微电子设计的挑战及其优势

2021-09-27

微电子设计的挑战及其优势

该微电子市场增长快速。我们将重点关注微电子设计的一些优势和挑战。为了充分利用微电子领域，公司必须确保他们适应微电子的局限性和优势。

微电子学的重要性是什么？

要充分了解微电子的优势和挑战，首先必须解决推动公司朝这个方向发展的一些因素。

可以说，这里最大的问题是消费者需求。在某些方面，这是显而易见的——想想过去 20 年手机是如何演变的，从砖块大小的盒子到我们今天所知的纤薄设备。在笔记本电脑、平板电脑等中也可以看到相同的趋势。在这些情况下，电子公司正在响应消费者对较小产品的需求。

认识到可穿戴设备和物联网的快速普及也在推动微电子设备和组件的发展，这一点也很重要。在这些情况下，不仅仅是消费者偏好导致了更小的设计。相反，一个简单的事实是，这些解决方案的存在只能归功于微电子技术的发展和使用。公司正在接触设计或制造公司，发现微电子领域的可能性，并立即相应地指导他们的努力。

物联网市场将在几年内价值数千亿美元。仅在医疗保健领域，医疗设备和可穿戴设备市场（本质上依赖于微电子）本身就价值数十亿美元。

微电子的挑战

那么微电子对于PCB设计师来说有哪些挑战呢？

随着尺寸的缩小，电路板天生就会变得更密集。设计人员需要将更多的输入/输出打包到更小的空间中，并使这个焊盘阵列尽可能靠近。这里的问题是，随着间距变得越来越紧密，走线和空间也变得越来越紧密，这给信号可靠性带来了挑战。在典型的电路板上（与微型印刷电路板相反，随着迹线变小，迹线上的信号会失去能量。这是因为一个简单的事实，即在微观层面上依赖减法电路板印刷方法时，很难确保信号的均匀轨迹。

这可能会给微电子本身带来严重的问题。也许最值得注意的是，较弱的信号强度会导致电池寿命缩短。对于各种空间中的电子产品来说，这是一个越来越重要的问题，包括上面强调的所有空间。就消费电子产品而言，对手机和其他手持设备的需求很明显，它们可以尽可能长时间地使用而无需充电。对于其他微电子问题，例如物联网传感器和植入物，充电可能不可行或不可能，因为设备本身根本无法访问。在这些情况下，令人印象深刻的电池寿命是设计成功的绝对先决条件。

任何没有完全解决增加电路板密度带来的微电子挑战的微设计都将面临无法发挥其全部潜力的风险，或者可能无法正常工作。

电池寿命是微电子设计的主要考虑因素。

另一个不太明显的，从某种意义上说，这个领域固有的技术挑战是，不断发展的微电子市场正在引导许多公司第一次努力应对这项技术。例如，一家健康科技公司可能会对利用微制造技术减少需要抽取的血液量进行测试的新设备的潜力感兴趣。然而，与苹果或三星等主要电子开发商不同，这家公司不太可能拥有自己的设计团队来开发微电子产品。相反，该公司将需要联系精通微电子技术的第三方设计或制造公司。

好消息是，微电子领域的这些挑战都不是不可克服的。

微型PCB 如何推动微电子技术向前发展

如果您需要对未来几十年电子市场将如何发展做出单一预测，那么您能做出的最安全的赌注可能是该行业正朝着微电子方向发展。毕竟，过去 20 年都是如此，而且真的没有理由认为不久的将来会有任何不同。如果有的话，这种趋势可能会加速。

我们最近介绍了微电子的当前状态，包括该技术的一些最值得注意的应用。我们还介绍了微电子设计的一些最值得注意的好处和挑战。今天，我们将仔细研究这个领域的一个更具体的部分：微型印刷电路板。微型PCB 在使微电子设计更加高效和有效方面发挥着关键作用，并开辟了以前无法实现的可能性。

克服微型PCB 挑战以获得更好的微电子

我们讨论了电子产品尺寸的缩小如何造成严重的设计困难。最值得注意的是，电路板上更紧密的走线/空间会导致信号丢失，从而导致各种问题。这包括电池寿命缩短和能源使用效率降低，这两者都会严重削弱新微电子设计的价值。

此问题的理想解决方案是使用较小的 PCB，以适应这些缩小的尺寸，而不会随后降低质量。当然，说起来容易做起来难。通常，PCB 行业向微型化的趋势是由设备设计者和制造商的需求推动的。但是，对于走线和空间的最小尺寸以及电路板本身，存在或至少已经存在限制。

然而，最近微型PCB 技术的进步使得适应这种转变成为可能。关键发展：增材工艺。

加法与减法微型PCB

直到最近，3 密耳还是 PCB 走线和空间的最小宽度。问题不在于 PCB 制造商无法生产低于此数量的生产线——而是他们无法在不牺牲一致性和准确性的情况下变小。这是微电路印刷工艺减法方法的固有问题。传统方法在如此小的尺寸下并不精确，因此，线粗总是存在一定程度的不确定性。随着电子设备和电路变得越来越小，这种精度的缺乏变得越来越成问题，也越来越难以接受。

