Tendências no Desenvolvimento de PCB Moldando o Futuro da IoT

No desenvolvimento de PCB, a era da Internet das Coisas (IoT) chegou e está assumindo virtualmente todas as facetas do mundo digital. Especialistas descreveram a IoT como "a quarta Revolução Industrial" e "a maior coisa desde a explosão do .com".

E se relatórios recentes da Gartner servirem de indicação, a Terra terá pelo menos 20 bilhões de dispositivos habilitados para internet em desenvolvimento de PCB até 2020.

Desenvolvedores criam plataformas conectadas inteligentes para inovações como dispositivos vestíveis, automação residencial, sistemas de monitoramento médico, carros inteligentes e cidades futuristas, aproveitando a tecnologia.

A IoT apresenta uma visão otimista sobre a conectividade entre componentes físicos e digitais como a mais nova tecnologia. Este artigo falará sobre o desenvolvimento e futuro da Internet das Coisas em detalhes. Quer saber mais?

IoT: Impulsionando Novas Abordagens no Desenvolvimento de PCB

Uma das principais tendências atuais no desenvolvimento de PCB é o uso cada vez mais prevalente de placas flex e de interconexão de alta densidade (HDI - High Density Interconnect). Métodos convencionais de roteamento de PCB não conseguem alcançar isso. A maioria dos dispositivos IoT é feita para ser usada em movimento, e o uso de PCBs flex simplifica a fiação enquanto fornece resistência extra a condições adversas.

Além disso, à medida que a área da placa diminui e a densidade de roteamento aumenta, os desenvolvedores recorrem à fabricação de PCBs rígidos. Aqui, aplicam-se condições para multicamadas, face única, metalcore, técnicas HDI como vias cegas e enterradas para economizar espaço valioso. Designs HDI também facilitam menor consumo de energia e melhor desempenho, tornando-os excelentes para dispositivos IoT.

Figura 2 – PCB Flexível

Combinar abordagens flex e HDI no design de PCBs permite que empresas criem dispositivos móveis minúsculos menos afetados por fatores como estresse térmico e perda de sinal, sem comprometer desempenho. Dispositivos IoT agora podem ser menores, mais leves e mais rápidos do que nunca.

Fabricando PCBs para IoT: O que é Diferente?

Embora a Internet das Coisas não tenha exigido uma reinvenção completa no desenvolvimento de PCB, trouxe novas considerações para a mesa de design.

Devido a abordagens de design variadas, o layout, fabricação e processo de montagem de um PCB baseado em IoT difere significativamente do de uma placa tradicional.

Para começar, PCBs IoT tipicamente consistem em montagens de circuito rígido-flex ou flex, ao contrário de placas tradicionais de natureza substancialmente maior e plana.

Fabricar com montagens flex exige cálculos extensos e altamente precisos de razões de dobra, iterações de ciclo de vida, espessura de trilhas de sinal, camadas de circuito rígido e flex, peso de cobre, posicionamento de reforços e calor gerado pelos componentes.

Além disso, desenvolver PCBs para IoT requer que designers assegurem adesão robusta entre camadas nos lados rígido e flex e tenham sólido entendimento de componentes notavelmente minúsculos como pacotes 0201 e 00105.

Figura 3 – Design Rígido-Flex HDI: placas de circuito rígido e flex conectadas permanentemente

Ferramentas e fixações especializadas são necessárias para a impressão adequada de PCBs destinados a dispositivos IoT. Por exemplo, trabalhar com um PCB rígido-flex significa que o desenvolvedor precisa de um acessório único para manter a placa completamente plana para impressão eficaz sobre as diferentes espessuras das porções de circuito rígido e flex.

Ferramentas e fixações especializadas são necessárias para a impressão adequada de PCBs destinados a dispositivos IoT. Por exemplo, trabalhar com um PCB rígido-flex significa que o desenvolvedor precisa de um acessório único para manter a placa completamente plana para impressão eficaz sobre as diferentes espessuras das porções de circuito rígido e flex.

Portanto, muitas startups de IoT e novos designers fazem parceria com empresas EMS especializadas para suas necessidades de desenvolvimento de PCB para garantir lançamentos de produtos bem-sucedidos e oportunos.

Desenvolvimento de PCB – IoT e o Futuro do Design de PCB

A Internet das Coisas oferece à indústria de PCB muitos empreendimentos futuros, e embora desenvolvedores de placas de circuito já estejam fazendo bons progressos com a tecnologia, muito mais está por vir. Aqui estão algumas maneiras únicas como a IoT está influenciando o presente e futuro do desenvolvimento de PCB.

