Nowe trendy w projektowaniu oraz wytwarzaniu obwodów drukowanych

| Technika

Rosnące wymagania odnośnie do gęstości mocy, ciągły rozwój systemów mobilnych i postępujące upowszechnienie różnych sposobów komunikacji to tylko niektóre z czynników wpływających na zmianę trendów i wymagań dla rynku płytek PCB. Branża projektowania i produkcji obwodów drukowanych podlega nieustannej zmianie i ewolucji w reakcji na rosnące oczekiwania użytkowników PCB. Zmiany te w znacznej części kształtowane są przez opracowywanie nowych technologii produkcji, jak również czynniki rynkowe, jak np. ograniczenia w wydobyciu i dostawach surowców.

Nowe trendy w projektowaniu oraz wytwarzaniu obwodów drukowanych

Urządzenia elektryczne oraz elektroniczne znajdują zastosowanie w coraz to nowych dziedzinach, co przekłada się na stawianie płytkom PCB dodatkowych wymagań, dotyczącym m.in. ich rozmiaru, niezawodności, wytrzymałości czy efektywności termicznej. Wysoka dynamika i szybki rozwój branży utrudniają przewidywanie przyszłych trendów w elektronice oraz dziedzinach jej pokrewnych, z dużym prawdopodobieństwem wytypować można jednak kilka tendencji mających duży wpływ na przyszły kształt procesu projektowania i produkcji obwodów drukowanych.

PCB dużej mocy

Od pewnego czasu zaobserwować można rosnące zapotrzebowania na obwody drukowane zawierające urządzenia oraz sygnały dużej mocy, o napięciach rzędu kilkudziesięciu czy kilkaset woltów. Częściowo jest to związane z rozwojem rynku pojazdów autonomicznych oraz odnawialnych źródeł energii. Nominalne napięcie na zaciskach zespołu akumulatorów autonomicznego samochodu wynosi typowo od 400 do 800 V – wyższe napięcie pozwala na transfer tej samej ilości energii przy mniejszych stratach przesyłu (to samo zjawisko wykorzystuje się w liniach transmisyjnych sieci energetycznej). Kolejnym z powodów zwiększania możliwości mocowych płytek PCB jest chęć rozmieszczenia na nich większej liczby komponentów.

Zwiększanie mocy znacząco utrudniane jest przez inny powszechny trend, czyli miniaturyzację obwodów drukowanych, wymuszaną często przez oczekiwania użytkowników lub specyfikę urządzenia. Obwody dużej mocy wytwarzają zaś wielkie ilości ciepła, które musi zostać w bezpieczny sposób odprowadzone z układu. To z kolei wymusza staranną optymalizację obwodu pod względem termicznym, bardzo często wymagającą korzystania z zaawansowanych narzędzi symulacyjnych oraz stosowania dodatkowych systemów chłodzenia.

PCB dla IoT

Niemal każda gałąź przemysłu w jakiś sposób adaptuje się do wymagań i możliwości dostarczanych przez koncepcję Internetu Rzeczy (IoT, Internet of Th ings), przy czym produkcja obwodów drukowanych nie jest tutaj wyjątkiem. Urządzenia IoT charakteryzują się dużą funkcjonalnością przy jednoczesnych niewielkich rozmiarach. Silnie wpływa to na sposób projektowania przeznaczonych dla nich płytek PCB, gdyż nierzadko konieczne jest operowanie na granicy oferowanych przez producentów możliwości technologicznych. Dotyczy to m.in. zagadnień związanych z komunikacją (w tym techniką antenową), przetwarzaniem sygnałów wysokiej częstotliwości, bezpieczeństwem, wszystko to zaś próbuje się rozwiązać w sposób możliwie najbardziej energooszczędny. Bezpieczeństwo oznacza przy tym zarówno komfort użytkownika (szczególnie w przypadku elektroniki noszonej), ale również poufność transmitowanych danych.

Obwody drukowane dla systemów IoT muszę też zazwyczaj spełniać określone standardy i zalecenia definiowane przez instytucje certyfikujące tego typu produkty. Dotyczą one m.in. wymagań odnośnie do kompatybilności elektromagnetycznej oraz wspomnianego bezpieczeństwa.

Krzysztof Torczyński


 prezes firmy Printor

  • Skoro technologia się ciągle zmienia to, co dzisiaj jest najbardziej typową płytką PCB w sensie warstw, grubości ścieżek i szerokości odstępu, otworów laminatu, pokryć?

