PCB-ontwikkeling – u weet misschien niets over de toekomstige trends!

Over PCB-ontwikkeling:het tijdperk van het internet der dingen is aangebroken en het neemt vrijwel elk facet van de digitale wereld over. Verwacht heeft IoT beschreven als "de vierde industriële revolutie" en "het grootste sinds de .com-explosie."

En als recente rapporten van Gartner iets betekenen, zal planeet Aarde tegen 2020 minstens 20 miljard apparaten met internettoegang hebben in PCB-ontwikkeling.

Ontwikkelaars ontwikkelen intelligent verbonden platforms voor innovaties zoals draagbare apparaten, domotica, medische monitoringsystemen, intelligente auto's en futuristische steden door gebruik te maken van de technologie.

IoT presenteert een optimistische kijk op connectiviteit tussen fysieke en digitale componenten als de nieuwste technische jongen in de buurt. In dit artikel wordt uitgebreid ingegaan op de ontwikkeling en toekomst van het Internet of Things. Wil je er meer over weten?

IoT:nieuwe benaderingen voor PCB-ontwikkeling stimuleren

Een van de belangrijkste trends van vandaag in de ontwikkeling van PCB's is het steeds vaker voorkomende gebruik van flex- en high-density interconnect (printplaat maken. DE conventionele PCB-routeringsmethoden kunnen dit niet bereiken. Met HDI) boards. De meeste IoT-apparaten zijn bedoeld om te worden gebruikt terwijl ze in beweging zijn, en het gebruik van flexibele PCB's vereenvoudigt de bedrading en biedt extra weerstand tegen zware omstandigheden.

Bovendien, naarmate het bordoppervlak kleiner wordt en de routeringsdichtheid toeneemt, richten ontwikkelaars zich op de fabricage van stijve PCB's. Hier zijn de voorwaarden van toepassing op meerlaagse, enkelzijdige, metalcore, HDI-technieken zoals blinde en begraven via's om waardevolle ruimte te besparen. HDI-ontwerpen zorgen ook voor een lager stroomverbruik en betere prestaties, waardoor ze uitstekend geschikt zijn voor IoT-apparaten.

Figuur 2 – Flexibele PCB

Door flex- en HDI-benaderingen van PCB-ontwerpen te combineren, kunnen bedrijven kleine mobiele apparaten maken die minder worden geplaagd door factoren zoals thermische stress en signaalverlies zonder de prestaties in gevaar te brengen. IoT-apparaten kunnen nu kleiner, lichter en sneller zijn dan ooit.

PCB's maken voor IoT:wat is er anders?

Hoewel het internet der dingen niet heeft geleid tot een volledige heruitvinding in de ontwikkeling van PCB's, heeft het nieuwe overwegingen op de ontwerptafel gebracht.

Vanwege verschillende ontwerpbenaderingen verschilt het lay-out-, fabricage- en assemblageproces van een op IoT gebaseerde PCB aanzienlijk van dat van een traditioneel bord.

Om te beginnen bestaan ​​IoT-PCB's doorgaans uit rigide-flex- of flex-circuitassemblages, in tegenstelling tot de aanzienlijk grotere en platte aard van traditionele boards.

Fabricage met flexibele assemblages vereist uitgebreide, zeer nauwkeurige berekeningen van buigverhoudingen, iteraties van de levenscyclus, signaalspoordikte, stijve en flexibele circuitlagen, kopergewicht, plaatsing van verstijvers en de warmte die door de componenten wordt gegenereerd.

Bovendien vereist het ontwikkelen van PCB's voor IoT dat ontwerpers zorgen voor robuuste hechtingen tussen lagen aan zowel stijve als flexibele zijden en een goed begrip hebben van opmerkelijk kleine componenten zoals 0201- en 00105-pakketten.

Afbeelding 3 – flexibele en stijve printplaten die permanent zijn aangesloten. Wanneer Rigid-Flex HDI-ontwerp

Gespecialiseerde tooling en armaturen zijn nodig voor het correct printen van PCB's die bedoeld zijn voor IoT-apparaten. Het werken met een rigide-flex PCB betekent bijvoorbeeld dat de ontwikkelaar een uniek accessoire nodig heeft om het bord volkomen vlak te houden voor effectief printen over de verschillende diktes van de rigide en flexibele circuitgedeelten.

