IoT: Nieuwe Benaderingen in PCB-ontwikkeling

De tijd van het Internet of Things (IoT) is aangebroken en overneemt praktisch elk facet van de digitale wereld. Experts beschrijven IoT als "de vierde industriële revolutie" en "het grootste ding sinds de .com-explosie". Volgens Gartner-rapporten zal de aarde in 2020 minimaal 20 miljard internet-ingeschakelde apparaten hebben in PCB-ontwikkeling.

Ontwikkelaars creëren intelligente, verbonden platforms voor innovaties als wearables, huisautomatisering, medische monitoring, slimme auto's en toekomststeden.

IoT drijft nieuwe PCB-benaderingen

Een van de top-trends in PCB-ontwikkeling is het toenemende gebruik van flex- en high-density interconnect (HDI) borden. Traditionele routeringsmethoden kunnen dit niet bereiken. Omdat de meeste IoT-apparaten in beweging gebruikt worden, vereenvoudigen flex-PCB's de bedrading en bieden extra weerstand tegen zware omstandigheden.

Naarmate het bordoppervlak afneemt en de routeringsdichtheid toeneemt, schakelen ontwikkelaars over op starre PCBs met multilagen, eenzijdig, metalcore, HDI-technieken als blind en begraven via's om ruimte te besparen. HDI-ontwerpen faciliteren ook lager stroomverbruik en betere prestaties, ideaal voor IoT.

Figuur 2 – Flexibele PCB

Het combineren van flex- en HDI-benaderingen stelt bedrijven in staat minuscule mobiele apparaten te maken die minder last hebben van thermische stress en signaalverlies, zonder in te boeten op prestaties. IoT-apparaten kunnen nu kleiner, lichter en sneller zijn dan ooit.

PCBs fabriceren voor IoT: Wat is anders?

Hoewel IoT geen complete heruitvinding van PCB-ontwikkeling noodzakelijk maakt, brengt het nieuwe overwegingen met zich mee. Door variërende ontwerpbenaderingen verschillen layout, fabricage en assemblage van een IoT-PCB aanzienlijk van een traditioneel bord.

Allereerst bestaan IoT-PCB's meestal uit rigid-flex of flex-schakelassemblages, in tegenstelling tot de grotere, plate aard van traditionele borden.

Fabricatie met flex-assemblages vereist uitgebreide, hoogprecieze berekeningen van buigratiën, levenscyclusiteraties, signaalspoor-dikte, stijve en flex-lagen, kopergewicht, verstevigerplaatsing en warmteontwikkeling door componenten.

Bovendien vereist IoT-PCB-ontwerp robuuste hechting tussen lagen aan beide kanten en een goed begrip van minuscule componenten als 0201- en 00105-packages.

Figuur 3 – Flex- en stijve schakelborden permanent verbonden (Rigid-Flex HDI)

Gespecialiseerde tooling en fixtures zijn nodig voor correct printen van IoT-PCB's. Bijvoorbeeld: rigid-flex vereist een uniek accessoire om het bord volledig plat te houden voor effectief printen over verschillende diktes.

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

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

IoT biedt de PCB-industrie veel toekomstperspectieven. Hoewel ontwikkelaars al goede vooruitgang boeken, komt er nog veel meer. Hier zijn unieke manieren waarop IoT de huidige en toekomstige PCB-ontwikkeling beïnvloedt.

1. Krimpende Lay-outs

Geavanceerde IoT-apparaten beëindigen de tijd dat ontwikkelaars ruimte genoeg hadden voor sporen, componenten en via's. IoT-trends eisen zoveel mogelijk functionaliteit in kleine gadgets die gedragen, in zakken of zelfs geïngeste kunnen worden.

Figuur 4 – Smartwatch PCB

Huidige smartwatches (zoals Samsung Gear S3, Apple Watch) pakken hardware als LED-displays, interne geheugen, SoC-controllers, Bluetooth-chips en sensoren in een formaat van een gewone pols घड़ी. Klanten verwachten steeds meer van kleine dagelijkse apparaten; toekomstige PCB-ontwerpers zullen met nog kleinere gadgets werken. Met het algemene gebruik van rigid-flex en HDI-PCB's zal het gemiddelde schakelbord in de komende jaren nauwelijks acceptabel zijn.