Rozwój technologii wpływa na parametry płytek PCB głównie poprzez miniaturyzację i wzrost zagęszczenia elementów. Popularne są rozwiązania bazujące na układach BGA i modułach o dużej liczbie wyprowadzeń, które wymagają płytek 4- i 6-warstwowych, ze ścieżkami i odstępami rzędu 0,12 mm. Trzeba jednak pamiętać, że prawa fizyki nie uległy zmianie. Do obwodów dużej mocy przekrój ścieżki musi być odpowiednio duży, by zapobiegać nagrzewaniu. Przekłada się to na większą szerokość ścieżki ponieważ, ze względu na efekt podtrawiania bocznych ścianek ścieżki, stosowanie miedzi grubszej niż 130 μm jest problematyczne. Analogicznie zabezpieczenie przed przebiciem napięcia wymaga zachowania odpowiednich odległości, a czasami również pokrycia lakierem.

W przypadkach, gdzie miniaturyzacja nie jest kluczowa konstruktorzy stosują bezpieczne parametry, czyli ścieżki i odstępy na poziomie 0,2 mm i otwory o średnicy od 0,3 mm, co pozwala na optymalizację pod kątem ceny i niezawodności produktu końcowego.

  • Jaki jest realny czas produkcji prototypowych i czemu branża zwykle deklaruje, że może w 24 h, a robi je w tydzień?

Zdolność do produkcji ekspresowej to jedno, natomiast wykonanie prototypu to drugie. W przypadku produkcji jednostkowej i nowego projektu, zakładając że producent jest w stanie utrzymać wysoką niezawodność dostaw, pojawiają się nieoczekiwane przestoje w trzech etapach. Pierwszy to pytania inżynierskie, bo dla nowych projektów często trzeba doprecyzować jakiś szczegół techniczny, a czas realizacji z założenia liczy się od dostarczenia "pełnej dokumentacji". Drugi czynnik to oczekiwanie na przedpłatę, bo w przypadku jednostkowej współpracy płatność taka jest standardem. No i transport – może wywołać dodatkowy dzień opóźnienia, a dostawy międzynarodowe są obarczone większym ryzykiem opóźnień transportowych i celnych.

Niemniej sama płytka jest istotna w przypadku prototypu, który można zmontować ręcznie. Ekspresowa produkcja jest również potrzebna po etapie prototypowania, wtedy nawet dla małej serii kluczowe jest pytanie "na kiedy dostanę partię zmontowaną i działającą?". Najkorzystniej jest współpracować z dostawcą, który realizuje całą produkcję i eliminując zbędną logistykę dostarczy zmontowaną partię w 4-5 dni.

Wzrost popularności elastycznych PCB

Od pewnego czasu zaobserwować można postępujący wzrost popularności zarówno elastycznych (flex), jak i sztywno- -elastycznych (rigid-flex) obwodów drukowanych. Choć nie jest to całkowicie nowa technologia (jej początki datuje się na lata 60. XX wieku, w związku z programem lotów kosmicznych), przez wiele lat nie udało się jej uzyskać znaczącej popularności.

Obecny wzrost zainteresowania zawdzięcza m.in. postępującej miniaturyzacji oraz dynamicznemu rozwojowi rynku urządzeń mobilnych i IoT. Rozwiązania elastyczne pozwalają znacząco ułatwić konstruowanie niewielkich oraz lekkich urządzeń o często nietypowych kształtach. Elastyczne obwody drukowane są ponadto bardziej odporne na wysokie temperatury, wstrząsy oraz wibracje od klasycznych odpowiedników.

Płytki sztywno-elastyczne stanowią połączenie tradycyjnych sztywnych płytek oraz obwodów umieszczonych na podłożu elastycznym. Tego typu rozwiązanie stosuje się zazwyczaj jako alternatywę pozwalającą wyeliminować złącza i przewody łączące poszczególne płytki oraz zwiększyć gęstość upakowania modułów w obudowie urządzenia, co przekłada się na jego mniejsze rozmiary oraz masę. Na podłożu elastycznym, oprócz prowadzenia ścieżek, dopuszczalne jest również rozmieszczanie komponentów, choć wymaga to dużej ostrożności w wyborze lokalizacji.

