Czy dotarliśmy do końca rozwoju technologii PCB?

Każdy projekt systemu i obwodu drukowanego jest równoważeniem kompromisów między rozmiarami, wagą, mocą, niezawodnością, wydajnością i wieloma innymi parametrami. W końcu, o to w dużej mierze chodzi w projektowaniu inżynieryjnym, by na bazie kombinacji twardych liczb i analiz przyprawionych doświadczeniem i wyczuciem, zrównoważyć wszystkie wymagania i wypracować złote środki.

W niektórych przypadkach jeden lub kilka celów może mieć zdecydowanie najbardziej krytyczną wagę, więc inne warunki mogą zostać do pewnego stopnia poświęcone, aby spełnić te najważniejsze. W innym ujęciu równoważenie kompromisów i wyborów jest procesem bardziej refleksyjnym i powtarzalnym: „czy powinniśmy zwiększyć o 5% czas pracy nad PCB, jeśli poprawi to precyzję czujnika o 15%?”, to rodzaj miękkiej oceny, co często jest nieproste do oszacowania i jeszcze trudniejsze, gdy chodzi o udzielenie jednoznacznej odpowiedzi. Oczywiście wiele zamysłów projektowych to po prostu: „cele aspiracyjne”, niektóre z nich muszą zostać spełnione, podczas gdy inne są założeniami, do których się dąży, ale nie są absolutnymi koniecznościami.

Wśród niezbędnych elementów znajduje się wiele wymagań związanych ze zgodnością elektromagnetyczną (EMC), wydajnością i bezpieczeństwem. Te wytyczne zostały wdrożone przez różne organy regulacyjne i organizacje normalizacyjne (zarówno rządowe, jak i przemysłowe). W przeciwieństwie do celów dotyczących parametrów układu, w ramach których jest większa elastyczność w zakresie dokładnych wartości, to większość postulatów normalizacyjnych ma charakter bezwzględny: albo je spełniasz, albo projekt nie zostanie zatwierdzony i certyfikowany. Jest tutaj niewielkie pole manewru lub obszar do kompromisów z wyjątkiem specyficznego podejścia i taktyki, którą można wybrać, aby sprostać niektórym z tych wytycznych.

Wiele kwestii w zakresie zgodności elektromagnetycznej czy poprawnego uziemienia jest znanych i dobrze zrozumianych. Większość z tych doświadczeń ma odniesienia tak samo do teorii, jak i praktyki, pomiarów i nie tylko. Korzystając z tych spostrzeżeń projektanci powinni mieć większą szansę na opracowanie układów — np. stabilizatorów impulsowych do zasilania — które spełniałyby wymagania dotyczące parametrów i sprawności systemu, a także przeszłyby certyfikację. Póki co, brzmi to więc sprawiedliwie.

Z drugiej strony, zagłębienie się w literaturę pokazuje, jak dużo obecnie oczekiwań stawia się konceptowi, a co za tym idzie zespołowi projektowemu. Jest tak wiele dobrych praktyk i często sprzecznych ze sobą wskazówek, których należy przestrzegać oraz taka ilość kompromisów w odniesieniu, do których robienie czegoś dobrego również ma negatywny wpływ na inne parametry. Niektóre z tych imperatywów są określone prawami fizyki i równaniami Maxwella, podczas gdy inne wynikają z norm czy zbieżności z przepisami. W wielu przypadkach potrzebny jest ekspert ds. zgodności, który poprowadzi projekt przez oszałamiający gąszcz standardów. A to wszystko już przy stosunkowo prostych jedno- i dwustronnych płytkach drukowanych, przy czym obecnie wiele konceptów jest realizowanych z czterema, ośmioma oraz większymi ilościami warstw. Pod pewnymi względami posiadanie dodatkowych ułatwia spełnienie wymagań EMC i prowadzenia masy, ponieważ istnieje więcej stopni swobody dla jej płaszczyzn i innych dobrych rzeczy, ale patrząc pod odmiennym kątem, ich obecność komplikuje projekt. Gdyż istnieje o wiele więcej ścieżek dla sygnałów i przepływu prądu, źródeł emisji i punktów systemu wrażliwych na emisję z otoczenia.

