PCB機械集成的發(fā)展方向.第1部分

當你開(kāi)始使用電子產(chǎn)品時(shí)，你不必擔心你正在開(kāi)發(fā)的電路板的“實(shí)用”方面：你正在快速開(kāi)發(fā)一個(gè)電路板，因為你必須先制作一個(gè)電路板，然后再開(kāi)發(fā)PCB。然而，在大學(xué)培訓中，人們很快意識到，尤其是通過(guò)項目，部件的放置在電子裝配的正確運行中起著(zhù)關(guān)鍵作用（在這項任務(wù)中，示意圖可以起到幫助作用），而且，如果一個(gè)人至少有一點(diǎn)實(shí)際意義（跟蹤學(xué)生項目的經(jīng)驗表明情況并非總是如此……），那么通常必須將連接器放置在 one在印刷電路板的邊緣?。?！

使用傳統制造步驟（透明膠片印刷、平板日曬、曝光、高氯化鐵蝕刻、丙酮清漆去除、最終鍍錫、鉆孔、部件釬焊等）手工制作原型的時(shí)間，沉淀可能會(huì )忘記機械固定卡的固定孔（例如然而，在大多數情況下，卡的外部連接通常是用焊接在卡上的多股鋼絲進(jìn)行的，這導致了許多剪切/切割問(wèn)題和巨大的挫折感：最初是“漂亮”的卡，最后，我們得到了一盤(pán)特別無(wú)味的意大利面圖1 ).

圖1.“意大利面”裝置示例

由于原型可以通過(guò)低成本的池服務(wù)制造，并且具有值得專(zhuān)業(yè)成就的質(zhì)量（節省的清漆、金屬化的孔，有時(shí)甚至帶有ENIG飾面），因此產(chǎn)生這種結果是非常不幸的，尤其是在現代計算機技術(shù)的幫助下，電子設計與機械設計相結合 [1]環(huán)境中的一個(gè)（或多個(gè)PCB）（或多或少復雜的外殼）。

• 組件的三維模型與其物理指紋的關(guān)聯(lián)；

• 在PCB的布局/布線(xiàn)部分考慮機械集成（碰撞）的具體規則；

• 回到?層堆棧管理器?考慮到電介質(zhì)厚度對于獲得電路的正確三維模型以將其集成到復雜系統中的重要性；

• 在一個(gè)項目中添加多個(gè)三維模型，包括不同的PCB，但也包括外殼元件甚至其他機械部件；

• 與機械CAD（MCAD）工具的接口。

為了說(shuō)明這些文章，我們將以一個(gè)模塊化設計的電力電子轉換器項目為基礎，該項目實(shí)現的PCB數量相對較大，幾何/熱約束嚴重。我們將不再討論對文章中已經(jīng)討論過(guò)的柔性元件（剛性-柔性電路）的考慮。設計和制造應力（第4部分） ?.

在“物理封裝外形側”元件庫中，基本上需要找到元件的二維描述，該二維描述包含不同的層，這些層對PCB本身的描述有用（默認情況下，元件位于PCB頂部）：

• 頂部（頂層)et底部(底層 ),

• “Soldermask”層（頂層阻焊層可能的話(huà)底部焊料）為了讓銅島裸露，

• “粘貼”沙發(fā)(頂部粘貼默認情況下），用于制作重熔過(guò)程中使用的釬焊膏沉積所需的模板（模具），

• 絲網(wǎng)印刷層（絲印層默認設置）

當然，在將組件放置在地圖上時(shí)，可以使用鍵盤(pán)快捷鍵“L”（表示層）反轉默認層，以便將最初放置在頂部的組件切換到底部。

圖2：PCB中的機械集成：最大高度（A）和元件間“3D碰撞”規則（B）

圖2：部件間最大高度（A）和“3D碰撞”規則（B）

所有這些分層元素基本上都是“2D”的，不能完全解釋電路板上一個(gè)組件的擁擠程度：如果對電路板表面的其他組件有很好的了解，那么就缺少高度信息（以及相關(guān)的基本規則–cf。

圖2（a）：對于復雜的3D對象，如果可用空間足夠（例如連接器），則評估將組件放置在對象某些元素下方的可能性。

圖2（b）：1這些3D支持功能在A(yíng)ltium Designer的組件和PCB級別上都可用，組件模型的集成可以通過(guò)以下段落中討論的不同方法進(jìn)行。

將三維模型與零部件關(guān)聯(lián)的最簡(jiǎn)單方法是使用“基本體”。對于簡(jiǎn)單部件，如表面安裝的MLCC型電容器（多層陶瓷電容器）這是最快的解決方案，因為3個(gè)矩形平行六面體足以獲得令人滿(mǎn)意的結果（見(jiàn)。圖3 ).

