Top 6 cách sử dụng 3D layout giúp tối ưu hóa Thiết kế hệ thống PCB

Giới thiệu

Với bố cục PCB phức tạp ngày nay, thiết kế 2D đã không còn đủ khả năng đáp ứng. Các thiết kế Flex và rigid-flex, cũng như nhu cầu cộng tác ngày càng tăng với MCAD, yêu cầu khả năng thiết kế bố cục 3D tiên tiến để giúp giải quyết đầy đủ các thách thức. Ví dụ: Để đảm bảo không có vi phạm vật lý nào xảy ra khi PCB được đặt trong vỏ bọc hoặc hệ thống, đặc biệt là khi thiết kế uốn cong, thiết kế điện và cơ khí phải tính đến các khoảng hở cơ khí và linh kiện. Không có cách nào tốt hơn để làm điều đó với bố cục 3D tiên tiến.

Bằng cách xem xét các yêu cầu cơ học trong quá trình bố cục và đảm bảo giao tiếp hiệu quả giữa phần điện và cơ, thiết kế được căn chỉnh chính xác cho sản xuất, tránh những thay đổi vào phút cuối gây tốn kém thời gian và tiền bạc.

Với bố cục 3D tiên tiến, nhà thiết kế PCB có thể tham gia nhiều hơn và có khả năng quan sát rõ hơn về khía cạnh cơ học của thiết kế, cho phép họ đặt và định tuyến các thành phần trong khi tuân thủ các yêu cầu cơ học. Thiết kế 3D không thay thế việc giao tiếp với các kỹ sư MCAD, nhưng nó cải thiện và rút ngắn chu trình thiết kế bằng cách giảm số lần lặp lại.

6 cách sử dụng 3D layout giúp tối ưu hóa thiết kế PCB

1. Sử dụng 3D layout để xem, bố cục và hơn thế nữa

       Bố cục 3D tiên tiến cho phép xác định ngay các khu vực quan trọng trong thiết kế PCB, cho phép các kỹ sư giải quyết các vấn đề cơ – điện một cách nhanh chóng. Phát hiện sớm các khu vực có vấn đề, trong giai đoạn thiết kế, giúp loại bỏ những thay đổi tốn kém vào phút cuối mà nếu không có thể không tìm thấy cho đến khi nhóm CAD cơ khí tìm thấy chúng trong thiết kế hoàn chỉnh hoặc tệ hơn là cho đến khi sản xuất.

       Các nhà thiết kế thường muốn xem xét các lớp bên trong để xác định các padstacks không hoạt động và các lớp phẳng bên trong. Khả năng chia tỷ lệ độ dày của bo mạch và cung cấp các vết cắt theo hướng X, Y và Z (hình 1) sẽ ngay lập tức làm nổi bật các vấn đề thiết kế tiềm ẩn.

       Xem 3D không chỉ là giải thích thông tin 2D; đó là một cái nhìn chân thực về cách thiết kế sẽ được chế tạo, cung cấp hình ảnh trực quan vượt trội về các cấu trúc phức tạp. Việc có các biện pháp kiểm soát là vô cùng hữu ích, bao gồm cả độ trong suốt, đối với các thành phần bo mạch như Traces, Components, Silkscreen, Solder Mask và Vias. Sử dụng các điều khiển để tìm xung đột cơ – điện một cách trực quan cái sẽ khó xác định trong chế độ xem 2D trước khi chạy kiểm tra quy tắc thiết kế từ sản xuất.

       Với chế độ xem 3D tích hợp của bố cục, các nhà thiết kế và kỹ sư có thể ngay lập tức xác thực các thiết kế PCB để xác định các khu vực ràng buộc thừa và thiếu trong thiết kế, từ đó giải phóng không gian và giảm các sự cố tiềm ẩn về điện.

       Chiến lược vị trí, có sẵn trong một số công cụ thiết kế, có thể giúp giảm diện tích bo mạch và giảm số lượng lớp. Một cách tốt để xem xét các chiến lược vị trí là sử dụng các nhóm vị trí 3D. Các nhóm như vậy cho phép xác định nhanh không gian X, Y và Z tối thiểu được yêu cầu khi tất cả các thành phần được định vị.

