如何設(shè)計(jì)3D打印的IOT設(shè)備PCB

從智能家居到智能汽車(chē)，智能手表和智能手機(jī)，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備已成為我們?nèi)粘Ｉ钪械墓潭ㄔO(shè)備，并將在未來(lái)發(fā)揮更大的作用。隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，增材制造為有興趣開(kāi)發(fā)獨(dú)特的IoT設(shè)備的潛在IoT設(shè)計(jì)師提供了一些真正的優(yōu)勢(shì)。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要許多標(biāo)準(zhǔn)功能，并且更多的設(shè)計(jì)人員在進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域時(shí)將需要考慮這些功能。幸運(yùn)的是，學(xué)習(xí)如何設(shè)計(jì)IoT設(shè)備與設(shè)計(jì)其他類(lèi)似的PCB并沒(méi)有太大不同。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備集成了許多功能，這些功能以前被分為不同的板，目的是在單個(gè)設(shè)備中提供感應(yīng)，人機(jī)交互和通信。

傳感器和接口

任何物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都需要某種類(lèi)型的界面，該界面允許人類(lèi)與該設(shè)備進(jìn)行交互。觸摸屏或小鍵盤(pán)是用于控制IoT設(shè)備的界面的常見(jiàn)示例。這些組件可作為商用現(xiàn)貨（COTS）組件廣泛使用，可以輕松添加到IoT設(shè)備的PCB中。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常包含許多用于與外部環(huán)境交互的傳感器。示例包括觸摸傳感器，聲音或振動(dòng)傳感器，環(huán)境傳感器和電氣傳感器。這些傳感器是純模擬設(shè)備，因此設(shè)計(jì)人員將需要使用MCU，FPGA，CPLD或其他集成電路將這些模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為板上的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備同時(shí)使用模擬和數(shù)字信號(hào)，因此設(shè)計(jì)人員需要遵循混合信號(hào)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)規(guī)范。這涉及分離電路板的模擬和數(shù)字部分，同時(shí)保持整個(gè)器件的接地層連接性。接地的位置應(yīng)確保接地平面中的數(shù)字返回信號(hào)不會(huì)在模擬組件下方傳播。

3D打印在傳感器設(shè)計(jì)中提供了許多優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榭梢詫鞲衅鞯膶?dǎo)電元件直接印刷在板上，而無(wú)需使用蝕刻和電鍍工藝。這對(duì)于電容式觸摸傳感器，應(yīng)變傳感器或耐化學(xué)腐蝕的環(huán)境傳感器尤其有用。連接器也可以直接3D打印到板上，從而可以將COTS傳感器輕松添加到3D打印的IoT設(shè)備中。

無(wú)線通訊能力

如今，很難找到使用以太網(wǎng)電纜硬連接到調(diào)制解調(diào)器的任何物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，因此您需要在PCB中包括無(wú)線通信功能。有多種選項(xiàng)可用于將這些功能添加到設(shè)備中，具體取決于設(shè)備所需的無(wú)線協(xié)議。

整合無(wú)線功能的一種選擇是在板上包含一個(gè)COTS天線和一個(gè)收發(fā)器。某些天線（例如橡皮鴨或貼片天線）需要使用小的同軸電纜連接到您的電路板上?；蛘撸梢詾殡娐钒迨謩?dòng)設(shè)計(jì)印刷天線，例如微帶天線，倒F形天線或領(lǐng)結(jié)天線。由于3D打印自然可以將導(dǎo)電元件直接打印在基板上，因此它適用于IoT設(shè)備的天線設(shè)計(jì)。

您還需要在有源或無(wú)源GPS天線之間進(jìn)行選擇。與無(wú)源天線相比，有源天線在天線模塊中內(nèi)置了一個(gè)低噪聲放大器（LNA）。這些天線通常位于自己的板上，需要使用同軸電纜連接到設(shè)備。一些領(lǐng)結(jié)天線非常有用，因?yàn)樗鼈冞€可以與GPS一起提供WLAN通信。您還需要為GPS天線模塊包括一個(gè)接收器。某些COTS接收器可以正常工作，因?yàn)樗鼈儼ㄒ粋€(gè)用于天線的50歐姆匹配網(wǎng)絡(luò)，因此您無(wú)需手動(dòng)設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)。