Oczywiście w dzisiejszych czasach oczekujemy wiele od samych obwodów i płytek. Na co dzień mamy takie o niewielkich rozmiarach obsługujących dziesiątki i setki amperów, co z natury wiąże się z trudnościami ze spadkiem napięcia na ich ścieżkach czy z rezystancją połączeń. Co więcej, prawie zawsze ten prąd zasilający jest zamieniany w pewnym punkcie na ciepło, więc istnieją problemy termiczne z jego rozpraszaniem — przenoszeniem do tego magicznego, mistycznego miejsca zwanego: „z dala od płytki”. Może jednak niebawem zabraknąć nam przestrzeni do manewrów w zakresie optymalizacji laminatów. Różnorodne wymagania — elektryczne DC, integralność sygnału, EMC, termiczne, izolacyjne — umieszczone na projekcie płytki drukowanej spowodują albo brak takiej możliwości, albo istotne jej ograniczenie. W zakresie potrzeby poważnego kompromisu w odniesieniu do poziomów mocy, gęstości obwodów i cieplnej, parametrów EMC, rozmiarów — lista ustępstw może być długa.

Z pewnością myślenie, że osiągnęliśmy koniec tego, co możemy dostarczyć i że dochodzimy do ściany, nie jest nowością w inżynierii. W jakiś sposób znajdujemy zawsze metodę na pokonanie takich ograniczeń, dzięki nowym materiałom, technikom, komponentom i innym innowacjom. W końcu taka była historia prawa Moore'a na każdym głównym węźle technologicznym. Być może imperatyw inżynierski przypomina trochę to, co Samuel Beckett napisał pod koniec swojej powieści z 1953 roku: „Niemożliwe do nazwania”: „[...] musisz iść dalej. Nie mogę iść dalej. Pójdę dalej”. Albo to, co miał na myśli, tytułując swoją książkę: „Egzystencjalne przyjemności inżynierii”.

Jednak w pewnym momencie potrzebne są radykalnie nowe podejścia. W tej chwili nie widać na horyzoncie takich przełomów ani nic nie wskazuje, aby projektanci zaprzestali prób dopasowania coraz okazalszej liczby komponentów i funkcji pracujących przy wyższych częstotliwościach i rozpraszaniu na projektowanych płytkach drukowanych. Być może na drodze rozwoju PCB zbliżamy się do rozwidlenia z trzema kierunkami: jedna ścieżka prowadzi do ślepego zaułka i zatrzymujemy się; druga to powolny, stały, narastający postęp; a ostatnia jest pewnego rodzaju rewolucyjnym podejściem, takim jak przejście na w pełni zintegrowane układy fotoniczne, co wyeliminowałoby problemy z EMC, czy też pozwoliło istotnie zredukować pobór energii. Pozostaje nam jedynie czekać i obserwować, którą z tych potencjalnych dróg pójdzie dalej przemysł.

Jakie jest Wasze wyczucie sytuacji przy projektowaniu płytek drukowanych? Czy asymptotycznie zbliżamy się do granicy tego, co możemy osiągnąć dzięki tej technologii? Czy ścieżką przed nami będzie stały postęp, możliwy dzięki serii małych kroków? A może jakaś przełomowa technologia, której obecnie nie sposób dostrzec zmieni całą sytuację i umożliwi znaczny rozwój, tak jak miało to miejsce w przypadku przejścia z ręcznie umieszczanych komponentów łączonych przewodami na płytki drukowane obsadzane z wykorzystaniem maszyn typu pick and place?

Źródło: https://www.edn.com/end-of-the-road-for-pc-board-design/