圖3.PCB中的機械集成：表面安裝陶瓷電容器（MLCC）的三維建模（3個(gè)“擠出”型原語(yǔ)-并置）

• 可以使用命令訪(fǎng)問(wèn)“高程”下可用的基本體放置>拉伸三維實(shí)體，因為默認情況下，這些對象本質(zhì)上是棱柱形的，因此需要繪制多邊形基礎。我們可以看到圖3 "Let" is the key to success屬性?提供3種類(lèi)型的3D模型（非模型）通用下一段將討論誰(shuí)：

• 擠壓因此，這是默認模型，對于繪制矩形平行六面體（通常是CMS型無(wú)源元件）非常有用，

• 圓柱例如，可以用來(lái)模擬電解鋁電容器，

• 球體，我個(gè)人從來(lái)沒(méi)有用過(guò)，但是…你知道嗎？？

對于更復雜的三維模型，可以使用STEP文件：

• 使用機械CAD工具自行開(kāi)發(fā)，

• 從制造商的網(wǎng)站或合作網(wǎng)站檢索。

在任何情況下，只需定義三維模型輪廓（與基本體相同），然后選擇?通用?在窗戶(hù)里?屬性?然后選擇STEP模板文件（參見(jiàn)。圖4頁(yè)：1您也可以使用以下命令直接訪(fǎng)問(wèn)此選項：位置>三維實(shí)體歐萊德放置>拉伸三維實(shí)體 .

圖4.PCB中的機械集成：使用用于天線(xiàn)的U.FL型CMS連接器的STEP模型（2D俯視圖和3D俯視圖）

圖4.使用U.FL型CMS天線(xiàn)連接器的STEP模型（2D俯視圖和3D俯視圖）

越來(lái)越多的制造商為用戶(hù)提供其產(chǎn)品的三維模型，尤其是連接器。其中包括：

• 莫仕

• 樣品

• 兩性酚（其產(chǎn)品-通過(guò)第三方網(wǎng)站-超出連接器，如電位計等）

• 等

某些型號可參數化，如某些SAMTEC產(chǎn)品線(xiàn)（圖5）在某些情況下，還提供物理指紋。有這種幫助總是很有趣的，因為創(chuàng )建一個(gè)包含3D模型的物理足跡是耗時(shí)的。

圖5.機械集成：PCB連接器制造商網(wǎng)站上提供的示例數據（來(lái)源：SAMTEC）

對于許多組件，即使是簡(jiǎn)單的組件（如CMS外殼電阻器），擁有這些資源也很有用，但在制造商的網(wǎng)站上（至少目前）沒(méi)有。然而，這些資源存在于與機械CAD工具相關(guān)的協(xié)作網(wǎng)站上，這些工具免費提供其他用戶(hù)在線(xiàn)提供的各種組件（尤其是電子組件）的三維模型。有許多這樣的網(wǎng)站，但這里有兩個(gè)社區網(wǎng)站的例子 two :

• 3D內容中心： www.3dcontentcentral.com網(wǎng)站

• 格拉布卡德：www.grabcad.com

然而，一般來(lái)說(shuō)，只需在您喜歡的搜索引擎中輸入一個(gè)類(lèi)似于“[name de case]3D step model”的查詢(xún)，即可獲得指向可操作解決方案的鏈接。

重新制作：在CMS電阻器的情況下，可以想象使用原語(yǔ)已經(jīng)足夠了，但是，如果我們想獲得盡可能接近現實(shí)的視覺(jué)效果，要求在外殼上記錄電阻值（與MLCC電容器不同，在任何情況下，如果您有良好的眼睛，則為0603格式）。對于基本體來(lái)說(shuō)，這是不可行的，恢復STEP模型仍然是最好的選擇。

當然，將三維模型與組件庫（.pcblib或.libpkg類(lèi)型的嵌入式庫）中的所有物理封裝相關(guān)聯(lián)是有意義的，因為這些模型將在將組件放置在PCB上時(shí)使用。

PCB本身與一個(gè)三維對象關(guān)聯(lián)，其中：

• 厚度與“層堆棧管理器”中定義的銅和電介質(zhì)厚度配置相關(guān)，

• 輪廓基本上可以用兩種方式定義：在二維中，具有表示地圖等高線(xiàn)的線(xiàn)段（和圓?。?/span>Design > Board Shape > Define from Selected Objects )在3D中，通過(guò)合并一個(gè)表示PCB的對象，我們將使用命令將Altium Designer與地圖有效關(guān)聯(lián)Design > Board Shape > Define 3D body (requires 3D mode) .

