技術(shù)工程師分享：為何PCB設計需要3D功能?

　　設計和建造下一代電子產(chǎn)品是一個(gè)復雜的過(guò)程，特別是電子行業(yè)這樣一個(gè)全球高度競爭的行業(yè)，在這個(gè)行業(yè)中快速而持續的技術(shù)變革已成為一件普通的事情和創(chuàng )新規則。如果設計者不能接受這些變化，就會(huì )面臨被競爭對手甩在身后的風(fēng)險，甚至完全無(wú)法再加入競爭。對于印刷電路板（PCB）設計而言，這種形勢尤為明顯。在這個(gè)市場(chǎng)中，消費者更希望得到體積更小、價(jià)格更低、速度更快和功能更多的電子產(chǎn)品，再加上不斷縮短的設計周期以及在地理上分散的設計團隊，正在不斷推進(jìn)設計的復雜性，并將傳統的設計工具的使用推向其極限水平。網(wǎng)絡(luò )數量的增加、更嚴格的設計約束和布線(xiàn)密度，以及向高速度、高密度項目的逐步遷移，進(jìn)一步加劇了PCB復雜性。這種趨勢正在影響這個(gè)產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，而不僅僅是高端消費電子產(chǎn)品。

　　幸運的是，PCB設計工具近年來(lái)已得到穩步發(fā)展，以應對這種日漸復雜的設計領(lǐng)域所帶來(lái)的挑戰。一項重大改變——3D功能的采用，有望使設計者可以兼顧設計創(chuàng )新和全球市場(chǎng)的競爭力。

　　在3D世界中設計所面臨的挑戰

　　傳統上，電路板設計者都依賴(lài)于設計樣機，以便在制造前確保設計的形狀、適配度和功能性。雖然可行，但這種方法有許多缺點(diǎn)。首先，在制造出實(shí)際樣機之前設計者不能確定電路板是否適合。其次，這種方法一般會(huì )導致設計過(guò)程中需要多次制作樣機。再有，多次樣機非常耗費時(shí)間，而且對于一項中度復雜的設計樣機的平均成本為8，929美元。在設計過(guò)程中的任何額外時(shí)間或費用的增加，不僅會(huì )影響一個(gè)公司的競爭力，也會(huì )阻礙我們向新業(yè)務(wù)的進(jìn)軍，這就不難理解為何這種方法不受歡迎了。

　　另一個(gè)缺陷是PCB設計傳統上是二維設計?；旧?，設計都是以2D方式創(chuàng )建的，經(jīng)過(guò)手工標注后，傳遞給機械設計工程師。機械工程師采用機械CAD軟件對設計進(jìn)行3D重繪。由于完全是手動(dòng)操作，這種方法非常耗時(shí)，且容易出錯。所以，它無(wú)法為設計下一代電子產(chǎn)品提供有競爭力的差異性?，F在問(wèn)題很明顯了，電路板設計者需要找到更好的方法來(lái)查看和分析他們日漸復雜的設計。

　　PCB設計者的最終目的是為真實(shí)世界（具有3個(gè)維度）創(chuàng )造產(chǎn)品，因此最佳的解決方法就是使用一種具有先進(jìn)的3D功能的設計工具。它可讓設計者在生產(chǎn)之前就能夠查看設計真實(shí)的3D圖像，不再需要制作樣機，節省時(shí)間和資金（圖1）?？梢暂p松地生成準確的3D模型，然后把它們用于在真實(shí)的3D中進(jìn)行電路板布局。此外，還可將目標外殼的3D模型導入到PCB設計中，確保設計出來(lái)的電路板能夠完美地放置到這個(gè)殼體中。最后，設計者能夠滿(mǎn)懷信心地提交他們的設計文件用于生產(chǎn)了。

　　圖1.通過(guò)對設計的3D視覺(jué)化，設計者能夠以3D的形式對一項設計的內外各個(gè)方面進(jìn)行檢查。

　　3D導出功能提供給設計者在其他分析工具中進(jìn)行進(jìn)一步分析的能力，比如散熱分析和電磁仿真分析。對于如今每種使用無(wú)線(xiàn)連接的、緊湊型電池供電設備，散熱效果完全取決于電路板形狀，這個(gè)功能極為關(guān)鍵。由于這些功能，PCB設計工具中的3D功能對于快速、準確而低成本設計下一代電子產(chǎn)品是絕對是必不可少的。

　　你我需要：全3D功能

　　PCB設計中添加3D功能的價(jià)值是無(wú)可否認的，因此許多公司目前均以能夠提供此功能作為一個(gè)宣傳點(diǎn)。但是，這些設計工具提供的3D功能是大不相同的。為了發(fā)揮3D的全部好處，僅僅實(shí)現真實(shí)3D圖像的查看是不夠的，還要擴展到全3D的功能，包括：

　　●為設計創(chuàng )建3D動(dòng)畫(huà)/視頻的能力。通過(guò)此功能，設計者能夠輕松分享、展示他的產(chǎn)品設計，甚至還可以把它們作為營(yíng)銷(xiāo)用的資料。它還能夠促進(jìn)與其它設計團隊或制造商的更好的合作。比如，通過(guò)一段3D視頻，設計者可以向制造商展示完成裝配后產(chǎn)品的樣子，視頻還可以用于說(shuō)明元器件在電路板上的焊裝順序。

