微電子設計的挑戰及其益處

2021-04-15

微電子設計的挑戰及其益處

該微電子市場(chǎng)增長(cháng)快速。我們將重點(diǎn)介紹微電子設計的一些優(yōu)點(diǎn)和挑戰。為了充分利用微電子領(lǐng)域，公司必須確保他們適應微電子的局限性和優(yōu)勢。

微電子學(xué)的重要性是什么？

為了充分理解微電子技術(shù)的好處和挑戰，首先必須解決驅動(dòng)公司朝著(zhù)這個(gè)方向發(fā)展的一些因素。

可以說(shuō)，這里最大的問(wèn)題是消費者需求。從某些方面看，這是顯而易見(jiàn)的-考慮一下過(guò)去二十年來(lái)蜂窩電話(huà)的發(fā)展情況，從磚形盒子到今天我們知道的超薄設備。在筆記本電腦，平板電腦等中可以看到相同的趨勢。在這些情況下，電子公司正在響應消費者對較小產(chǎn)品的需求。

還必須認識到，可穿戴設備和物聯(lián)網(wǎng)的迅速普及正在推動(dòng)微電子設備和組件的發(fā)展。在這些情況下，不僅僅是消費者偏愛(ài)導致更小的設計。相反，很簡(jiǎn)單的事實(shí)是，這些解決方案只能依靠微電子技術(shù)的發(fā)展和使用而存在。公司正在接觸設計或制造工廠(chǎng)，發(fā)現微電子領(lǐng)域的可能性，并立即做出相應的努力。

物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)將在幾年內價(jià)值數千億美元。僅在醫療保健領(lǐng)域，就其本質(zhì)而言，依賴(lài)微電子技術(shù)的醫療設備和可穿戴設備市場(chǎng)本身將價(jià)值數十億美元。

微電子學(xué)的挑戰

那么微電子學(xué)對PCB設計人員的挑戰是什么？

隨著(zhù)尺寸的縮小，電路板本來(lái)就變得更致密。設計人員需要將更多的輸入/輸出打包到一個(gè)較小的空間中，并使這些焊盤(pán)陣列盡可能靠近在一起。這里的問(wèn)題是，隨著(zhù)間距變得越來(lái)越緊，走線(xiàn)和間距也越來(lái)越緊，這給信號可靠性帶來(lái)了挑戰。在典型的電路板上（與微型印刷電路板不同（我們將在以后的博客文章中更深入地探討這一主題）），跡線(xiàn)上的信號會(huì )隨著(zhù)跡線(xiàn)變小而失去能量。這是由于一個(gè)簡(jiǎn)單的事實(shí)，即在微級上依靠減法電路板印刷方法時(shí)，要確保信號的均勻走線(xiàn)是極其困難的。

這可能會(huì )給微電子設備本身帶來(lái)嚴重的問(wèn)題。也許最值得注意的是，較弱的信號強度將導致電池壽命縮短。對于包括廣闊空間在內的各種空間中的電子設備來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)日益重要的問(wèn)題。對于消費類(lèi)電子產(chǎn)品，對手機和其他手持設備的需求很明顯，它們可以持續使用很長(cháng)時(shí)間而無(wú)需充電。對于其他微電子方面的問(wèn)題，例如IoT傳感器和植入物，充電可能是不可行或不可能的，因為設備本身根本無(wú)法到達。在這些情況下，令人印象深刻的電池壽命是設計成功的絕對前提。

任何無(wú)法完全解決增加電路板密度帶來(lái)的微電子挑戰的微設計都將面臨無(wú)法充分發(fā)揮其全部潛力的風(fēng)險，或者可能無(wú)法正常工作。

電池壽命是微電子設計的主要考慮因素。

這個(gè)領(lǐng)域固有的另一個(gè)不那么明顯，從某種意義上講，也是更少的技術(shù)挑戰，是不斷發(fā)展的微電子市場(chǎng)正引領(lǐng)著(zhù)許多公司首次嘗試使用該技術(shù)的事實(shí)。例如，一家健康技術(shù)公司可能會(huì )對利用微細加工以減少需要抽取的血液進(jìn)行測試的新設備的潛力感興趣。但是，與像Apple或Samsung這樣的主要電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)商不同，該公司不太可能擁有自己的設計團隊來(lái)開(kāi)發(fā)微電子產(chǎn)品。相反，該公司將需要與精通微電子技術(shù)的第三方設計或制造公司聯(lián)系。

