普遍性+降低成本:PCB软硬结合设计技术

 

 这是一个日新月异的时代。除了创造力和设计能力外,当今的设计人员还面临着诸多限制,他们需要面对越来越多、日益复杂的设计——一系列通过IO连接的外围设备。而且,如今的设计越来越追求产品的小型化、低成本和高速度,这些需求尤其体现在移动设备市场。近年来,大量高性能、多功能设备层出不穷,市场发展尤为迅猛,令精明的消费者目不暇接。将这些产品推向电子设计市场需要紧密的设计流程,这通常会涉及到高密度的电子电路,同时还要考虑降低制造时间和成本。

  帮助设计师和设计团队迎接这些挑战的一个解决方案就是采用软硬结合设计技术,即印刷电路板 (PCB)的软硬结合设计。虽然这并不是最新的技术,多方的综合因素表明,该项技术具有普适性,而且能降低成本。从传统的由电缆连接的刚性PCB,发展至如今的软硬结合板技术,从成本方面考虑,两块硬板与软性电缆相互连接对于短期设计来说是可行的;但是,这需要在每块板上都安装连接器,而连接器需要装配到电路板和电缆——所有这些都会增加成本。此外,电缆连接的刚性PCB容易发生电气虚焊现象,这会导致故障的发生。相比之下,软硬结合电路可以消除这些虚焊点,使它们更加可靠,并提供更高的整体产品质量。

  让我们仔细查看其总成本,图1比较了采用传统电缆连接和3D软硬结合设计的刚性PCB的仿真制造成本。传统设计由使用了柔性电缆和连接器的刚性板组成,而软硬结合设计嵌在软硬板上,中间有两层内置软层,整体结构是一组四层的印刷电路板。两种设计的制造成本都基于PCB制造商的报价,包括装配成本。此外,还需要加上传统设计因素中两个单独的四层电路板、连接器和电缆的成本。

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  图1:软硬结合设计和电缆连接的刚性PCB组装成本比较。

  由图中可以看出,当制造数目多于100套时,相比传统设计方案,软硬结合设计会更加省时增效。主要因为,软硬结合电路不包含任何连接器组件/电缆,不需要连接器装配。不但如此,它们性能可靠、工艺精良。而这只是冰山一角。

  有了软硬结合技术,设计师在单个封装内,无需用连接器、电线和电缆互连多个PCB.因为软硬结合板不需要电缆组装,这样就降低了总体组装消耗以及测试复杂度,这两者都有助于降低成本。此外,需要购买的组件也少了,这就减少了物料清单,从而降低了供应链风险及成本。软硬结合板使产品的维护更加方便,在整个产品生命周期中更节省成本。

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  制造、组装、测试、物流成本,对任何采用软硬结合设计技术的项目、设计和成本控制而言都是不容忽视的因素。软硬结合设计往往需要机械团队来协助柔性设计和最终产品的PCB集成。这一过程非常耗时,成本高昂,而且容易出错。

  更糟糕的是,Pcb设计工具往往忽略了软硬结合设计的折叠和装配问题。软硬结合设计要求设计师以3D思维去思考、去工作。柔性部分可以折叠、扭曲、卷起,来满足机械设计要求。但传统的PCB设计工具不支持3D电路板设计或刚性设计部分的弯曲和褶皱仿真,甚至还不支持不同层栈设计部分的定义,包括柔性设计部分。

  正因为如此,软硬结合设计师被迫手动将3D设计的刚、柔性部分转换成平面、2D的制作格式。之后,设计师还需要手动记录软性设计区域,并仔细复查确保没有元件或过孔放置在刚性和柔性之间的区域。这个过程还受许多其他规则的牵制,而这些规则中的绝大部分,PCB设计软件并不支持。

  一般情况下,与处于竞争弱势的、使用传统PCB软件设计的标准刚性PCB相比,设计软硬结合 PCB需要更多努力。幸运的是,拥有先进3D功能的现代设计工具,能够支持柔性设计部分的弯曲定义和仿真,同时支持不同设计部分、不同板层堆栈的定义。这些工具在很大程度上消除了处理柔性部分时对机械CAD工具的依赖,节省了设计师和设计团队的时间和金钱。

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  通过使用现代PCB设计工具,开发商和电路板生产商及时协调,促进了软硬结合技术的省时增效。软硬结合设计,相比传统刚性电路板和线缆设计,更需要设计师和制造商之间的紧密合作。生产成功的软硬结合板需要设计师和制造商共同开发设计规则,包括:设计中的板层数量、物料选取、过孔尺寸、粘接方式以及尺寸控制。有了合适的设计工具,就可以在设计初期进行明确定义和权衡,从而优化软硬结合板,进一步降低整体成本。

  无可否认,现在的行业发展趋势和消费需求正不断推动设计师和设计团队挑战设计极限,促使他们开发新的电子产品以应对市场挑战。这些挑战,尤其是当今移动设备的需求,推动了软硬结合技术一步步成为设计界的主流,并在广泛应用中获得更高的商业价值,特别是那些以数百套为起点的项目。现代PCB设计工具支持3D产品开发、前期合作和所有软硬结合的必要定义和仿真,大大降低了软硬结合设计的烦恼,使其解决方案更具吸引力;此外,相比电缆连接的刚性PCB设计,其价格更加便宜。对于设计团队而言,不同的选择意味着产品的成败就在一线之间。

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