顧名思義，第二種方法需要切換到3D視圖（“3”鍵）才能使用。在2D模式下，它是灰色的（因此不活動(dòng)）。

因此，板的3D模型必須以與物理封裝外形（命令）相關(guān)的元件“通用”模型相同的方式放置在PCB文件（類(lèi)型為.pcbdoc）中位置>三維實(shí)體）選擇使用地圖STEP格式模板的選項。然后，此模板必須（與組件一樣）：

• 內部（在A(yíng)ltium Designer下）使用可用的基本體生成，

• 使用外部CAD工具開(kāi)發(fā)，

• 從制造商處回收

在后一種情況下，需要注意的是，一些（但不是所有）外殼制造商可以為其產(chǎn)品提供3D模型（尤其是在“復雜”的情況下）。這正是Schroff公司的情況，該公司的某些產(chǎn)品用于19英寸機架，如6U 14HP 167D磁帶（參考 24813 714–參考圖6 ).

圖6.機械集成：制造商提供詳細3D模型的電子外殼示例

對于這個(gè)特定的制造商來(lái)說(shuō)，STEP格式是許多機械CAD格式中的一種。在機械CAD軟件中打開(kāi)此文件將顯示包含大量零件（包括PCB模型）。如果沒(méi)有機械CAD軟件，感興趣的讀者可以使用該軟件 形狀如圖所示圖7只要它只需要一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器（兼容性測試）ici公司）以及創(chuàng )建一個(gè)基本形式的免費賬戶(hù) three .

重新制作：掌握OnShape非常簡(jiǎn)單，初學(xué)者可以使用豐富的文檔資源（這里提供PDF格式的法語(yǔ)教程ici公司et公司這里以及一系列6個(gè)英語(yǔ)視頻ici公司 ).

圖7.打開(kāi)Schroff 24813714外殼的STEP模型

圖7中可見(jiàn)的粉紅色部分正是要放置在外殼中的PCB的代表性板，具有合適的輪廓，特別是在“籃子底部”的中間有一個(gè)可見(jiàn)的凹槽。從原始文件中提取這一部分，就可以創(chuàng )建一個(gè)新的三維模型，該模型可以在A(yíng)ltium Designer下使用，以定義PCB的輪廓。

要做到這一點(diǎn)，只需使用常規命令放置一個(gè)3D對象。位置>三維實(shí)體，選擇相應的STEP文件。第二，它可能需要改變方向（參見(jiàn)。圖8 ).

圖8.使用PCB三維模型定義其輪廓

在這種情況下，沿X軸旋轉90°是合適的。然后，您必須保持在3D視圖中才能使用命令?Design > Board Shape > Define from 3D body ? (圖9頁(yè)：1然后使用彈出窗口（圖10 ).

圖9.從三維模型定義輪廓

圖10.建議將3D模型對準PCB的頂面或底面

關(guān)閉此窗口后，可以返回2D視圖（圖11）觀(guān)察獲得的地圖（黑色區域），包括內部切口。值得注意的是，3D模型的粉紅色陰影最終可以刪除，因為它不再有用（即使在3D視圖中）。

圖11.獲得的PCB外形（包括內部切口）

重新制作：然后，可以在A(yíng)ltium Designer下（至少部分地）添加剩余的外殼，以檢查整個(gè)系統組件（而不僅僅是電路板）的機械集成。

本文的目的是展示如何在PCB設計的“電子”部分（包括組件庫）中集成3D建模方面，從而將設計的機械集成到更大的項目（外殼，機電一體化系統或簡(jiǎn)單的電子設備，實(shí)現多個(gè)卡）。

圖12.說(shuō)明本研究后續工作的設計示例

在第二篇文章中，我們將看到如何管理“系統”方面，特別是通過(guò)圖12，即集成在6U 14HP機架盒內的IGBT橋臂，其不僅實(shí)現控制接口，還實(shí)現對功率晶體管的近距離控制，溫度監測和電量測量（輸出電流和橋臂端子電壓）。