Hình 1: Hiển thị PCB theo các trục X, Y và Z.	Hình 2: Trực quan hóa traces (trên cùng bên trái), silkscreen and solder mask (trên cùng bên phải), copper information (dưới cùng bên trái) and internal layers (dưới cùng bên phải).

2. Thêm các linh kiện 3D một cách nhanh chóng và dễ dàng

       Các thư viện 3D rất cần thiết đối với thiết kế 3D. Mặc dù có thể dễ dàng tạo các linh kiện 2D bằng trình wizards, nhưng việc tạo các linh kiện 3D và các thành phần cơ khí lại là một câu chuyện khác. Nó thường yêu cầu một kỹ sư cơ khí vẽ thành phần trong một hệ thống như Creo® Parametric™ hoặc SolidWorks® và thêm nó vào thư viện bộ phận. Nhiệm vụ này yêu cầu kiến thức CAD và giấy phép công cụ không phải lúc nào cũng có sẵn cho các nhà thiết kế PCB riêng lẻ hoặc các nhóm nhỏ.

       Một giải pháp thay thế dễ dàng là nhập các mô hình STEP từ trang web của nhà cung cấp. Sau khi tải xuống và nhập tệp STEP vào trong thư viện thành phần cần được ánh xạ để làm cho nó có sẵn và dễ dàng truy cập trong các thiết kế trong tương lai.

3. Thiết lập ràng buộc và khoảng trống 3D

       Để tự tin thiết kế bố cục theo các yêu cầu cơ học, việc thiết lập các ràng buộc 3D trong bố cục là vô cùng hữu ích. Để tối đa hóa hiệu quả công việc, hãy xác định các ràng buộc 3D trong cùng một môi trường được sử dụng cho các ràng buộc thiết kế còn lại. Các ràng buộc có thể được thiết lập cho các đối tượng tiêu chuẩn như cạnh bo mạch, mẫu linh kiện và các đối tượng cơ học. Dấu chân linh kiện cụ thể cũng có thể được ghi đè.

       Dựa trên các ràng buộc 3D đã xác định, DRC trực tuyến sẽ cung cấp phản hồi đồ họa để hiển thị mọi vi phạm các ràng buộc trong quá trình định vị linh kiện. Điều này, cùng với một loạt DRC của toàn bộ bo mạch, giúp thiết kế một cách tự tin và đảm bảo các ràng buộc thiết kế luôn được đáp ứng.

4. Giao tiếp với MCAD

       Giao tiếp và cộng tác với MCAD là một khả năng khác mà bố cục 3D có thể tạo ra sự khác biệt lớn. Có hai thách thức lớn khi cộng tác với MCAD: định dạng giao tiếp thực tế và để PCB tuân thủ các yêu cầu cơ học càng sớm càng tốt để tránh những thay đổi trong các giai đoạn sau của chu kỳ thiết kế. Một công cụ thiết kế PCB giải quyết được cả hai thách thức này có thể tạo ra sự khác biệt lớn về hiệu quả giao tiếp với MCAD.

      Hiện nay, nhiều công ty vẫn sử dụng Định dạng dữ liệu trung gian (IDF) để truyền thông tin giữa các hệ thống điện và cơ khí. Việc sử dụng truyền tệp tĩnh của toàn bộ cơ sở dữ liệu khiến việc xác định các thay đổi trở nên khó khăn và thường đòi hỏi nhiều thời gian tài liệu hơn. Thông tin thiết kế bị thiếu hoặc bị bỏ sót sẽ làm tăng thời gian thiết kế PCB tổng thể.

