微電子設計的挑戰及其優勢

2021-09-27

微電子設計的挑戰及其優勢

該微電子市場增長快速。我們將重點關注微電子設計的一些優勢和挑戰。為了充分利用微電子領域，公司必須確保他們適應微電子的局限性和優勢。

微電子學的重要性是什么？

要充分了解微電子的優勢和挑戰，首先必須解決推動公司朝這個方向發展的一些因素。

可以說，這里最大的問題是消費者需求。在某些方面，這是顯而易見的——想想過去 20 年手機是如何演變的，從磚塊大小的盒子到我們今天所知的纖薄設備。在筆記本電腦、平板電腦等中也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品的需求。

認識到可穿戴設備和物聯網的快速普及也在推動微電子設備和組件的發展，這一點也很重要。在這些情況下，不僅僅是消費者偏好導致了更小的設計。相反，一個簡單的事實是，這些解決方案的存在只能歸功于微電子技術的發展和使用。公司正在接觸設計或制造公司，發現微電子領域的可能性，并立即相應地指導他們的努力。

物聯網市場將在幾年內價值數千億美元。僅在醫療保健領域，醫療設備和可穿戴設備市場（本質上依賴于微電子）本身就價值數十億美元。

微電子的挑戰

那么微電子對于PCB設計師來說有哪些挑戰呢？

隨著尺寸的縮小，電路板天生就會變得更密集。設計人員需要將更多的輸入/輸出打包到更小的空間中，并使這個焊盤陣列盡可能靠近。這里的問題是，隨著間距變得越來越緊密，走線和空間也變得越來越緊密，這給信號可靠性帶來了挑戰。在典型的電路板上（與微型印刷電路板相反，隨著跡線變小，跡線上的信號會失去能量。這是因為一個簡單的事實，即在微觀層面上依賴減法電路板印刷方法時，很難確保信號的均勻軌跡。

這可能會給微電子本身帶來嚴重的問題。也許最值得注意的是，較弱的信號強度會導致電池壽命縮短。對于各種空間中的電子產品來說，這是一個越來越重要的問題，包括上面強調的所有空間。就消費電子產品而言，對手機和其他手持設備的需求很明顯，它們可以盡可能長時間地使用而無需充電。對于其他微電子問題，例如物聯網傳感器和植入物，充電可能不可行或不可能，因為設備本身根本無法訪問。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先決條件。

任何沒有完全解決增加電路板密度帶來的微電子挑戰的微設計都將面臨無法發揮其全部潛力的風險，或者可能無法正常工作。

電池壽命是微電子設計的主要考慮因素。

另一個不太明顯的，從某種意義上說，這個領域固有的技術挑戰是，不斷發展的微電子市場正在引導許多公司第一次努力應對這項技術。例如，一家健康科技公司可能會對利用微制造技術減少需要抽取的血液量進行測試的新設備的潛力感興趣。然而，與蘋果或三星等主要電子開發商不同，這家公司不太可能擁有自己的設計團隊來開發微電子產品。相反，該公司將需要聯系精通微電子技術的第三方設計或制造公司。

好消息是，微電子領域的這些挑戰都不是不可克服的。

微型PCB 如何推動微電子技術向前發展

如果您需要對未來幾十年電子市場將如何發展做出單一預測，那么您能做出的最安全的賭注可能是該行業正朝著微電子方向發展。畢竟，過去 20 年都是如此，而且真的沒有理由認為不久的將來會有任何不同。如果有的話，這種趨勢可能會加速。

我們最近介紹了微電子的當前狀態，包括該技術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領域的一個更具體的部分：微型印刷電路板。微型PCB 在使微電子設計更加高效和有效方面發揮著關鍵作用，并開辟了以前無法實現的可能性。

克服微型PCB 挑戰以獲得更好的微電子

我們討論了電子產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/空間會導致信號丟失，從而導致各種問題。這包括電池壽命縮短和能源使用效率降低，這兩者都會嚴重削弱新微電子設計的價值。

此問題的理想解決方案是使用較小的 PCB，以適應這些縮小的尺寸，而不會隨后降低質量。當然，說起來容易做起來難。通常，PCB 行業向微型化的趨勢是由設備設計者和制造商的需求推動的。但是，對于走線和空間的最小尺寸以及電路板本身，存在或至少已經存在限制。

然而，最近微型PCB 技術的進步使得適應這種轉變成為可能。關鍵發展：增材工藝。

加法與減法微型PCB

直到最近，3 密耳還是 PCB 走線和空間的最小寬度。問題不在于 PCB 制造商無法生產低于此數量的生產線——而是他們無法在不犧牲一致性和準確性的情況下變小。這是微電路印刷工藝減法方法的固有問題。傳統方法在如此小的尺寸下并不精確，因此，線粗總是存在一定程度的不確定性。隨著電子設備和電路變得越來越小，這種精度的缺乏變得越來越成問題，也越來越難以接受。