然而，对于基于添加剂的印刷电路板工艺，情况不再如此。与去除铜（即减法工艺）不同，加法方法是在 PCB 上添加铜。这种技术要准确得多，允许制造商提供更小的跟踪空间和更大的每英寸密度，而不会遇到上面强调的信号丢失问题。这在很大程度上要归功于这样一个事实，即附加过程可以为信号传输提供普遍统一的轨迹和空间，从而减少数据损坏。

更紧密、均匀的间距允许更大的信号强度。

新的微潜力

微型PCB 生产技术的这些进步的最终结果是，设计人员和制造商在实现微电子目标方面面临的障碍更少。这为在众多空间中进行更大的创新创造了机会。

例如，考虑物联网。在许多物联网应用中，小尺寸是必不可少的。但与此同时，传感器等设备需要能够运行很长时间，而电池寿命不会成为问题。显然，前面提到的信号强度考虑因素是许多这些设计中的一个主要因素。

但这还不是全部。事实是，随着设备变得更小，生产成本会显着增加。对于公司来说，追求物联网设计的成本很快就会变得过高。

采用增材工艺的微型PCB 可以提供更高的电路板密度，在更小的空间内安装更多的组件。这大大减少了数量，这意味着生产的总成本要低得多。

现在，公司可以在知道微型PCB 生产不会成为确保其设计带来可盈利设备的障碍的情况下寻求物联网解决方案。

总而言之，微型PCB 使微电子技术的进步更容易实现，并提高了最终产品的质量，同时降低了生产成本。

未来的微型PCB

未来几年，微电子行业的所有趋势都可能继续，甚至加速发展，所有这些都将使微 PCB 制造对无数电子公司变得更加重要和重要。公司越早朝着这个方向发展，他们获得的竞争优势就越大。

即将到来的物联网趋势

物联网的一大吸引力在于它可供任何人使用。技术突破仅限于大多数行业的专业人士和专家，而物联网创造了公平的竞争环境，为初创企业和老牌企业创造了新的机会。物联网应用的形式多种多样，从复杂的高密度互连板到价格实惠的 DIY 计算机（如 Raspberry Pi）。

然而，要使这一理论成为现实，必须解决片上系统 (SoC) 的挑战。SoC 本质上是一个微芯片，其中所有重要的电路和部件都可以包含在单个芯片上，这具有明显的好处。尽管具有所有优势，SoC 是一个极其复杂的区域。几乎没有可见性，设计这些极其密集的电路并不直观或用户友好。作为爱好者，这项技术不容易自学或学习，因为它非常复杂。此外，供应商很少，而且他们倾向于与数量众多的公司合作。

这个简单的事实可能会阻止许多较小的公司追求物联网设备和应用程序，从而与物联网承诺的普遍性背道而驰。毕竟，物联网相关设备必须变得越来越小，需要更小的组件。

微型PCB 将在解决这个问题中发挥重要作用。使用微型PCB，设计可以变得更小，但不会丢失可见性——每个组件都可以封装和访问。这种较低的使用门槛至关重要，因为它有助于确保即使人员没有丰富的微电子经验的组织也能够推进该领域的设计，从而向更多企业开放物联网市场. 随着物联网市场的不断扩大，企业进入这一领域的动力将变得更大。微型PCB 将使进入这个空间成为可能。

另一个关键因素是成本。作为一般经验法则，成本随着电子产品尺寸的减小而增加。同样，对于那些渴望尝试发展中物联网市场提供的潜力的公司来说，这可能是进入的严重障碍。然而，使用微型PCB，设计人员可以减少层数。增加的密度可以将成本降低 50% 或更多。显然，这是一种极具吸引力的可能性，可能会导致微电子领域（包括但不限于物联网）更多地采用微型PCB。

上面强调的许多要点也将导致在另一个关键领域：可穿戴设备中大量采用微型PCB。该等式的一个关键因素是微型PCB 能够并且将会对可穿戴设备的电池寿命产生影响。

更强的信号强度——因此更长的电池寿命——是微型PCB 提供的最大优势之一。随着可穿戴设备变得越来越普遍，这种好处将越来越明显。随着“可穿戴设备”类别扩展到包括可植入设备，这一点将尤其明显。毕竟，植入式设备将无法充电，或者至少非常难以充电，这意味着电池寿命可能是可行性与无效之间的区别。这将使微型PCB 的使用成为几乎所有渴望在未来进入或扩展可穿戴设备领域的公司的绝对必需品。

所有这些因素都清楚地表明，虽然微型PCB 已经对微电子产生了影响，但这种影响在不久的将来可能会飙升。为了帮助您的公司更好地做好准备，请务必查看我们的下一篇博文，其中包含有关微型PCB 设计的建议。