应对电路设计挑战

2023年3月9日

关键的外卖

不同设计考虑因素的要求和影响。
flex如何扩展多板和电缆组件的限制。
HDI技术使设计人员能够最大限度地节省空间。

电路设计挑战

在现代PCB制造和设计中，电路设计面临许多挑战:平衡外形因素与电路板功能和功率，优化放置以获得最佳信号完整性/热性能，并保持设计的延展性足以承受由组件短缺带来的组装变化。此外，设备在物联网模型中的交流越来越多，设计团队需要确保所有近端和服务器端通道的正确功能，并消除任何可能抑制网络协议的因素。总的来说，设备将继续改进并增加其功能，同时变得更小、更轻、更快。利用现有的设计技术以及寻找新的设计解决方案来创建这些设备的压力已经存在，这使得PCB设计师在满足设计意图的同时，还要兼顾一系列参数——其中一些参数相互抵消。

影响电路设计挑战的因素

设计的一个最重要的事实——无论是PCB还是其他——是你不能总是让所有人满意。在不大幅增加成本或降低设备产量(在某些情况下，这是可以接受的，甚至是必要的)的情况下，没有办法简单地最大化性能的各个方面。相反，设计团队必须这样做仔细评估他们的产品以及它在更大的市场中的位置，以获得最佳的成功。例如，对于一个儿童玩具的板子来说，榨干每一滴可靠性是没有意义的;这将是一个显著的成本增加器，玩具很可能在任何可靠性效益被看到之前就被淘汰或丢弃了。

设计的因素	动机	竞争因素
大小	随着向便携式消费级设备的普遍转变，更小的外形因素是可取的。	功能，功率，一般性能，散热
权力	设备的功率可以是指设备在两次充电之间的总功率输出(同样适合便携式设备)或最大功率输出。	热剖面，尺寸，重量
功能	设备倾向于采用瑞士军刀方法，在其他电子产品之间包含/重叠功能，以提高其市场性/可取性。	尺寸、重量、极高端设备的成本收益、设计复杂性、潜在的长期可靠性
热力性能	特别是对于打算长时间使用/与用户有物理接触的设备，要求设备不会大量发热，以防止抑制性能或舒适性。	权力,大小
沟通	随着物联网市场的不断发展，行业对通信工作的推动越来越大，以提高性能和用户满意度。	安全性、网络可用性、电池寿命(用于自主部署)和其他EMI问题
安全	随着物联网的发展，消费者正在寻求对其个人身份数据的更大保护。	功能、性能

尽管如此，消费者并不一定会注意到设计的限制:不断提高设备性能，增加功率和范围，同时减小尺寸的需求是压倒性的。它落在设计团队的肩膀上，不断地推动可用的技术，以最小的每块板成本从设计中挤出最佳性能。

即使是那些随着技术进步而看起来相对平淡无奇的设备，也可能在组件和功能上出现爆发性变化。想想一个智能手表，它的设计要求在一个非常小的空间内装入大量电路。主要部件将占据大部分空间:显示器、电池和传感器。此外，智能手表还需要CPU、内存、图形处理和无线电路。

这些要求中的许多都可以适用于将设计到物联网设备中的片上系统(SoC)组件，但仍有更多的要求需要封装。可穿戴物联网设备例如，智能手表需要足够轻，以便用户佩戴时不会成为负担，同时增加其功能。

为了实现更小、更轻、更快的设计目标，PCB设计人员需要更多地使用先进的设计技术。这些将包括高密度互连(HDI)设计方法、嵌入式组件和紧凑组件，如多芯片模块(MCM)和三维集成电路(3D ic)。此外，大多数设备运行为混合信号系统-即模拟和数字组件。由于模拟元件和数字元件有不同的设计限制，将两者放在一起意味着任何重叠的电路区域必须符合两者对信号完整性的要求。再一次，设计团队面临着一个极其困难的挑战——尽管并非不可克服——优化各种性能特征以达到高标准，即使这些参数中的许多参数可能明显不一致。

幸运的是，在紧凑的设计中，制造商已经设计了一些方法来最大化给定的体积。与更标准的刚性板不同，柔性PCB组件允许设计人员在3D空间内不受限制地操作，而高密度互连(HDI)技术允许制造商缩小一些常见板功能的尺寸，以释放额外的空间。

柔性pcb和HDI

随着对更小设备的需求，特别是支持物联网的设备，迫使PCB设计人员将更多的电路放入更小的空间，对基板的需求也越来越大标准FR-4以外的材料已经变得显而易见。柔性设计技术并不新鲜，pcb柔性基板的优势很快证明了自己是物联网设备中一些固有设计问题的最佳解决方案。

例如，与通过复杂线束连接到传感器的标准PCB不同，所有PCB组件和传感器都可以构建在一个柔性PCB上。这最大限度地减少了物联网设备所需的单个板的数量，消除了使用线束的相关问题，并允许将电路折叠并精确地安装到设备中。

HDI在概念上不像柔性板那么激进;相反，精密的制造设备被用来制造比通常可能的小得多的特征。最常见的应用之一是微孔的使用而不是通过板堆叠孔:盲孔和埋孔，而不是运行板的厚度，可以在层之间深度钻一个特定的距离，虽然一般不超过两层一次。虽然与传统的钻孔/电镀技术相比，这是一个显著的成本增加，但它也为设计师节省了空间。由于长径比，或板厚和孔直径之间的比率，作为钻孔尺寸的下限，降低深度可以在不牺牲可靠性或生产率的情况下获得更小的钻孔。此外，微孔不保留钻孔层上下的空间(根据定义，通孔必须在每层上保留相同的x、y位置)，这意味着没有任何其他设计约束，如信号完整性，设计师可以自由地在微孔上下的层上布线。

柔性pcb以及HDI设计实践将提高物联网设备中使用的pcb的性能和可靠性。在HDI设计中，组件和轨迹路由可以更紧密，通过使用柔性材料，所有组件和电路都可以位于一个PCB设计上。这种技术组合将有助于提高信号质量，同时降低功耗和降低热应力，从而实现更稳健的设计。