1. Layouts Diminuindo

O advento de dispositivos IoT sofisticados marcou o fim dos dias em que desenvolvedores tinham espaço mais que suficiente para trilhas, componentes e vias. Tendências de IoT ditam que fabricantes forneçam o máximo de funcionalidade possível para pequenos gadgets para serem usados no pulso, no bolso ou até ingeridos.

Figura 4 – PCB de Smartwatch

Pegue, por exemplo, a safra atual de smartwatches. Apesar de serem do tamanho de um relógio de pulso comum, dispositivos como Samsung Gear S3 e Apple Watch incluem hardware como displays LED, memória interna, controladores SoC, chips Bluetooth e muitos sensores.

Clientes esperam cada vez mais de seus pequenos dispositivos do dia a dia, e futuros designers de PCB terão gadgets ainda menores para trabalhar do que smartwatches. Pelo uso geral de PCBs rígido-flex e HDI, a placa de circuito média mal será aceitável nos próximos anos.

2. Melhores Tecnologias de Empacotamento

Formatos de empacotamento through-hole e surface-mount podem ter sido completamente práticos ao longo dos anos, mas à medida que gadgets continuam encolhendo, desenvolvedores estão encontrando a necessidade de explorar tecnologias mais novas. Uma delas é Módulos Multi-Chip (MCM), que permite designers conectar múltiplos CIs em um único die, mantendo fatores de forma finos.

Figura 5 – Módulo Multi-chip

Outro modelo, Sistema em Pacote (SiP), integra sistemas digitais, analógicos e RF em um único chip multifuncional. Ao mesmo tempo, circuitos integrados tridimensionais (3D-ICs) permitem o empilhamento de múltiplos dies de silício juntos para uma pegada menor e consumo de energia reduzido.

A iminente explosão no uso destes modelos de empacotamento adicionará imensa complexidade às placas impressas, potencialmente inaugurando uma nova geração de PCBs, ou placas de componentes integrados (ICBs), que oferecerão aos fabricantes uma taxa de preço por área de superfície muito maior.

3. Desenvolvimento de PCB – Designs Abrangentes

Desenvolvedores de PCB estão acostumados a projetar uma placa e passá-la para a equipe mecânica para verificação de encaixe e grupo de empacotamento para montagem final.

No mundo da IoT, no entanto, fatores de forma menores e componentes mais sensíveis tornam crucial que todas as partes interessadas estejam na mesma página desde o início do processo de design.

Cálculos de fabricação e encaixe de PCB devem ser feitos simultaneamente para harmonizar função, forma e necessidades de negócio.

Figura 6 – Prototipagem Virtual de PCB com KiCad

Com a IoT ganhando terreno rapidamente, designers de PCB devem esperar fazer muito mais prototipagem virtual para avaliar parâmetros como tamanho da placa, peso total do produto e encaixe da placa no invólucro pretendido, antes de abordar os detalhes do circuito.

Fabricantes de PCB não serão mais apenas mais um conjunto temporário de mãos no ciclo de desenvolvimento de um produto, mas sim especialistas que focam em todos os aspectos do processo de design.

4. Desenvolvimento de PCB – Padronização

Embora padrões que regem o design de PCBs tradicionais já existam, a Internet das Coisas está empurrando a indústria para um futuro ainda mais uniforme. PCBs feitos para IoT precisarão manter os mais altos níveis de eficiência e confiabilidade.

Portanto, em vez de reconstruir seus circuitos para alcançar resultados extraordinários, designers provavelmente optarão por reutilizar blocos que já foram simulados e comprovados no campo.

Salvar e reutilizar se tornará a norma no desenvolvimento de placas, e design modular substituirá processos esquemáticos tradicionais.

5. Colaboração com Designers Mecânicos

Além de prototipagem virtual e planejamento de produto, desenvolver PCBs para IoT exige cooperação mais firme entre designers de placas de circuito e engenheiros mecânicos.

Futuros processos de design de produto provavelmente abandonarão o modelo antigo de linha de montagem em favor de uma abordagem onde mudanças e modificações mecânicas e de circuito acontecem em tempo real.

Figura 7 – Integração Elétrico-Mecânica

Designers não precisarão mais converter arquivos de um formato de software para outro para compartilhar contornos de placa e modelos de componentes para verificações básicas de interferência.

Em vez disso, engenheiros mecânicos e eletrônicos adotarão o uso de ferramentas ECAD e MCAD que aproximam seus dados para colaboração perfeita em tempo real.

Claro, esta eventualidade iminente levanta preocupações significativas para a maioria dos players na indústria ECAD, cujas utilidades de design não funcionam bem juntas, quanto mais com software MCAD.

As melhores ferramentas para futuro design de IoT colocarão engenheiros e designers na mesma página.

