế điện tử kết cấu ở đâu

Hiểu lý thuyết đằng sau điện tử kết cấu mới chỉ là bước đầu; thách thức thực sự nằm ở khâu triển khai. Để vượt qua những khó khăn ba chiều này, tất cả các bên phải làm việc trong một môi trường chung với sự rõ ràng đầy đủ về 3D.

Altium Agile Teams thu hẹp khoảng cách này bằng cách cung cấp một hệ sinh thái thống nhất, nơi kỹ sư điện và kỹ sư cơ khí có thể đối chiếu layout của mình một cách tự nhiên với các thông tin liên phòng ban theo thời gian thực. Thay vì phụ thuộc vào các danh sách kiểm tra cứng nhắc và việc bàn giao tệp tĩnh, các nhóm được trao quyền cộng tác trên dữ liệu thiết kế trực tiếp, luôn cập nhật, nơi mọi thay đổi kéo giãn cơ khí và mọi thay đổi đường dẫn điện đều được theo dõi ngay lập tức.

Việc triển khai điện tử kết cấu đòi hỏi nhiều hơn là chỉ phán đoán kỹ thuật tốt; nó yêu cầu cả hai nhóm cùng nhìn vào một thiết kế, tại cùng một thời điểm, với mọi thay đổi được theo dõi trên mọi miền. Altium Agile Teams mang lại điều đó thông qua đồng thiết kế ECAD-MCAD nâng cao: đồng bộ hóa trực tiếp giữa môi trường điện và cơ khí, đặt linh kiện từ phía cơ khí, và quy trình so sánh-phê duyệt giúp hai bộ môn luôn đồng bộ từ ý tưởng đầu tiên đến bản phát hành cuối cùng. 

Tìm hiểu thêm về Altium Agile Teams →

Câu hỏi thường gặp

Điện tử kết cấu là gì và chúng khác gì so với PCB truyền thống?

Điện tử kết cấu tích hợp trực tiếp các đường dẫn điện và linh kiện lên một cấu trúc cơ khí được đúc, chẳng hạn như vỏ sản phẩm. Không giống PCB truyền thống, nền cơ khí cũng đóng vai trò là phần mang mạch, cho phép các đặc tính điện và cơ khí cùng chiếm chung một không gian ba chiều.

Thiết bị liên kết đúc 3D tích hợp mạch vào vỏ sản phẩm như thế nào?

Thiết bị liên kết đúc 3D sử dụng các quy trình sản xuất như tạo cấu trúc trực tiếp bằng laser hoặc lắng đọng vật liệu dẫn điện để hình thành các đường dẫn trên bề mặt nhựa đúc. Sau đó, linh kiện có thể được gắn trực tiếp lên cấu trúc, tạo thành một cụm lắp ráp duy nhất kết hợp vỏ, liên kết điện và phần cứng điện tử.

Điện tử kết cấu có thể cung cấp che chắn EMI như thế nào?

Điện tử kết cấu có thể tích hợp trực tiếp các lớp che chắn dẫn điện vào vỏ đúc. Cấu trúc liên tục, nguyên khối giúp giảm các đường ghép và mối nối vốn thường cho phép rò rỉ điện từ, dù lớp che chắn vẫn phải được bảo vệ khỏi trầy xước, nứt vỡ và ứng suất cơ khí.