PCB の開発 – 将来のトレンドを知らないかもしれません!

PCB 開発に関しては、モノのインターネットの時代が到来し、デジタル世界のほぼすべての面を支配しています。 IoT は「第 4 次産業革命」であり、「.com の爆発以来最大のもの」であると予想されています。

また、Gartner からの最近のレポートが重要であるとすれば、地球には 2020 年までに PCB 開発で少なくとも 200 億台のインターネット対応デバイスが存在することになります。

開発者は、テクノロジーを利用して、ウェアラブル デバイス、ホーム オートメーション、医療監視システム、インテリジェント カー、未来都市などのイノベーションのためのインテリジェントに接続されたプラットフォームを開発します。

IoT は、物理コンポーネントとデジタル コンポーネント間のコネクティビティに対する楽観的な見方を、ブロックの最新のテック キッズとして示しています。この記事では、モノのインターネットの発展と将来について詳しく説明します。それについてもっと知りたいですか?

IoT:PCB 開発への新しいアプローチの推進

PCB 開発における今日のトップ トレンドの 1 つは、フレックスと高密度相互接続 (回路基板の作成。従来の PCB ルーティング方法ではこれを実現できません。HDI を使用) ボードの使用がますます普及していることです。ほとんどの IoT デバイスは移動中に使用することを意図しており、フレックス PCB を使用することで配線が簡素化され、過酷な条件からの耐性が向上します。

さらに、ボードの表面積が減少し、配線密度が増加するにつれて、開発者はリジッド PCB の製造に目を向けています。ここでの条件は、貴重なスペースを節約するために、ブラインド ビアや埋め込みビアなどの多層、片面、メタルコア、HDI 技術に適用されます。 HDI 設計は、低消費電力と優れたパフォーマンスも促進するため、IoT デバイスに最適です。

図 2 – フレキシブル PCB

フレックスと HDI のアプローチを PCB 設計に組み合わせることで、企業はパフォーマンスを犠牲にすることなく、熱応力や信号損失などの要因に悩まされない小型のモバイル デバイスを作成できます。 IoT デバイスは、これまで以上に小型化、軽量化、高速化できるようになりました。

IoT 向け PCB の製造:違いは?

モノのインターネットは、PCB 開発の完全な再発明を必要としませんでしたが、設計テーブルに新しい考慮事項をもたらしました.

さまざまな設計アプローチがあるため、IoT ベースの PCB のレイアウト、製造、および組み立てプロセスは、従来の基板のプロセスとは大きく異なります。

まず第一に、IoT PCB は通常、リジッド フレックスまたはフレックス回路アセンブリのいずれかで構成されており、従来のボードのかなり大きくて平らな性質とは対照的です。

フレックス アセンブリの製造には、曲げ率、ライフサイクルの反復、信号トレースの厚さ、リジッドおよびフレックス回路層、銅の重量、補強材の配置、およびコンポーネントによって生成される熱の広範かつ高精度な計算が必要です。

さらに、IoT 用の PCB を開発するには、設計者がリジッド側とフレックス側の両方でレイヤー間の堅牢な接着を保証し、0201 や 00105 パッケージのような非常に小さなコンポーネントをしっかりと理解している必要があります。

図 3 – 恒久的に接続されたフレックスおよびリジッド回路基板。リジッド フレックス HDI 設計の場合

IoT デバイス向けの PCB を適切に印刷するには、専用のツールと治具が必要です。たとえば、リジッド フレックス PCB を使用するということは、リジッド回路部分とフレックス回路部分のさまざまな厚さを効果的に印刷するために、ボードを完全に平らに保つための独自のアクセサリが開発者に必要であることを意味します。

IoT デバイス向けの PCB を適切に印刷するには、専用のツールと治具が必要です。たとえば、リジッド フレックス PCB を使用するということは、リジッド回路部分とフレックス回路部分のさまざまな厚さを効果的に印刷するために、ボードを完全に平らに保つための独自のアクセサリが開発者に必要であることを意味します。

そのため、多くの IoT スタートアップや新人デザイナーは、PCB 開発のために専門の EMS 企業と提携しています。 タイムリーな製品発売を確実に成功させる必要があります。

PCB 開発 – IoT と PCB 設計の未来

モノのインターネットは、PCB 業界に多くの将来の取り組みを提供します。回路基板の開発者は、この技術ですでに大きな進歩を遂げていますが、まだまだ多くのことが待ち受けています。ここでは、IoT が PCB 開発の現在と未来に影響を与えるいくつかのユニークな方法を紹介します。