       Công cụ cộng tác ECAD/MCAD tích hợp cho phép cả nhà thiết kế và kỹ sư MCAD được đồng bộ hóa hoàn toàn. Các vấn đề trong giao tiếp có thể được xác định dễ dàng và cộng tác hiệu quả trên các mục thiết kế quan trọng trên các miền đảm bảo mục đích thiết kế được giữ nguyên. Từ đó sẽ giúp giảm nguyên mẫu và thiết kế mạnh mẽ hơn để đưa ra thị trường nhanh hơn và với chi phí thấp hơn.       Tính khả dụng của tính năng xem và chỉnh sửa 3D tích hợp trong quá trình thiết kế PCB cho phép các nhà thiết kế xem xét các yêu cầu cơ học ngay từ đầu. Với những khả năng này, PCB được chuẩn bị tốt hơn và ít yêu cầu thay đổi hơn khi đến tay kỹ sư cơ khí. Giao tiếp với kỹ sư cơ khí sẽ hiệu quả hơn và mất ít thời gian hơn.

5. Cải thiện thiết kế uốn cong với bố cục 3D tiên tiến

       Thiết kế Flex giới thiệu một loạt khó khăn mới cho nhà thiết kế PCB. Việc thiết kế Stackup khó khăn hơn, định tuyến có thể hoàn toàn khác và thậm chí các vấn đề về tính toàn vẹn của tín hiệu và năng lượng cũng khó khăn hơn. Advanced 3D và khả năng đo ở chế độ 3D nơi có các cụm lắp ráp bị uốn cong hoặc gập lại, giúp xem liệu đầu nối trên cáp mềm có trượt mục tiêu hay không và nếu có thì bao nhiêu. Biết điều này giúp bạn dễ dàng điều chỉnh vị trí kinh kiện hoặc độ dài cáp uốn.

       Khả năng xuất mô hình 3D của tổ hợp Flex-Rigid uốn cong cũng rất quan trọng, cho phép nhóm thiết kế cơ khí nhập PCB và sử dụng nó trong môi trường thiết kế 3D của họ.

6. Giúp nhà sản xuất nắm bắt ý định thiết kế với 3D PDF

      Trước khi gửi bố cục đã hoàn thành cho nhà sản xuất, việc xuất báo cáo 3D PDF của thiết kế sẽ rất hữu ích. Hầu hết các công cụ đều có tùy chọn xuất STEP nhưng không phải ai cũng có thể mở tệp STEP, vì vậy PDF dễ tiếp cận hơn.

       Báo cáo 3D PDF có thể hữu ích cho các mục đích báo cáo và lập tài liệu nhưng mục đích chính của nó là giúp các nhà sản xuất hiểu rõ hơn về thiết kế và sẽ sản xuất chính xác.

Kết luận

       Khả năng bố cục 3D nâng cao có thể rất có lợi khi chúng được tích hợp tốt trong công cụ thiết kế PCB. Khả năng xem và hiểu thông tin từ chiều thứ ba giúp thiết kế bố cục tốt hơn ngay từ đầu, cả về mặt điện tử và cơ học. Với thiết kế 3D, nhà thiết kế có nhiều quyền kiểm soát hơn đối với ý định thiết kế, giao tiếp tốt hơn với các kỹ sư cơ khí và cuối cùng là thiết kế PCB chất lượng cao hơn.

       Bố cục 3D nâng cao trong Xpedition® cung cấp khả năng trực quan hóa và xác thực các thiết kế PCB như thể chúng đã được sản xuất. Với Xpedition, các nhà thiết kế và kỹ sư có thể dễ dàng hiểu được sản phẩm vật lý, cho phép xác định sớm các vấn đề cơ-điện trong chu kỳ thiết kế và tránh thiết kế lại tốn kém. Chế độ xem hình ảnh thực tế hoàn chỉnh của tất cả các thành phần bo mạch cũng giúp giải quyết các thách thức về thiết kế uốn cong. 

      Xpedition cũng bao gồm một thư viện 3D gồm 4,8 triệu linh kiện, cho phép xác thực các thiết kế PCB phức tạp với các ràng buộc cơ học nghiêm ngặt. Môi trường bố cục 3D hỗ trợ cộng tác thời gian thực trong hệ thống MCAD, cho phép người dùng ECAD/MCAD thương lượng các thay đổi trong lĩnh vực điện và cơ khí.