Gespecialiseerde tooling en armaturen zijn nodig voor het correct printen van PCB's die bedoeld zijn voor IoT-apparaten. Werken met een rigide-flex PCB betekent bijvoorbeeld dat de ontwikkelaar een uniek accessoire nodig heeft om het bord volkomen vlak te houden voor effectief printen over de verschillende diktes van de stijve en flexibele circuitgedeelten.

Daarom werken veel IoT-startups en nieuwe ontwerpers samen met gespecialiseerde EMS-bedrijven voor hun PCB-ontwikkeling moet zorgen voor succesvolle en tijdige productlanceringen.

PCB-ontwikkeling – IoT en de toekomst van PCB-ontwerp

Het Internet of Things biedt de PCB-industrie veel toekomstige inspanningen, en hoewel printplaatontwikkelaars al goede vorderingen maken met de technologie, moet er nog veel meer komen. Hier zijn enkele unieke manieren waarop IoT het heden en de toekomst van PCB-ontwikkeling beïnvloedt.

1. Afnemende lay-outs

De komst van geavanceerde IoT-apparaten betekende een einde aan de tijd dat ontwikkelaars meer dan genoeg ruimte hadden om tracks, componenten en via's neer te leggen. IoT-trends schrijven voor dat fabrikanten zoveel mogelijk functionaliteit geven aan kleine gadgets om te dragen, in je zak te steken of zelfs in te nemen.

Figuur 4 – Smartwatch-printplaat

Neem bijvoorbeeld de huidige lichting smartwatches. Ondanks dat ze net zo groot zijn als je gemiddelde polshorloge, bevatten apparaten zoals de Samsung Gear S3 en de Apple Watch hardware zoals led-schermen, intern geheugen, SoC-controllers, Bluetooth-chips en veel sensoren.

Klanten verwachten steeds meer van hun kleine, dagelijkse apparaten en toekomstige PCB-ontwerpers zullen nog kleinere gadgets hebben om mee te werken dan smartwatches. Gezien het algemene gebruik van rigid-flex en HDI-printplaten, zal de gemiddelde printplaat de komende jaren nauwelijks acceptabel zijn.

2. Betere verpakkingstechnologieën

Doorlopende en op het oppervlak gemonteerde verpakkingsformaten zijn in de loop der jaren misschien zeer praktisch geweest, maar naarmate gadgets blijven krimpen, vinden ontwikkelaars de noodzaak om nieuwere technologieën te verkennen. Een daarvan is Multi-Chip Modules (MCM), waarmee ontwerpers meerdere IC's op één chip kunnen aansluiten, waardoor de vormfactoren dun blijven.

Afbeelding 5 – Multi-chipmodule

Een ander model, System-in-Package (SiP), integreert digitale, analoge en RF-systemen in een enkele multifunctionele chip. Tegelijkertijd maken driedimensionale geïntegreerde schakelingen (3D-IC's) het mogelijk om meerdere siliciumchips op elkaar te stapelen voor een kleinere voetafdruk en een lager stroomverbruik.

De op handen zijnde explosie in het gebruik van deze verpakkingsmodellen zal de printplaten enorm complex maken, en mogelijk leiden tot een nieuwe generatie PCB's, of Integrated Component Boards (ICB's), zoals ze zullen worden genoemd, die fabrikanten een veel hogere verhouding prijs per oppervlakte.

3. PCB-ontwikkeling —Overkoepelende ontwerpen

PCB-ontwikkelaars zijn gewend om een ​​bord te ontwerpen en het af te geven aan het mechanische team voor een fit-check en de verpakkingsgroep voor de uiteindelijke montage.

In de wereld van IoT maken de kleinere vormfactoren en gevoeligere componenten het echter van cruciaal belang dat elke belanghebbende vanaf het begin van het ontwerpproces op dezelfde lijn zit.

PCB-fabricage en montageberekeningen moeten gelijktijdig worden uitgevoerd om functie, vorm en zakelijke behoeften te harmoniseren.

