החשיבות הגוברת של 3D מודלים בעיצוב PCB מודרני

לוחות מעגלים מודפסים (PCBs) יוצרים את עמוד השדרה של כמעט כל מכשיר אלקטרוני, מ-Gadgets צרכנית ועד מערכות בקרה תעשייתיות. כמו גידול של תחלואה רכיב, תדרי הפעלה מתכווץ, וכלים מסורתיים של 2D כבר לא מספקים את הבהירות הדרושה כדי להבטיח שילוב יעיל, חד-פעמי עיצוב, תלת-ממדי התפתח כיכולות חיוניות, ומאפשר למהנדסים לגשר על הפער בין רציפות לבין מציאות מודרנית, כדי לתפוס את העיצוב.

מבחינה היסטורית, פריסת PCB בוצעה לחלוטין בשני ממדים. עקבות נפוצים הוגדרו על ידי כריות 2D וקווי מסך משי, בעוד מגבלות מכניות כגון קירות המתחם, חורים עולים, וגבהים המחברים היו מחוברים באמצעות רישומים נפרדים 2D. תהליך זה הוביל לעתים קרובות להפתעות בשלבים מאוחרים: קפיטור גבוה המפריע כיסוי, חיבור RF על משטח של ברקת 2DX, או מקיפים את כל דגם ההתנגשות המדויקות שלו.

יתרונות מרכזיים של 3D Modeling בעיצוב PCB

היתרונות של אימוץ כלים תלת-ממדיים להרחיב היטב מעבר לדמיון פשוט.הם נוגעים בכל שלב של מחזור העיצוב, החל מהמיקום הראשוני ועד לגיעת הייצור הסופית.

זיהוי מכני

אחד היתרונות המיידיים ביותר הוא היכולת לזהות סכסוכים מכניים מוקדם. מרכיבים כגון capacitors אלקטרוליטי, מחברים, ו inducre גדול יכול להרחיב פיזית מעל הלוח והתנגש עם המתחם, לוחות סמוכים, או חלקים גבוהים אחרים. 3D מודלים באופן אוטומטי מדגיש אזורי התערבות, לעתים קרובות צבע להפר את האזורים היקרים אפילו לספק מצב התנגשות דינמי כי הם גורמים כי הם מעכבים את שני גופים חד פעמיים כי הם במהירות לגרום.

Insight

פירוק חום הוא אתגר גדל, במיוחד בעיצובים קומפקטיים, גבוהים כוח.מודל תלת-ממדי מאפשר למעצב להציב רכיבים ביחס נתיבי זרימת אוויר, תנורים ומעריצים. על ידי צפייה בדירקטוריון מכל זווית, זה הופך ברור כאשר תנור חום חסום חלקית על ידי חלק גבוה, או כאשר FPGA חם יושב בכיס אווירי ממריצים רבים עכשיו עם דינמיקה תרמית של 3D, ללא כלי לחץ דם ישר, מאפשר שילוב מכני של מערכת ההפעלה עם מערכת ההפעלה עם מערכת ההפעלה 3D.

תאימות אלקטרומגנטית (EMC) ו- Signal Integrity

בעוד הדמיה 3D אינו תחליף פותרי שדה אלקטרומגנטיים, זה עוזר למעצבים לזהות בעיות EMC פוטנציאליות כגון זמן, מקבילה סלילת כי יכול לחצות או ללטאות שנוצרו על ידי החזרה גרועה להציב דרךs.לראות את הלוח ב 3D עושה מעקב-to-component ו-שכבת-to-layer מערכות יחסים, את היכולת להציג את הצורה המדויקת של קווי שידור, co-plan-re-reme, מאפשר גם את מבנה שדה קריטי.

תכנון ייצור (DFM) שיפור

מודלים תלת-ממדיים מסייעים לאמת כי הלוח יכול להיות מאסף על ידי מכונות אוטומטיות. Pick-and-place מכונות דורש גישה בלתי מאובחנת לכל רכיב, ו 3D הדמיה מגלה כאשר חלק הוא צלל על ידי מרכיב גבוה סמוך. בדומה, בדיקות אופטיות (AOI) מצלמות צורך קו-of-of-of-of-sight לכל המפרקים שנמכרים; 3D תצוגות מדגישות פינות שעשויות להיות מוסתרות מהמצלמה.