1.レイアウトの減少

洗練された IoT デバイスの出現により、開発者がトラック、コンポーネント、およびビアを配置するのに十分なスペースがあった時代は終わりを告げました。 IoT の傾向により、製造業者は、着用、ポケットに入れる、または摂取する小さなガジェットに可能な限り多くの機能を与えるよう求められています。

図 4 – スマートウォッチ PCB

たとえば、現在のスマートウォッチの数を考えてみましょう。平均的な腕時計と同じくらいの大きさにもかかわらず、Samsung Gear S3 や Apple Watch などのデバイスは、LED ディスプレイ、内部メモリ、SoC コントローラ、Bluetooth チップ、多くのセンサーなどのハードウェアを搭載しています。

顧客は日常的に使用する小型デバイスにますます多くのことを期待しており、将来の PCB 設計者は、スマートウォッチよりもさらに小さなガジェットを使用するようになるでしょう。リジッドフレックスおよび HDI PCB の一般的な使用により、平均的な回路基板は今後数年間でほとんど受け入れられなくなります。

2.より良い梱包技術

スルーホールおよび表面実装のパッキング形式は、長年にわたって完全に実用的だったかもしれませんが、ガジェットが縮小し続けるにつれて、開発者は新しいテクノロジーを探求する必要性を感じています.その 1 つがマルチチップ モジュール (MCM) です。これにより、設計者はフォーム ファクタを薄く保ちながら複数の IC を 1 つのダイに接続できます。

図 5 – マルチチップ モジュール

別のモデルであるシステムインパッケージ (SiP) は、デジタル、アナログ、および RF システムを単一の多機能チップに統合します。同時に、3 次元集積回路（3D-IC）により、複数のシリコン ダイを積み重ねることができるため、フットプリントが小さくなり、消費電力が削減されます。

これらのパッケージ モデルの使用が爆発的に増加し、プリント基板が非常に複雑になり、新世代の PCB、いわゆる統合コンポーネント ボード (ICB) が登場する可能性があります。表面積あたりの価格。

3. PCB開発 —包括的デザイン

PCB 開発者は、基板を設計し、適合チェックのために機械チームに引き渡し、最終的な適合のために梱包グループに引き渡すことに慣れています。

しかし、IoT の世界では、フォーム ファクターが小さくなり、コンポーネントがより敏感になるため、すべての利害関係者が設計プロセスの最初から同じページにいることが重要になります。

機能、形状、およびビジネス ニーズを調和させるには、PCB の製造とフィッティングの計算を同時に行う必要があります。

図 6 – KiCad を使用した PCB 仮想プロトタイピング

IoT が急速に定着しているため、PCB 設計者は、回路の詳細に取り組む前に、ボード サイズ、製品の総重量、および意図した筐体内でのボードの適合などのパラメーターを評価するために、より多くの仮想プロトタイピングを行うことを期待する必要があります。

PCB メーカーは、もはや製品の開発サイクルにおける単なる一時的な作業員ではなく、設計プロセスのすべての側面に焦点を当てた専門家になります。

4. PCB開発 —標準化

従来の PCB の設計を管理する標準はすでに存在していますが、モノのインターネットは業界をさらに統一された未来へと押し進めています。 IoT 向けに製造された PCB は、最高レベルの効率と信頼性を維持する必要があります。

したがって、設計者は回路を再構築して並外れた結果を達成するのではなく、すでにシミュレートされ、現場で成功が証明されているブロックを再利用することを選択する可能性があります.

保存と再利用はボード開発の標準となり、モジュール設計は従来の回路図プロセスに取って代わります。

5.メカニカル デザイナーとのコラボレーション

仮想プロトタイピングと製品計画に加えて、IoT 用の PCB を開発するには、回路基板設計者と機械エンジニアの間のより強固な協力が必要です。

将来の製品設計プロセスでは、古い組立ライン モデルを破棄して、機械的および回路の変更と修正がリアルタイムで行われるアプローチが採用される可能性があります。

図 7 – 電気と機械の統合

設計者は、基本的な干渉チェックのために基板外形とコンポーネント モデルを共有するために、あるソフトウェア フォーマットから別のソフトウェア フォーマットにファイルを変換する必要がなくなります。

代わりに、機械および電子エンジニアは ECAD および MCAD ツールの使用を採用し、シームレスでリアルタイムのコラボレーションのためにデータを近づけます。

もちろん、この差し迫った不測の事態は、ECAD 業界のほとんどの関係者に重大な懸念を引き起こします。彼らの設計ユーティリティは、MCAD ソフトウェアはもちろんのこと、連携してうまく機能しません。