Figuur 6 – Virtuele prototypen van PCB's met KiCad

Nu IoT snel terrein wint, mogen PCB-ontwerpers verwachten dat ze veel meer virtuele prototyping zullen doen om parameters zoals bordgrootte, het totale gewicht van het product en de pasvorm van het bord in de beoogde behuizing te evalueren, voordat de details van het circuit worden aangepakt.

PCB-makers zullen niet langer slechts een tijdelijke set van handen zijn in de ontwikkelingscyclus van een product, maar eerder experts die zich richten op alle aspecten van het ontwerpproces.

4. PCB-ontwikkeling —Standaardisatie

Hoewel er al normen voor het ontwerp van traditionele PCB's bestaan, duwt het internet der dingen de industrie naar een nog meer uniforme toekomst. PCB's die voor IoT zijn gemaakt, moeten de hoogste niveaus van efficiëntie en betrouwbaarheid behouden.

Daarom zullen ontwerpers, in plaats van hun circuits te reconstrueren om buitengewone resultaten te bereiken, er waarschijnlijk voor kiezen om blokken te hergebruiken die al zijn gesimuleerd en in het veld succesvol zijn gebleken.

Opslaan en hergebruiken wordt de norm bij de ontwikkeling van borden en moduleontwerp zal traditionele schematische processen vervangen.

5. Samenwerking met mechanische ontwerpers

Naast virtual prototyping en productplanning, vereist de ontwikkeling van PCB's voor IoT een hechtere samenwerking tussen printplaatontwerpers en werktuigbouwkundigen.

Toekomstige productontwerpprocessen zullen waarschijnlijk het eeuwenoude assemblagelijnmodel dumpen ten gunste van een aanpak waarbij mechanische en circuitveranderingen en modificaties in realtime plaatsvinden.

Figuur 7 – Elektrisch-mechanische integratie

Ontwerpers hoeven niet langer bestanden van het ene softwareformaat naar het andere te converteren om bordcontouren en componentmodellen te delen voor basisinterferentiecontroles.

In plaats daarvan zullen mechanische en elektronische ingenieurs het gebruik van ECAD- en MCAD-tools omarmen die hun gegevens dichter bij elkaar brengen voor naadloze, realtime samenwerking.

Natuurlijk baart deze dreigende gebeurtenis grote zorgen bij de meeste spelers in de ECAD-industrie, wiens ontwerphulpprogramma's niet goed samenwerken, laat staan ​​met MCAD-software.

De beste tools voor toekomstig IoT-ontwerp zullen ingenieurs en ontwerpers op één lijn brengen.

6. PCB-ontwikkeling –Nieuwe materialen

In de moderne wereld van IoT moeten circuits klein zijn; WellPCB biedt DC-motorcontrollers op zowel binnenlandse als internationale markten. We hebben een flexibel en mobiel. Als gevolg hiervan maakt het gebruik van FR4 voor de productie van vierkante PCB's geleidelijk de weg vrij voor nieuwe materialen zoals flexibel koper, plastic en zelfs gaas.

Figuur 8 – Rigid-flex koper

Later zullen FR4-ontwerpers moeten samenwerken met specialisten die weten hoe ze met alternatieve materialen moeten werken.

Onderzoeksbureaus zoals Holst Center en Wearable Technologies zijn momenteel de beste keuze voor IoT-ontwikkelaars die op zoek zijn naar advies- en testdiensten voor draadloze autonome sensoren en flexibele circuits.

7. Meer nadruk op draadloze connectiviteit

Afbeelding 9 – Draadloze zendermodule

Draadloze modules en RF-circuits geven IoT-producten de cruciale mogelijkheid om te communiceren met hun omgeving, gegevens te verzamelen en deze naar online en offline servers te sturen.

Tegenwoordig is de markt gevuld met IoT-vriendelijke modules en RF-componenten, die allemaal hun footprint klein houden en tegelijkertijd zoveel mogelijk functionaliteit bevatten.

Naarmate de connectiviteitsbehoeften van de wereld evolueren, zal draadloze technologie echter zijn weg vinden naar steeds meer gadgets, en PCB-ontwerpers zullen de uitdaging moeten aangaan om robuustere en betrouwbaardere modules in veel kleinere borden te plaatsen.