צמצום הנטיות הגופניות

כל אבטיפוס פיזי ספין עולה זמן וכסף. 3D מודלים באופן דרמטי את מספר ההאקרים כי העיצוב ניתן לאמת כמעט נגד מכני, תרמי, מגבלות חשמל. כאשר נמצא קונפליקט, המהנדס יכול לבצע שינויים באופן מיידי, לראות את התוצאה בתצוגת 3D, ולשחרר מחדש את העיצוב עם ביטחון.חברות רבות מדווחות על חיתוך אב טיפוס מארבע או חמש ספין-או רק לאחר אימוץ של עבודה קפדנית 3D.

כיצד 3D Visualization משפר את המיקום

מיקום בולט הוא הבסיס של פריסת PCB מוצלחת. 3D כלים להעלות את המשימה הזו מפאדה דו-ממדית לבעיה אופטימיזציה מרחבית תלת-ממדית. להלן הדרכים ספציפיות הדמיה תלת-ממדית משפרות את החלטות המיקום.

אמת-עולמית

כל רכיב בספריית תלת-ממדית מודרנית נושא גובה מדויק, אורך, רוחב וצורת גוף.כאשר הוא ממוקם, המרכיב תופס נפח אמיתי, לא רק דפוס כריה.המעצב יכול מיד לראות אם 10 מ"מ גבוה אלקטרוליטי יהיה לנקות 5 מ"מ גבוה מכסה .דיוק זה חשוב במיוחד עבור לוחות כי חייב להתאים למתחים עם צורות לא סדירות, כגון טלפונים חכמים, מכשירים לבישים, או שליטה על ידי רבים של ספקים בפועל.

המונחים: a glance

מרחקי נייר וניקוי מוגדרים על ידי תקני בטיחות כגון IEC 60 או IPC-2221B. בפריסה 2D, מדידת המרחקים האלה על שכבות מורכבות הוא edious ו- הסתברות שגיאה. בסביבה 3D, המעצב יכול להגדיר נקודות מדידה בין שני משטחים, ללא קשר לשכבה או אוריינטציה.

שילוב מכני

תוכנת 3D מודרנית מאפשרת לייבא את המודל המכני המלא (MCAD) של מתחם המוצר, כולל חזיונות הרים, דוקטרני זרימת אוויר, וסימולציות כבל.ה- PCB תוכנן בתוך המעטפה הזאת, כך שהמהנדס יכול לראות כיצד הלוח אינטראקציה עם כל חלק מסביב. Connectors חייב להתאים עם חיתוך, נוריות חייב לשבת מאחורי אינדיקטורים, ונקודות הבדיקה חייב להיות נגיש מבחוץ, עם תכונות פיזיות, עם 3D, לעתים קרובות, עם רכיבי מחשבתית אחד, עם לעג אחד, עם תכונות מכניות, עם לעג אחד, עם תכונות קבוע אחד, עם 3D.

מקום החישה

קומפרסים הדורשים גלי חום או כריות תרמיות זקוקים למיקום זהיר יחסית ל-Asss או אוויר מאולץ. 3D הדמיה מראה את הקרבה של חלקים חמים למכשירים רגישים חום כגון capacitors אלקטרוליטיים, סוללות או חיישנים.המעצב יכול לארגן את הפריסה כדי ליצור ⁇ תרמי, הצבת חלקים החמים ביותר ליד הקצה או המעריצים, תוך שמירה על חלקים רגישים.

פרופיל גבוה אופטימיזציה

במוצרים רבים, מגבלות גובה הכוללות הן קפדניות.לוח עם מרכיבים משני הצדדים חייב להיות פרופיל נמוך בצד התחתון אם הוא יושב קרוב לכיסוי התחתון. 3D כלים המאפשרים למעצב לעבור לתצוגה "מפת שמונה", צבע רכיבים על ידי הנקה שלהם אל פני השטח המכאני הקרוב ביותר.זה מגלה מיד אילו חלקים מפרים את גבולות הגובה, המאפשרים שינוי מהיר או החלפתם עם חלופות קצרות יותר.

אופטימיזציה עם 3D Tools

בעוד מודל 3D הוא לעתים קרובות קשור למיקום, זה גם מהפכה שלב החסימה.נתיבי כביש קיימים בשלושה ממדים (באמצעות השכבות), ודמיון תלת מימדי הופך את מערכת היחסים הבין-שכבתית גלויה באופן שמבט ערימה 2D לא יכול.