然而，對于基于添加劑的印刷電路板工藝，情況不再如此。與去除銅（即減法工藝）不同，加法方法是在 PCB 上添加銅。這種技術要準確得多，允許制造商提供更小的跟蹤空間和更大的每英寸密度，而不會遇到上面強調的信號丟失問題。這在很大程度上要歸功于這樣一個事實，即附加過程可以為信號傳輸提供普遍統一的軌跡和空間，從而減少數據損壞。

更緊密、均勻的間距允許更大的信號強度。

新的微潛力

微型PCB 生產技術的這些進步的最終結果是，設計人員和制造商在實現微電子目標方面面臨的障礙更少。這為在眾多空間中進行更大的創新創造了機會。

例如，考慮物聯網。在許多物聯網應用中，小尺寸是必不可少的。但與此同時，傳感器等設備需要能夠運行很長時間，而電池壽命不會成為問題。顯然，前面提到的信號強度考慮因素是許多這些設計中的一個主要因素。

但這還不是全部。事實是，隨著設備變得更小，生產成本會顯著增加。對于公司來說，追求物聯網設計的成本很快就會變得過高。

采用增材工藝的微型PCB 可以提供更高的電路板密度，在更小的空間內安裝更多的組件。這大大減少了數量，這意味著生產的總成本要低得多。

現在，公司可以在知道微型PCB 生產不會成為確保其設計帶來可盈利設備的障礙的情況下尋求物聯網解決方案。

總而言之，微型PCB 使微電子技術的進步更容易實現，并提高了最終產品的質量，同時降低了生產成本。

未來的微型PCB

未來幾年，微電子行業的所有趨勢都可能繼續，甚至加速發展，所有這些都將使微 PCB 制造對無數電子公司變得更加重要和重要。公司越早朝著這個方向發展，他們獲得的競爭優勢就越大。

即將到來的物聯網趨勢

物聯網的一大吸引力在于它可供任何人使用。技術突破僅限于大多數行業的專業人士和專家，而物聯網創造了公平的競爭環境，為初創企業和老牌企業創造了新的機會。物聯網應用的形式多種多樣，從復雜的高密度互連板到價格實惠的 DIY 計算機（如 Raspberry Pi）。

然而，要使這一理論成為現實，必須解決片上系統 (SoC) 的挑戰。SoC 本質上是一個微芯片，其中所有重要的電路和部件都可以包含在單個芯片上，這具有明顯的好處。盡管具有所有優勢，SoC 是一個極其復雜的區域。幾乎沒有可見性，設計這些極其密集的電路并不直觀或用戶友好。作為愛好者，這項技術不容易自學或學習，因為它非常復雜。此外，供應商很少，而且他們傾向于與數量眾多的公司合作。

這個簡單的事實可能會阻止許多較小的公司追求物聯網設備和應用程序，從而與物聯網承諾的普遍性背道而馳。畢竟，物聯網相關設備必須變得越來越小，需要更小的組件。

微型PCB 將在解決這個問題中發揮重要作用。使用微型PCB，設計可以變得更小，但不會丟失可見性——每個組件都可以封裝和訪問。這種較低的使用門檻至關重要，因為它有助于確保即使人員沒有豐富的微電子經驗的組織也能夠推進該領域的設計，從而向更多企業開放物聯網市場. 隨著物聯網市場的不斷擴大，企業進入這一領域的動力將變得更大。微型PCB 將使進入這個空間成為可能。

另一個關鍵因素是成本。作為一般經驗法則，成本隨著電子產品尺寸的減小而增加。同樣，對于那些渴望嘗試發展中物聯網市場提供的潛力的公司來說，這可能是進入的嚴重障礙。然而，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，可能會導致微電子領域（包括但不限于物聯網）更多地采用微型PCB。

上面強調的許多要點也將導致在另一個關鍵領域：可穿戴設備中大量采用微型PCB。該等式的一個關鍵因素是微型PCB 能夠并且將會對可穿戴設備的電池壽命產生影響。

更強的信號強度——因此更長的電池壽命——是微型PCB 提供的最大優勢之一。隨著可穿戴設備變得越來越普遍，這種好處將越來越明顯。隨著“可穿戴設備”類別擴展到包括可植入設備，這一點將尤其明顯。畢竟，植入式設備將無法充電，或者至少非常難以充電，這意味著電池壽命可能是可行性與無效之間的區別。這將使微型PCB 的使用成為幾乎所有渴望在未來進入或擴展可穿戴設備領域的公司的絕對必需品。

所有這些因素都清楚地表明，雖然微型PCB 已經對微電子產生了影響，但這種影響在不久的將來可能會飆升。為了幫助您的公司更好地做好準備，請務必查看我們的下一篇博文，其中包含有關微型PCB 設計的建議。