6. Desenvolvimento de PCB – Novos Materiais

No mundo moderno de IoT, a circuitaria deve ser pequena; WellPCB oferece controladores de motor DC em mercados domésticos e internacionais. Temos uma atuação flexível e móvel. Como resultado, o uso de FR4 para fabricação de PCB quadrados está gradualmente abrindo caminho para novos materiais como cobre flex-rígido, plástico e até malha.

Figura 8 – Cobre Rígido-Flex

No futuro, designers de FR4 precisarão fazer parceria com especialistas que saibam trabalhar com materiais alternativos.

Empresas de pesquisa como Holst Centre e Wearable Technologies são atualmente as principais escolhas para desenvolvedores de IoT buscando serviços de consultoria e testes para sensores autônomos sem fio e circuitos flexíveis.

7. Maior Ênfase na Conectividade Sem Fio

Figura 9 – Módulo Transmissor Sem Fio

Módulos sem fio e circuitos RF dão aos produtos IoT a capacidade crucial de se comunicar com seu ambiente, coletar dados e enviá-los para servidores online e offline.

Hoje, o mercado está cheio de módulos e componentes RF amigáveis à IoT, todos mantendo suas pegadas pequenas enquanto incluem o máximo de funcionalidade possível.

À medida que as necessidades de conectividade do mundo evoluem, a tecnologia sem fio encontrará seu caminho em mais e mais gadgets, e designers de PCB terão que lidar com o desafio de encaixar módulos mais robustos e confiáveis em placas muito menores.

Os protocolos que ditam alcances, velocidade de transferência de dados e segurança provavelmente precisarão ser revisados e atualizados para atender necessidades emergentes.

Ainda mais empolgante é que, com a padronização se tornando a norma, é totalmente possível ter um protocolo sem fio principal governando o mundo IoT do futuro.

8. Foco Mais Agudo no Consumo de Energia

Futuros produtos IoT provavelmente abandonarão portas de energia físicas e fontes plug-in em favor de baterias e capacidades de coleta de energia para promover portabilidade, junto com inteligência artificial.

O mercado IoT anseia cada vez mais por dispositivos inteligentes que funcionem continuamente e com pouca ou nenhuma intervenção humana. Designers de PCB, portanto, precisarão dar mais ênfase à eficiência energética para ter sucesso no futuro.

Figura 10 – Orçamento de Energia

Uma abordagem promissora para melhor consumo de energia será um orçamento de energia para blocos funcionais individuais em PCBs em vez de considerar o produto como um todo. Dessa forma, designers ganharão a flexibilidade necessária para identificar e refinar componentes que consomem muita energia.

9. Desenvolvimento de PCB – PCBs para o Corpo Humano

A piscina de eletrônicos de saúde e fitness expande-se a cada ano à medida que desenvolvedores de IoT descobrem novas maneiras de melhorar a vida diária. No entanto, o corpo humano apresenta desafios únicos para designers de PCB.

Por exemplo, a natureza altamente perdida de nossos corpos significa que qualquer dispositivo destinado a ser usado no pulso ou no bolso precisa manter um sinal sólido para superar o ruído.

Além disso, como umidade e circuitos não se misturam, projetar wearables IoT requer que desenvolvedores considerem cuidadosamente os efeitos de suor e água.

Figura 11 – Chip de Monitoramento Ultra-Baixa Potência PsiKick (from phys.org)

Engenheiros mecânicos estão desempenhando papel significativo no desenvolvimento de pacotes resistentes à umidade. Ainda, à medida que mais usos para gadgets IoT surgem, designers de PCB precisarão fazer muito mais para garantir que componentes sensíveis estejam bem protegidos.

10. Desenvolvimento de PCB – Uma Postura Mais Firme na Confiabilidade

Dispositivos IoT miniaturizados exigem grande precisão para fabricar. Enquanto a maioria dos designers está tipicamente confortável trocando componentes through-hole queimados em placas de circuito tradicionais, o mercado IoT não tem tolerância para falhas.

Dispositivos sensíveis como relógios de pulso e aparelhos auditivos têm que funcionar o tempo todo.

À medida que a demanda por produtos IoT continua a subir, designers de PCB devem garantir que suas placas funcionem perfeitamente logo de saída.

Isso significa gastar muito tempo em programas de simulação como PSpice, otimizando cuidadosamente seus protótipos para o melhor desempenho antes de embarcar na fabricação física.

Desenvolvimento de PCB – Conclusão

O design eletrônico está passando por mudanças extensas para acompanhar a IoT. Novas abordagens estão tomando o centro do palco, e fabricantes de PCB estão gradualmente abraçando o desenvolvimento de produto como um todo e não apenas o design de placas de circuito.

À medida que a demanda por placas de circuito poderosas com componentes minúsculos e leves se expande ainda mais, designers e fabricantes com imaginação e expertise para aproveitar as oportunidades emergentes se beneficiarão profundamente.

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