無(wú)論您是要包括用于LAN / WLAN通信的定制天線，GPS，藍(lán)牙還是其他協(xié)議，都可以使用正確的增材制造系統(tǒng)將定制設(shè)計(jì)的印刷天線直接3D打印在基板上。使用沉積納米粒子導(dǎo)電墨水的噴墨系統(tǒng)可以以任何幾何形狀（包括非平面選項(xiàng)）高精度打印天線。

3D打印物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的其他優(yōu)勢(shì)

增材制造系統(tǒng)仍然無(wú)法像FR4那樣用編織方式印刷剛性基材，但是正確的氣霧劑或噴墨系統(tǒng)可以印刷電模擬FR4并具有相似電性能的聚合物電介質(zhì)基材。此類(lèi)材料在RF應(yīng)用中具有某些優(yōu)勢(shì)。FR4上用于RF器件的PCB在表面層上需要特殊的層壓板，以減少吸收損耗，這就是為什么某些高頻器件是在陶瓷氧化鋁或氮化鋁上設(shè)計(jì)的原因。與FR4相比，印刷的聚合物基材在高頻下的損耗可能更低，這與特種陶瓷材料中的損耗相當(dāng)。

需要接地平面的天線將需要印刷在多層板上，其中接地平面位于內(nèi)層。3D打印的聚合物板僅需要單層逐層沉積過(guò)程，其中導(dǎo)電元素和基材可以單次沉積。相比之下，剛性多層PCB需要數(shù)十次沉積，蝕刻，電鍍和壓制步驟，這增加了制造時(shí)間和成本。除非您從傳統(tǒng)的PCB制造商那里訂購(gòu)了昂貴的小批量生產(chǎn)產(chǎn)品，否則這使得剛性板無(wú)法用于快速成型。

借助增材制造系統(tǒng)，一天之內(nèi)即可生產(chǎn)和測(cè)試單個(gè)IoT設(shè)備的能力使設(shè)計(jì)人員能夠快速構(gòu)建原型并測(cè)試其性能。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的3D打印速度可以比傳統(tǒng)制造的設(shè)備快90％?？梢愿鶕?jù)需要快速制定和實(shí)施設(shè)計(jì)修訂。逐層沉積工藝不會(huì)將傳感器和天線設(shè)計(jì)人員限制為使用純平面設(shè)計(jì)?？梢允褂?/span>3D打印機(jī)制造獨(dú)特的架構(gòu)，包括非平面或重復(fù)的元素。

將3D打印規(guī)則應(yīng)用于您設(shè)計(jì)IOT設(shè)備的方式

每個(gè)增材制造系統(tǒng)都有其自己的設(shè)計(jì)規(guī)則和限制。任何增材制造系統(tǒng)的一個(gè)重要限制是3D打印導(dǎo)電元件的分辨率，因?yàn)檫@會(huì)限制走線寬度，通孔尺寸和可放置在任何設(shè)備中的焊盤(pán)尺寸。幸運(yùn)的是，噴墨3D打印機(jī)提供適用于高頻天線和傳感器設(shè)計(jì)的高分辨率打印。這項(xiàng)技術(shù)可確保您的設(shè)計(jì)能夠準(zhǔn)確打印，并且可以與傳統(tǒng)制造工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品媲美。

隨著增材制造技術(shù)的成熟和圍繞各種沉積工藝的標(biāo)準(zhǔn)的制定，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)人員可以期望增材制造系統(tǒng)具有更大的靈活性和一致性。這將有助于簡(jiǎn)化用于小批量，高復(fù)雜度物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備制造的設(shè)計(jì)。