2. Betere Verpakkings- en Interconnecttechnologieën

Through-hole en surface-mount waren jarenlang praktisch, maar met krimpende gadgets verkennen ontwikkelaars nieuwere technologieën. Multi-Chip Modules (MCM) laten ontwerpers meerdere IC's op een enkele die verbinden, wat de vormfactor dun houdt.

Figuur 5 – Multi-chip Module

System-in-Package (SiP) integreert digitale, analoge en RF-systemen in één multifunctionele chip. 3D-IC's laten meerdere silicium-dies stapelen voor een kleinere voetafdruk en lager stroomverbruik. De komende explosie in deze verpakkingsmodellen zal enorme complexiteit toevoegen aan printplaten, potentiëel leidend tot een nieuwe generatie PCBs of Integrated Component Boards (ICBs) met een veel hogere prijs-per-oppervlakte ratio.

3. Omvattende Ontwerpen

PCB-ontwerpers zijn gewend een bord te ontwerpen en door te geven aan het mechanische team voor pasvormcontrole en het verpakkingsteam voor eindmontage. In de IoT-wereld maken kleinere vormfactoren en gevoeligere componenten het cruciaal dat alle stakeholders vanaf het begin van het ontwerpproces op één lijn zitten.

PCB-fabricage en pasvormberekeningen moeten simultaan gebeuren om functie, vorm en zakelijke behoeften te harmoniseren.

Figuur 6 – PCB Virtueel Prototypen met KiCad

Met de snelle opmars van IoT moeten PCB-ontwerpers veel meer virtueel prototypen maken om parameters te evalueren als bordgrootte, totaal gewicht, en pasvorm in de beoogde behuizing, voordat ze in de details van de schakeling duiken. PCB-fabricanten zullen niet langer tijdelijke handen zijn, maar experts die zich richten op alle aspecten van het ontwerpproces.

4. Standaardisatie

Hoewel standaarden voor traditionele PCBs al bestaan, duwt IoT de industrie naar een nog uniformere toekomst. IoT-PCB's moeten de hoogste efficiëntie en betrouwbaarheid waarborgen. In plaats van schakelingen te herontwerpen voor extraordinaire resultaten, zullen ontwerpers waarschijnlijk herbruikbare blokken kiezen die al gesimuleerd en in de praktijk bewezen zijn. Opslaan en hergebruiken wordt de norm; modulaire ontwerpen vervangen traditionele schematische processen.

5. Samenwerking met Mechanische Ontwerpers

Naast virtueel prototypen en productplanning vereist IoT-PCB-ontwikkeling stevigere samenwerking tussen schakelbordontwerpers en mechanische ingenieurs. Toekomstige productprocessen zullen het oude assembly-line-model opgeven voor realtime samenwerking waar mechanische en elektronische wijzigingen samen gebeuren.

Figuur 7 – Elektrisch-Mechanische Integratie

Ontwerpers hoeven geen bestanden meer te converteren tussen softwareformaten voor basale interferentiecontroles. In plaats daarvan zullen mechanische en elektronische ingenieurs ECAD- en MCAD-tools omarmen die hun data dichter bij elkaar brengen voor naadloze, realtime samenwerking. Dit roept zorgen op bij ECAD-spelers wier tools niet goed samenwerken, laat staan met MCAD-software. De beste tools voor toekomstige IoT-ontwerpen brengen ingenieurs en ontwerpers op één lijn.

6. Nieuwe Materialen

In de moderne IoT-wereld moet de schakeling klein, flexibel en mobiel zijn. Het gebruik van FR4 voor vierkante PCB-fabricage maakt geleidelijk plaats voor nieuwe materialen als flex-ster koper, plastic, en zelfs mesh.