　　●將3D模型（包括元器件）導入電路板設計中的能力。請注意，一些設計工具缺乏此項功能，僅允許設計者以2D形式執行基本可視化和元件間隙檢查。但是，如果能夠導入外殼及其它機械物體，就可以保證第一時(shí)間把元器件放在合適的位置。

　　●在設計規則中支持3D檢查的能力。由于規則就是設計過(guò)程中的實(shí)時(shí)指南，所以這是一項非常重要的功能。3D的設計規則檢驗器可告訴設計者，兩個(gè)元器件之間、元器件與外殼之間或者元器件與散熱器之間，在3D空間內（所有軸上）是否存在干擾。

　　●對PCB內層結構中的銅層建模的能力。盡管使用具有3D功能的ECAD包，在制造過(guò)程中仍有可能會(huì )出現問(wèn)題。在設計后期這種階段才發(fā)現問(wèn)題，會(huì )大大增加成本。對PCB內層結構中的銅層建模能力，讓設計者能夠輕松查看和檢驗管腳與內層的連接或者熱連接（thermal reliefs）。

　　以3D形式進(jìn)行設計帶來(lái)的好處

　　以3D形式進(jìn)行設計可為您帶來(lái)許多益處。它可以把MCAD與ECAD迭代循環(huán)減至一個(gè)循環(huán)（某些情況下為零），從而縮短設計周期，而且最大程度地減少設計錯誤，從而大大提高生產(chǎn)效率。而且，通過(guò)消除電路板布局與外殼相適配的不確定性，能夠讓設計者安心地將精力放到產(chǎn)品美觀(guān)性的設計上。

　　3D設計的其它好處有：

　　●競爭優(yōu)勢。通過(guò)在一個(gè)組織內以及供應商和客戶(hù)之間改進(jìn)溝通，3D設計可加快產(chǎn)品設計速度，讓制造流程更加合理高效，并加速產(chǎn)品的推廣。設計成本降低，利潤率提高，同時(shí)上市時(shí)間的提前和產(chǎn)品質(zhì)量的提升意味著(zhù)收益的增加。

　　●提升全球合作。一個(gè)真實(shí)的3D設計圖像可以提高同供應商、客戶(hù)以及制造商的溝通效率。它甚至允許非CAD人員參與到這個(gè)過(guò)程中來(lái)（比如，應用于客戶(hù)問(wèn)卷調查、明確說(shuō)明或產(chǎn)品配置）。這對于目前許多公司都傾向于外部生產(chǎn)（在中國或本地）的情況下尤為重要。不論設計意圖或所需最終產(chǎn)品為何，全球性的設計和制造極其容易引入錯無(wú)和誤解。而3D設計圖像可提供通用的、易于理解、所有團隊成員均能操作的平臺。

　　●更高效的設計審核和修改。創(chuàng )建3D渲染和動(dòng)畫(huà)的能力簡(jiǎn)化了編寫(xiě)設計方案以及在設計團隊成員中審核設計等工作。它還允許設計者輕松實(shí)施修改并更新最新的設計改動(dòng)。比如，一旦完成改動(dòng)或修改，即可以輕松地生成一個(gè)新的3D渲染或動(dòng)畫(huà)。

　　●更高效的制造和裝配過(guò)程。3D模型提供了一個(gè)通用的基礎，制造商能夠利用它來(lái)工作，同時(shí)也能夠更準確而明晰地傳達設計意圖及相關(guān)設計細節。以前只有生產(chǎn)后才能發(fā)現的錯誤可以在設計過(guò)程中就能及早被發(fā)現。因此，采用3D模型來(lái)制造和裝配產(chǎn)品會(huì )要準確、更高效。

　　●促進(jìn)銷(xiāo)售，推動(dòng)營(yíng)銷(xiāo)。產(chǎn)品的3D模型可成為一種寶貴的營(yíng)銷(xiāo)工具，它可以在生產(chǎn)出產(chǎn)品之前讓客戶(hù)看到產(chǎn)品的全貌，所以銷(xiāo)售部門(mén)可以快速地做出市場(chǎng)評估報告，從而幫助我們帶來(lái)額外的收益。

　　結論

　　多年來(lái)，實(shí)時(shí)3D圖形技術(shù)已經(jīng)徹底地改變了社會(huì )與計算機的互動(dòng)方式。通過(guò)3D PCB設計工具，這種變革目前已來(lái)到PCB設計領(lǐng)域。它正在改變電子產(chǎn)品的設計與制造方法。然而，與任何新技術(shù)或方法一樣，找到最佳的實(shí)施和使用方式是非常重要的。對于希望從3D中獲益的PCB設計者，這意味著(zhù)要選擇一種能夠提供全3D功能的軟件方案。這種方案提供了電路板設計者所需要的、能夠幫助他們在日趨復雜的設計環(huán)境中創(chuàng )建出具有競爭力的下一代電子產(chǎn)品的功能。