将来の IoT 設計に最適なツールは、エンジニアと設計者を同じ認識に導くでしょう。

6. PCB開発 –新素材

現代の IoT の世界では、回路は小さくなければなりません。 WellPCB は、国内市場と国際市場の両方で DC モーター コントローラーを提供しています。フレキシブルでモバイルです。その結果、正方形の PCB 製造に FR4 を使用することで、フレキシブル リジッド銅、プラスチック、さらにはメッシュなどの新しい材料への道が徐々に開かれています。

図 8 – リジッド フレックス コッパー

今後、FR4 の設計者は、代替材料の扱い方を知っている専門家と提携する必要があります。

Holst Center や Wearable Technologies などの調査会社は、現在、ワイヤレス自律センサーとフレキシブル回路のコンサルティングとテスト サービスを探している IoT 開発者にとってトップの選択肢です。

7.ワイヤレス接続をさらに重視

図 9 – ワイヤレス トランスミッタ モジュール

ワイヤレス モジュールと RF 回路は、IoT 製品に周囲との通信、データの収集、オンラインおよびオフライン サーバーへの送信という重要な機能を提供します。

今日、市場は IoT に適したモジュールと RF コンポーネントで満たされています。これらはすべて、フットプリントを小さく保ちながら、可能な限り多くの機能を備えています。

しかし、世界の接続ニーズが進化するにつれて、ワイヤレス技術はますます多くのガジェットに採用されるようになり、PCB 設計者は、より堅牢で信頼性の高いモジュールをより小さなボードに適合させるという課題に対処しなければならなくなります。

範囲、データ転送速度、およびセキュリティを規定するプロトコルは、新たなニーズに対応するために改訂および更新する必要があるでしょう.

さらに興味深いのは、標準化が標準になりつつあるため、1 つの主要なワイヤレス プロトコルが将来の IoT の世界を支配する可能性が完全にあるということです。

8.消費電力をより重視

将来の IoT 製品は、物理的な電源ポートとプラグイン ソースを廃止し、携帯性を促進するバッテリーとエネルギー ハーベスティング機能、および人工知能を採用する可能性があります。

IoT 市場は、人間の介入がほとんどまたはまったくなく、継続的に動作するスマート デバイスをますます切望しています。したがって、PCB 設計者は、将来的に成功するために、エネルギー効率をより重視する必要があります。

図 10 – 電力バジェット

消費電力を改善するための有望なアプローチは、製品全体を考慮するのではなく、PCB 上の個々の機能ブロックの電力予算です。こうすることで、設計者は電力を大量に消費するコンポーネントを特定して改良するために必要な柔軟性を得ることができます。

9. PCB開発 —人体用 PCB

IoT 開発者が日常生活をより良くする新しい方法を発見するにつれて、健康とフィットネスの電子機器プールは毎年拡大しています。ただし、人体は PCB 設計者に特有の課題をもたらします。

たとえば、私たちの体は非常に損失が多い性質を持っているため、着用したりポケットに入れたりするデバイスは、ノイズを克服するために安定した信号を維持する必要があります。

さらに、湿気と回路は混ざらないため、IoT ウェアラブルを設計するには、開発者は汗と水の影響を慎重に考慮する必要があります。

図 11 – 超低消費電力の PsiKick モニタリング チップ (phys.org から)

機械エンジニアは、湿気に強いパッケージの開発において重要な役割を果たしています。それでも、IoT ガジェットの用途が増えるにつれて、PCB 設計者は、機密性の高いコンポーネントを十分に保護するために、さらに多くのことを行う必要があります。

10. PCB開発 —より強固な信頼性

小型化された IoT デバイスを製造するには、非常に高い精度が必要です。ほとんどの設計者は、通常、従来の回路基板の揚げたスルーホール コンポーネントを交換することに慣れていますが、IoT 市場には失敗に対する許容度がありません。

腕時計や補聴器などの敏感なデバイスは、常に動作している必要があります。

IoT 製品の需要が高まり続ける中、PCB 設計者はボードが箱から出してすぐに完全に機能するようにする必要があります。

つまり、物理的な製造に着手する前に、PSpice のようなシミュレーション プログラムに多くの時間を費やし、最高のパフォーマンスが得られるようにプロトタイプを慎重に最適化する必要があります。

PCB 開発 – まとめ

電子設計は、IoT に対応するために大きな変化を遂げています。新しいアプローチが注目を集めており、PCB メーカーは回路基板の設計だけでなく、製品開発全体を徐々に取り入れています。

小型で軽量なコンポーネントを備えた強力な回路基板の需要がさらに拡大するにつれて、新たな機会を利用する想像力と専門知識を備えた設計者と製造者は大きな利益を得るでしょう.

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