זיהוי נקודות

לוחות שקיפות גבוהים יש הרבה עקבות אותות מנסה לנווט דרך ערוצים צרים בין BGA דרך, דרך פינות חור, ו apertures מכני. בתצוגת 2D, גודש הוא מופשט - אתה יכול לראות אשכול צפוף של קווים אבל לאמוד את הנקה אנכית. בתצוגת 3D, המעצב יכול לסובב את הלוח ולראות כמה שכבות זמינים במיקום נתון, שבו הם מיקרו-חלים על פני משטח זה עוזר מספיק כדי להתרסק.

תכנון נתיב אותות-Specific Lane

עבור זוגות שונים, קישורים סידוריים מהירים, או קווי אות אנלוגיים, הדמיה תלת-ממדית מסייעת בהשגת גיאומטריה עקבית.המעצב יכול להציג את הנתיב כולו מהנהג למקלט, מעקב אורך התאמה ושכבות מעברים. הרבה 3D כלים מעל הרשת הנברכה עם תמונה מחוסמת של גופי הרכיב, כך שהמעצב יכול לראות כמה קרוב להחלפת מרוכב רועש או גבוה במודעות זו.

Via Placement ו- Micro-Via Optimization

ויטס הם עקבות של ה-D השלישי, אך המיקום שלהם קריטי עבור ביצועי האות ומיומנות כאחד. ב 3D, המעצב רואה את המיקום המדויק של כל אחד באמצעות הרכיבים, את העקבות בצד השני, וכל מכשולים מכניים. עבור חיבור בין דחיסות גבוהה (HDI) לוחות עם מיקרו-לשוניות מזועזעות או מערומות, תצוגת 3D היא הכרחית דרך התבנית היישר דרך ה-D מראה כראוי על פני כל התבניות.

המונחים: Enclosure and Mechanical Parts

גם לאחר מיקום, עקבות עשויים להיצמד קרוב מדי לקיר המתחם, הוספת בורג מתכת, או מברג 3D כלי שיט המאפשר למעצב לבדוק סלקציה דינמי כמו עקבות נמשכים. חלק כלים באופן אוטומטי לדחוף עקבות הרחק ממכשולים מכניים, החל את אותם כללים ברורים המשמשים עבור רכיב-to-ponent ספאcing.זה מונע מעגלים קצרים או אות הנגרמים על ידי השפלה ללא פגעה מתכת הסמוך.

סימולציה תרמית משולבת עם 3D Visualization

בעיות ארסיות מתגלות לעתים קרובות רק לאחר בדיקת אבטיפוס. 3D שינויים ניתוח תרמי לשלב העיצוב. על ידי הגדרת פיזור חשמל עבור כל רכיב (מ schematic או Datasheet), הכלי 3D יכול למקם מפות טמפרטורה על פני השטח של הלוח והמרכיב. חלק חבילות מציעים הפיכה ישירה CFDling, שבו הגיאומטריה 3D הוא יצוא כדי פתרון תרמי ואת התוצאות הם קודמו על פני השטח של אותו צבע.

מהנדס יכול אז לגרור מרכיב חם לאזור קריר יותר, להוסיף תנור חום, לסובב חלק כדי להתמודד עם זרימת האוויר, או להוסיף דרך תרמית תחת BGA - כל זאת תוך צפייה בעדכון הסימולציה התרמית בזמן אמת.זה סוגר את הלולאה משוב בין מיקום, routing, וביצוע תרמי, צמצום דרמטי של הסיכון של כשלים שדה.

מקרה מחקר: אופטימיזציה של מערך יחסיות גבוהה (HDI)

פרויקט חדש היה מעורב לוח 10-layer HDI עבור יחידת טלמטים קומפקטית אווירו-מרחב.הדירקטוריון מדד 75 מ"מ × 50 מ"מ עם שלושה BGAs (0.5 מ"מ), מספר הרגולטורים מעבר, ומגוון של מחברים. 2D ניסיון הפריסה השאיר מעט מקום עבור routing, וכמה גבהים רכיב על פני גובה המתחם 6 מ"מ.

צוות העיצוב אימצה זרימת עבודה 3D-First באמצעות כלי עם יבוא מלא MCAD.הם ייבאו את מודל המתחם טיטניום ואת מגבלות גובה שנקבעו. בתצוגת 3D, הם ראו מיד כי ה- אלקטרוליטי הראשי (8 מ"מ גבוה) ואת מחבר RF (7 מ"מ גבוה) הפרו את הנקה.