好消息是，微電子學(xué)的這些挑戰中沒(méi)有一個(gè)是不可克服的。

微型PCB如何推動(dòng)微電子技術(shù)向前發(fā)展

如果您需要對未來(lái)幾十年的電子市場(chǎng)發(fā)展做出一個(gè)單一的預測，那么也許您可以做出的最安全的選擇就是該行業(yè)正在朝著(zhù)微電子領(lǐng)域發(fā)展。畢竟，過(guò)去20年就是這種情況，而且實(shí)際上沒(méi)有理由認為不久的將來(lái)會(huì )有所不同。如果有的話(huà)，這種趨勢可能會(huì )加速。

最近，我們介紹了微電子技術(shù)的當前狀態(tài)，包括該技術(shù)的一些最值得注意的應用。我們還介紹了微電子設計的一些最值得注意的好處和挑戰。今天，我們將仔細研究這個(gè)領(lǐng)域的一個(gè)更具體的部分：微型印刷電路板。微型PCB在提高微電子設計的效率和效率方面發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用，并開(kāi)辟了以前無(wú)法實(shí)現的可能性。

克服微型PCB挑戰以打造更好的微電子產(chǎn)品

我們討論了電子產(chǎn)品尺寸的縮小如何造成嚴重的設計困難。最值得注意的是，電路板上更緊密的走線(xiàn)/空間會(huì )導致信號丟失，從而導致各種各樣的問(wèn)題。這包括縮短電池壽命和降低能源使用效率，這兩者都可能?chē)乐仄茐男挛㈦娮釉O計的價(jià)值。

解決此問(wèn)題的理想解決方案是利用較小的PCB，這些PCB可以適應這些縮小的尺寸，而不會(huì )導致隨后的質(zhì)量下降。自然，這說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難。通常，PCB設計行業(yè)向微型化的發(fā)展是由設備設計師和制造商的需求推動(dòng)的。但是，跡線(xiàn)和空間以及電路板本身的最小尺寸已存在（或至少已經(jīng)存在）限制。

但是，近來(lái)，微型PCB技術(shù)的進(jìn)步使得適應這種轉變成為可能。關(guān)鍵發(fā)展：加法工藝。

加性與減性微型PCB

直到最近，PCB跡線(xiàn)和空間的最小寬度仍為3密耳。問(wèn)題不在于PCB制造商不能生產(chǎn)低于該數字的線(xiàn)，而是在于他們在不犧牲一致性和準確性的情況下就無(wú)法縮小尺寸。這是微電路印刷工藝的減法方法所固有的問(wèn)題。傳統方法在如此小的尺寸上并不精確，因此，在線(xiàn)寬方面總是存在一定程度的不確定性。隨著(zhù)電子設備和電路變得越來(lái)越小，精度的缺乏變得更加棘手，難以接受。

但是，對于基于添加劑的印刷電路板工藝，情況已不再如此。附加方法不是去除銅（即減法），而是將銅添加到PCB中。該技術(shù)更加精確，可以使制造商提供更小的跟蹤空間和更高的每英寸密度，而不會(huì )遇到上面突出顯示的信號丟失問(wèn)題。這在很大程度上要歸功于這樣一個(gè)事實(shí)，即加法過(guò)程可以為信號傳輸提供普遍統一的軌跡和空間，從而減少了數據損壞。

更緊密，均勻的間隔可提供更大的信號強度。

新的微潛力

這些微型PCB生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步的最終結果是，設計人員和制造商在實(shí)現微電子目標方面面臨的障礙更少。這為在眾多空間中進(jìn)行更大的創(chuàng )新創(chuàng )造了機會(huì )。

例如，考慮物聯(lián)網(wǎng)。在許多物聯(lián)網(wǎng)應用中，小尺寸勢在必行。但是，與此同時(shí)，諸如傳感器之類(lèi)的設備需要能夠在很長(cháng)一段時(shí)間內正常運行，而電池壽命不會(huì )成為問(wèn)題。顯然，在許多這些設計中，前面提到的信號強度考慮因素是一個(gè)主要因素。

但這還不是全部。事實(shí)上，隨著(zhù)設備的小型化，生產(chǎn)成本會(huì )顯著(zhù)增加。對于追求物聯(lián)網(wǎng)設計的公司而言，這可能會(huì )很快成為成本高昂的問(wèn)題。

利用附加工藝的微型PCB可以提供更高的電路板密度，可以在更小的空間內安裝更多的組件。這大大減少了數量，這意味著(zhù)生產(chǎn)的總成本要低得多。

現在，公司可以在了解微PCB生產(chǎn)不會(huì )成為確保其設計能夠帶來(lái)可盈利設備的障礙的情況下，尋求物聯(lián)網(wǎng)解決方案。