Figuur 8 – Rigid-flex Koper

FR4-ontwerpers zullen specialisten nodig hebben die weten hoe met alternatieve materialen om te gaan. Onderzoeksinstellingen als Holst Centre en Wearable Technologies zijn topkeuzes voor IoT-ontwikkelaars die advies en testdiensten zoeken voor draadloze autonome sensoren en flexibele schakelingen.

7. Meer Nadruk op Draadloze Connectiviteit

Figuur 9 – Draadloze Zender Module

Draadloze modules en RF-schakelingen geven IoT-producten de cruciale mogelijkheid om met hun omgeving te communiceren, data te verzamelen en te sturen naar online/offline servers. De markt is vol IoT-vriendelijke modules en RF-componenten met kleine voetafdrukken en maximale functionaliteit. Naarmate de connectiviteitsbehoeftes evolueren, zal draadloze technologie in meer gadgets komen, en moeten PCB-ontwerpers robuustere modules in nog kleinere borden passen. Protocollen voor bereik, datasnelheid en beveiliging zullen herschreven moeten worden. Met standaardisatie als norm is het mogelijk dat één primair draadloos protocol de toekomstige IoT-wereld zal heersen.

8. Scherpere Focus op Stroomverbruik

Toekomstige IoT-producten zullen fysieke stroompoorten en plug-in bronnen waarschijnlijk vervangen door batterijen en energy-harvesting voor draagbaarheid, gecombineerd met kunstmatige intelligentie. De IoT-marketeist slimme apparaten die continu werken met minimale menselijke tussenkomst. PCB-ontwerpers moeten daarom meer nadruk leggen op energie-efficiëntie.

Figuur 10 – Stroombudget

Een veelbelovende aanpak is een stroombudget per functioneel blok op de PCB in plaats van het product als geheel. Zo krijgen ontwerpers de nodige flexibiliteit om stroomhongerige componenten te identificeren en te verfijnen.

9. PCBs voor het Menselijk Lichaam

De pool van gezondheids- en fitness-elektronica breidt elk jaar uit. Het menselijk lichaam biedt unieke uitdagingen: de sterke demping betekent dat draagbare apparaten een solide signaal moeten behouden om ruis te overwinnen. Bovendien gaan vocht en schakelingen niet samen; zweet en water vereisen zorgvuldige bescherming van gevoelige componenten.

Figuur 11 – Ultra-Laag Stroom PsiKick Monitoring Chip (van phys.org)

Mechanische ingenieurs spelen een grote rol in vochtbestendige verpakkingen, maar PCB-ontwerpers moeten meer doen om gevoelige componenten te beschermen naarmate toepassingen toenemen.

10. Stevigere Betrouwbaarheid

Geminiaturiseerde IoT-apparaten vereisen hoge precisie bij fabricatie. Terwijl ontwerpers op traditionele borden comfortabel gefaalde through-hole-componenten ruilen, heeft de IoT-markt geen tolerantie voor falen. Gevoelige apparaten als smartwatches en hoortoestellen moeten altijd werken. Naarmate de vraag stijgt, moeten ontwerpers zorgen dat hun borden direct perfect werken. Dat betekent veel tijd in simulatiesoftware (zoals PSpice) om protypes te optimaliseren voordat fysieke fabricage begint.

Conclusie

Elektronisch ontwerp ondergaat uitgebreide veranderingen om bij IoT te blijven. Nieuwe benaderingen nemen de voorgrond, en PCB-fabricanten omarmen geleidelijk productontwikkeling als geheel, niet alleen schakelbordontwerp. Naarmate de vraag naar krachtige borden met kleine, lichte componenten groeit, zullen ontwerpers en fabricanten met verbeelding en expertise diep profiteren van de opkomende kansen.

Bent u een speler in het IoT-spel? Wilt u samenwerken met een bedrijf dat de in- en uitwendige kennis van PCB-ontwikkeling voor IoT heeft? Neem contact op met WELLPCB Limited en kom op het juiste spoor.