במהלך ההמראה, תצוגת התלת מימד גילתה כי דחוסה באמצעות אשכול מתחת ל- BGA הראשי עבר קרוב באופן מסוכן לחור בורג עולה.הקבוצה הפנה מחדש את דפוסי הבריחה כדי להגדיל את ההנקה.הם גילו גם מקום חם תרמי: ניהול הכוח IC (התחילת 2.5 W) הוצב תחת אשכול עיוור דרך זרימת האוויר חסום.

הלוח הסופי עבר אימות פונקציונלי, מכני ומדרמי על האבטיפוס הראשון.הצוות ייחס את ההצלחה בדיקות ההתערבות 3D מוקדם ואת היכולת לדמיין הגבלות ניתוק.

שיתוף פעולה אוטומטי של רוסטינג ו-3D סימום

כלים מודרניים בעיצוב PCB כוללים לעתים קרובות מנועי autorouting שיכולים להציב עקבות ודרך בצורה חכמה.כאשר בשילוב עם סביבת 3D, המנועים האלה הופכים אפילו חזקים יותר.הנתב האוטומטי יכול להיות מוגבל על ידי המעטפה המכאנית 3D: זה יודע אילו אזורים חסומים על ידי רכיבים גבוהים או על ידי המתחם.זה יכול גם לקרוא תוצאות סימולציה תרמית כדי למנוע אותות קריטיים באמצעות אזורי חם.

עם זאת, ניתוק אוטומטי עדיין נהנה מהתבוננות אנושית ב 3D. המהנדס יכול לסקור את העבודה של נתב אוטומטי מכל זווית, לזהות לולאות מסלול גזע לא מאומת או מוגזם באמצעות גמגמים, ולעקוב באופן ידני את האזורים הגרועים ביותר. גישה היברידית זו מפחיתה את הזמן על ידי 30-50% תוך שמירה על שלמות אותות ומיומנות.

בחירת תוכנת עיצוב PCB

לא כל יכולות 3D נוצרו שווים כאשר הם מעריכים כלים, יש לשקול את הקריטריונים הבאים:

  • (FLT:0) איכות וזמינות של 1R) האם הכלי כולל ספרייה גדולה של מודלים תלת-ממדיים, או האם הוא תומך בייבוא קבצים של צעד ממוכרים?
  • (FLT:0) MCAD אינטגרציהFLT:1 - האם זה יכול לייבא פורמטים סטנדרטיים בתעשייה (STEP, IGES, Parasolid) מתוכנות הנדסת מכונות כגון SolidWorks, Creo, או Fusion 360?
  • (FLT:0) סימולציה של ה-Ermalische FLT:1 - האם מתווך תרמי משולב, או שיש יצוא חלק לתוכנה של CFD של צד שלישי?
  • (ב) [ה]ההסברים הבין-מידתיים [ה]: האם הכלי מציע זיהוי התנגשות בזמן אמת? האם ניתן לבדוק את ההנקה למתח כמו גם בין רכיבים?
  • (FLT:0) חידוש וזמינות 1 (ראה: כיצד לוח גדול יכול להתמודד עם מנוע 3D ללא lag?האם בקרת הניווט אינטואיטיבית עבור מהנדסים חשמליים ומכניים?

כלים מסחריים פופולריים כוללים את אלטייום מעצב (עם מנוע 3D המשולב שלה ושיתוף פעולה MCAD), קדינס גודגרו / OrCAD (באמצעות 3D Canvas להוסיף על), ו- EAGLE (עם אינטגרציה של Fusion 360). חלופות קוד פתוח כמו קיפאדה עשו צעדים משמעותיים עם צופה תלת מימד ויכולות יצוא צעד.

מסקנה

כלים מודלים תלת מימדיים עברו מתכונת נחמדה לחובה הליבה של עיצוב PCB רציני.הם מעצימים מהנדסים לדמיין מיקום רכיב וניתוק באותו ההקשר הפיזי שהמוצר הסופי ייושב.על ידי לכידת הפרעות מכניות, נקודות חמות תרמיות, וניתוק דחיסות לפני ייצור, כלים אלה להפחית את עלויות הפיתוח, לקצר את זמן לשוק, ולשפר את האמינות המוצר.

לקריאה נוספת על זרימת עיצוב PCB 3D, לשקול את פתרונות עיצוב PCB:0 (Altium 3D PCB design guideFLT:1 ו-FLT:2Cadence design Solutions ReviewFLT 3: 3D תקנים כגון FLT:4IPCIRFLT:5 לספק הנחיות על פינוי ורכבה אשר ניתן בקלות על פני 3D סביבה.