De protocollen die het bereik, de snelheid van gegevensoverdracht en de beveiliging bepalen, moeten waarschijnlijk worden herzien en bijgewerkt om tegemoet te komen aan nieuwe behoeften.

Nog spannender is dat, nu standaardisatie de norm wordt, het heel goed mogelijk is om één primair draadloos protocol te hebben dat de IoT-wereld van de toekomst beheerst.

8. Scherpere focus op stroomverbruik

Toekomstige IoT-producten zullen waarschijnlijk fysieke stroompoorten en plug-inbronnen afschaffen ten gunste van batterijen en energie-oogstmogelijkheden om draagbaarheid te bevorderen, samen met kunstmatige intelligentie.

De IoT-markt verlangt steeds meer naar slimme apparaten die continu en met weinig tot geen menselijke tussenkomst werken. PCB-ontwerpers zullen daarom meer nadruk moeten leggen op energie-efficiëntie om in de toekomst te slagen.

Figuur 10 – Vermogensbudget

Een veelbelovende benadering voor een beter stroomverbruik is een stroombudget voor individuele functionele blokken op PCB's in plaats van het product als geheel te beschouwen. Op die manier krijgen ontwerpers de broodnodige flexibiliteit om energieverslindende componenten te identificeren en te verfijnen.

9. PCB-ontwikkeling —PCB's voor het menselijk lichaam

De pool van gezondheids- en fitnesselektronica wordt elk jaar groter naarmate IoT-ontwikkelaars nieuwe manieren ontdekken om het dagelijks leven beter te maken. Het menselijk lichaam stelt PCB-ontwerpers echter voor enkele unieke uitdagingen.

De zeer verliesgevende aard van ons lichaam betekent bijvoorbeeld dat elk apparaat dat bedoeld is om te worden gedragen of in een zak te worden gestopt, een solide signaal moet behouden om de ruis te overwinnen.

Bovendien, omdat vocht en circuits niet samengaan, vereist het ontwerpen van IoT-wearables dat ontwikkelaars de effecten van zweet en water zorgvuldig overwegen.

Figuur 11 – De Ultra-Low Power PsiKick Monitoring Chip (van phys.org)

Mechanische ingenieurs spelen een belangrijke rol bij het ontwikkelen van verpakkingen die bestand zijn tegen vocht. Maar naarmate er meer toepassingen voor IoT-gadgets opduiken, zullen PCB-ontwerpers veel meer moeten doen om ervoor te zorgen dat gevoelige componenten goed worden beschermd.

10. PCB-ontwikkeling —Een stevigere kijk op betrouwbaarheid

Geminiaturiseerde IoT-apparaten vereisen veel precisie om te fabriceren. Hoewel de meeste ontwerpers doorgaans comfortabel zijn met het verwisselen van gefrituurde doorlopende componenten op traditionele printplaten, heeft de IoT-markt geen tolerantie voor falen.

Gevoelige apparaten zoals polshorloges en hoortoestellen moeten altijd werken.

Aangezien de vraag naar IoT-producten blijft stijgen, moeten PCB-ontwerpers ervoor zorgen dat hun boards out-of-the-box perfect werken.

Dat betekent dat je veel tijd moet besteden aan simulatieprogramma's zoals PSpice, waarbij je hun prototypes zorgvuldig moet optimaliseren voor de beste prestaties voordat je aan de fysieke fabricage begint.

PCB-ontwikkeling–conclusie

Elektronisch ontwerp ondergaat uitgebreide veranderingen om gelijke tred te houden met IoT. Nieuwe benaderingen staan ​​centraal en PCB-makers omarmen geleidelijk de productontwikkeling als geheel en niet alleen het ontwerp van printplaten.

Naarmate de vraag naar machtige printplaten met kleine, lichtgewicht componenten verder toeneemt, zullen de ontwerpers en fabrikanten met de verbeeldingskracht en de expertise om te profiteren van de opkomende kansen daar enorm van profiteren.

Dus, ben jij een speler in het IoT-spel? Wilt u samenwerken met een bedrijf dat de ins en outs van PCB-ontwikkeling voor het Internet of Things kent? Neem contact op met WELLPCB Limited en ga vandaag nog op de goede weg.