Obie z wymienionych technologii znaleźć można w ofercie coraz większej grupy krajowych wytwórni płytek, maleje również koszt takich rozwiązań – przykładowo, dla większych seserii rozwiązania sztywno-elastyczne mogą być czasami nawet bardziej opłacalne od tradycyjnych płytek, łączonych za pomocą przewodów oraz złączy, głównie z powodu uproszczenia etapu montażu oraz skrócenia łańcucha dostaw. Konstrukcje te wciąż pozostają jednak produktami znacznie bardziej złożonymi od klasycznych PCB, ich prawidłowe wykonanie wymaga zatem ścisłej współpracy pomiędzy projektantem a zakładem produkcyjnym.

Zwiększanie mocy znacząco utrudniane jest przez inny powszechny trend, czyli miniaturyzację obwodów drukowanych, wymuszaną często przez oczekiwania użytkowników lub specyfikę urządzenia. Obwody dużej mocy wytwarzają zaś wielkie ilości ciepła, które musi zostać w bezpieczny sposób odprowadzone z układu.

Ścisła kontrola łańcucha dostaw

Cyberbezpieczeństwo jest obecnie bardzo popularnym terminem, wielokrotnie powtarzanym w przekazach medialnych oraz oficjalnych wystąpieniach. Stanowi ono jednak wyzwanie nie tylko dla producentów oprogramowania, ale również projektantów i konstruktorów sprzętu. Jednym z wciąż narastających problemów jest możliwość przeprowadzania ataków na systemy i elementy infrastruktury o krytycznym znaczeniu poprzez odpowiednio zmodyfikowane podzespoły elektroniczne.

Rewolucja cyfrowa wprowadza urządzenia elektroniczne do coraz to nowych obszarów życia społecznego i gospodarczego, wszystkie z nich wymagają zaś obwodów drukowanych wraz z umieszczonymi na nich komponentami.

Dalszy rozwój tej sytuacji nie jest możliwy do zatrzymania, zaś wraz z nim pojawiać się będzie coraz więcej możliwości wykonywania ataków wymierzonych w bezpieczeństwo sieci, urządzeń oraz ich użytkowników. Rynek producentów elektroniki będzie zmuszony do ściślejszej kontroli łańcucha dostaw, ze szczególnym wzmocnieniem nadzoru nad zewnętrznymi dostawcami komponentów. Na pewno konieczne będzie opracowanie rozwiązań oraz procedur pozwalających na testowanie nowych urządzeń pod kątem obecności podrobionych lub niebezpiecznych podzespołów.

Powszechne użycie komponentów z półki

Wśród producentów oraz konstruktorów urządzeń elektronicznych coraz wyraźniej zarysowuje się trend do maksymalizacji wykorzystania gotowych komponentów, tzw. produktów z półki (COTS, Commercial Off the Shelf), w przeciwieństwie do opracowywania własnych podzespołów. Są to gotowe rozwiązania, dostarczane zazwyczaj w postaci modułów zamkniętych w obudowie lub na płytce drukowanej. Ich wykorzystanie pozwala nie tylko znacząco przyspieszyć prace projektowe, ale niekiedy również ograniczyć koszty projektu oraz poprawić jego niezawodność.

Komponenty te są zazwyczaj dobrze przetestowane przez ich producentów oraz sprawdzone przez dużą rzeszę dotychczasowych użytkowników, przez co cechują się wysoką funkcjonalnością oraz sprawnością. Ponadto często charakteryzuje je wysoki poziom optymalizacji, pod względem wymiarów, szybkości działania czy energooszczędności.

Podsumowanie

Branża produkcji obwodów drukowanych podlega ciągłej ewolucji, starając dostosować się do realiów oraz zapotrzebowania rynku. Wymienione trendy z dużą pewnością wpływać będą na przyszły charakter jej zmian, prowadząc w efekcie do wytwarzania produktów lepiej spełniających oczekiwania oraz potrzeby ich użytkowników. Duży wpływ na sposób organizacji procesu produkcji odciska z pewnością postępujące usieciowienie oraz automatyzacja poszczególnych czynności i etapów wytwarzania płytek, co pozwala na ciągłe ulepszanie technik kontroli jakości, monitorowania przebiegu produkcji oraz szybkiej reakcji na wystąpienie jakichkolwiek negatywnych zmian w tym zakresie.

 

Damian Tomaszewski

Zobacz również

Dostępne nowe wydanie
Pobierz bezpłatnie