總而言之，微型PCB使微電子技術(shù)更容易實(shí)現，并提高了最終產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)降低了生產(chǎn)成本。

未來(lái)的微型PCB

在未來(lái)幾年中，所有微電子行業(yè)的發(fā)展趨勢可能會(huì )持續下去，甚至會(huì )加速發(fā)展，所有這些將使微PCB制造對于無(wú)數電子公司而言變得更加重要和重要。公司越早朝這個(gè)方向發(fā)展，他們獲得的競爭優(yōu)勢就越大。

即將到來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)趨勢

物聯(lián)網(wǎng)的吸引力很大一部分是任何人都可以訪(fǎng)問(wèn)。在大多數行業(yè)中，技術(shù)突破僅限于專(zhuān)業(yè)人士和專(zhuān)家的地方，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)擴大了競爭環(huán)境，為初創(chuàng )企業(yè)和成熟企業(yè)創(chuàng )造了新的機會(huì )。從復雜的高密度互連板到價(jià)格可承受的DIY計算機（如Raspberry Pi），物聯(lián)網(wǎng)應用程序可以以各種形式找到。

但是，要使該理論成為現實(shí)，必須解決片上系統（SoC）的挑戰。SoC本質(zhì)上是一個(gè)微芯片，所有重要電路和部件都可以包含在單個(gè)芯片中，這具有明顯的優(yōu)勢。SoC具有其所有優(yōu)點(diǎn)，是一個(gè)極其復雜的區域?？梢?jiàn)性很小，設計這些極其密集的電路既不直觀(guān)也不友好。作為業(yè)余愛(ài)好者，這項技術(shù)非常復雜，因此不容易自學(xué)或學(xué)習。此外，供應商很少，他們傾向于與具有可靠業(yè)務(wù)量的公司合作。

這個(gè)簡(jiǎn)單的事實(shí)可能會(huì )阻止許多較小的公司追求物聯(lián)網(wǎng)設備和應用程序，而它們卻面臨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)承諾的普遍性。畢竟，與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的設備變得越來(lái)越小，需要的組件也越來(lái)越小。

微型PCB將在解決此問(wèn)題中扮演重要角色。借助微型PCB，設計可以變得更小，但不會(huì )損失任何可見(jiàn)性-每個(gè)組件都可以封裝和訪(fǎng)問(wèn)。較低的使用門(mén)檻至關(guān)重要，因為它有助于確保即使人員不具備豐富的微電子經(jīng)驗的組織也能夠在這一領(lǐng)域進(jìn)行設計，從而將物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)開(kāi)放給更多的企業(yè)。 。隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的不斷擴大，企業(yè)進(jìn)入這一領(lǐng)域的動(dòng)力將越來(lái)越大。微型PCB將使進(jìn)入該空間成為可能。

另一個(gè)關(guān)鍵因素是成本。通常，隨著(zhù)電子設備尺寸的減小，成本也會(huì )增加。再次，對于那些急于嘗試發(fā)展中的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)所提供的潛力的公司而言，這可能是進(jìn)入該公司的嚴重障礙。但是，使用微型PCB，設計人員可以減少層數。增加的密度可以將成本降低50％或更多。顯然，這是一種極具吸引力的可能性，并可能導致在微電子領(lǐng)域（包括但不限于物聯(lián)網(wǎng)）中更多地采用微型PCB。

上面強調的許多要點(diǎn)還將導致在另一個(gè)關(guān)鍵空間（可穿戴設備）中大量采用微型PCB。該方程式的一個(gè)關(guān)鍵因素是微型PCB會(huì )對可穿戴設備的電池壽命產(chǎn)生影響。

更高的信號強度以及更長(cháng)的電池壽命是微型PCB提供的最大優(yōu)勢之一。隨著(zhù)可穿戴設備的普及，這種好處將越來(lái)越明顯。隨著(zhù)“可穿戴設備”類(lèi)別擴展到包括可植入設備，這一點(diǎn)將特別明顯。畢竟，植入的設備將無(wú)法充電，或者至少非常困難，很難充電，這意味著(zhù)電池壽命可能是生存能力與無(wú)用能力之間的差異。對于將來(lái)渴望進(jìn)入或擴展可穿戴設備領(lǐng)域的任何公司來(lái)說(shuō)，這將使微型PCB成為絕對必要的產(chǎn)品。

所有這些因素都清楚地表明，盡管微型PCB已經(jīng)對微電子產(chǎn)生了影響，但這種影響在不久的將來(lái)可能會(huì )猛增。