В области умной робототехники обработка данных от нескольких источников датчиков в реальном времени (например, лидар, камеры, инерциальные измерительные блоки и т. д.) является ключевым фактором для обеспечения восприятия окружающей среды в реальном времени, принятия решений и управления движением. В качестве аппаратного носителя, сборка печатных плат (PCBA) для умных роботов (Printed Circuit Board Assembly) требует оптимизации на системном уровне для достижения эффективных путей передачи данных и прорывных улучшений в скорости обработки. В этой статье рассматриваются ключевые технические подходы к производству робототехнических печатных плат с трех позиций: архитектура проектирования, производственные процессы и обеспечение целостности сигнала.

I. Архитектурная оптимизация путей передачи данных

Выбор высокоскоростной шины и протокола

Для удовлетворения требований к высокой пропускной способности данных от датчиков, PCBA должна интегрировать высокоскоростные последовательные шины (например, PCIe, Gigabit Ethernet, MIPI CSI-2). Реализация аппаратной фиксации ядер IP протокола шины с помощью языка описания аппаратуры (HDL) может снизить накладные расходы на программное обеспечение при обработке стека протоколов. Для сценариев слияния нескольких датчиков рекомендуется использовать механизмы мультиплексирования с временным разделением (TDM) или приоритетного планирования для обеспечения приоритета передачи критических данных (например, сигналов обнаружения препятствий).

Многослойный дизайн потока данных

Разделите PCBA на три слоя: слой восприятия, слой обработки и слой исполнения:

• Слой восприятия: Интегрируйте высокоточные АЦП (аналого-цифровые преобразователи) и модули предварительной обработки FPGA с помощью технологии поверхностного монтажа (SMT) для достижения предварительной фильтрации и сжатия необработанных данных.
• Слой обработки: Разверните многоядерные процессоры (например, серии ARM Cortex-A) или специализированные чипы для ускорения ИИ (например, NPU) для повышения скорости вывода глубокого обучения с помощью аппаратных блоков матричных вычислений.
• Слой исполнения: Используйте высокоскоростные шины SPI/I2C для подключения схем привода и обеспечения отклика на команды управления в миллисекундном диапазоне.

3D-интеграция и оптимизация маршрутизации сигналов

При производстве робототехнических печатных плат используйте технологию межсоединений высокой плотности (HDI) для микропереходов между слоями, чтобы сократить пути передачи сигналов. Для критических шин данных (например, интерфейсов памяти DDR) используйте змеевидную маршрутизацию равной длины с изоляцией опорной плоскости для управления перекосом сигнала ниже 50 пс.

II. Улучшение точности и эффективности размещения SMT

Выбор компонентов и оптимизация компоновки

• Отдавайте предпочтение устройствам с высокой плотностью упаковки, таким как WLCSP (Wafer-Level Chip Scale Package) и BGA, чтобы уменьшить длину выводов сигнала.
• Перед размещением SMT оптимизируйте компоновку компонентов с помощью программного обеспечения для теплового моделирования (например, FloTHERM), чтобы избежать областей с высокой плотностью тепла и предотвратить выход из строя паяных соединений из-за теплового расширения.

Высокоскоростное размещение и контроль качества

• Используйте высокоточные машины для размещения (точность ±25μм) для автоматизированного размещения компонентов размером 0201, сводя к минимуму ручное вмешательство.
• Во время пайки оплавлением используйте печь оплавления с десятью зонами с точным контролем кривой температуры (пиковая температура ±2°C), чтобы избежать прерываний сигнала, вызванных дефектами пайки.

Внутрилинейное тестирование и отбраковка дефектов

• Разверните оборудование AOI (автоматизированный оптический контроль) и AXI (рентгеновский контроль) для проведения 100% отбраковки дефектов, таких как пустоты в паяных соединениях и мостики.
• Проверьте подключение высокоскоростных шин с помощью граничного сканирования (JTAG), чтобы обеспечить надежность физического уровня путей передачи данных.

III. Инновации в производственных процессах для умных робототехнических PCBA

Встроенные компоненты и технологии упаковки

При производстве робототехнических печатных плат используйте встроенные технологии конденсаторов/резисторов, чтобы уменьшить количество компонентов поверхностного монтажа и улучшить использование пространства на уровне платы. Для модулей обработки высокочастотных сигналов реализуйте систему-в-корпусе (SiP) цепочек сигналов с помощью встроенных радиочастотных чипов (SIP), чтобы уменьшить влияние паразитных параметров на качество сигнала.

Жестко-гибкие печатные платы и 3D-сборка

Для ограниченных по пространству областей, таких как суставы роботов, спроектируйте жестко-гибкие печатные платы, чтобы обеспечить трехмерные соединения между датчиками и PCBA с помощью гибких трасс. Во время 3D-сборки используйте селективную пайку волной, чтобы обеспечить надежность пайки в жестко-гибких областях.

Терморегулирование и проектирование надежности

• Нанесите термоинтерфейсные материалы (TIM) на поверхность PCBA и плотно прикрепите радиаторы к силовым устройствам с помощью размещения SMT, чтобы уменьшить тепловое сопротивление.
• Проведите HALT (испытание с ускоренным сроком службы) и HASS (скрининг с ускоренным стрессом), чтобы проверить стабильность PCBA в экстремальных условиях, таких как вибрация, удар и температурный цикл.

IV. Проверка на системном уровне и настройка производительности

Тестирование Hardware-in-the-Loop (HIL)

Смоделируйте потоки данных датчиков с помощью систем моделирования в реальном времени, чтобы проверить возможности обработки данных PCBA в многозадачных одновременных сценариях. Используйте логические анализаторы для захвата сигналов шины и анализа показателей пропускной способности и задержки данных.

Оптимизация прошивки и драйверов

Оптимизируйте механизмы обработки прерываний для драйверов устройств в операционных системах роботов (например, ROS). Достигните параллелизации передачи данных и вычислений ЦП с помощью технологии DMA (прямой доступ к памяти) для повышения общей эффективности системы.

Итеративный дизайн и быстрое прототипирование

Используйте инструменты EDA (например, Altium Designer) для итерации проектирования-моделирования-изготовления с обратной связью, чтобы сократить циклы прототипирования PCBA. Проверьте стабильность производственного процесса посредством мелкосерийного пробного производства, чтобы обеспечить поддержку данных для массового производства.

Заключение

Оптимизация скорости передачи и обработки данных для умных робототехнических PCBA требует глубокой интеграции аппаратного проектирования, производственных процессов и системной проверки. Благодаря архитектурным инновациям, усовершенствованию процессов и обеспечению надежности, возможности реагирования роботов в реальном времени в сложных условиях могут быть значительно улучшены. В будущем, с развитием технологии Chiplet и 3D-упаковки, PCBA еще больше преодолеет физические ограничения, наделяя умных роботов более сильными возможностями восприятия и принятия решений.

Примечание: Из-за различий в оборудовании, материалах и производственных процессах содержание приведено только для справки. Для получения дополнительной информации о размещении SMT и умных робототехнических PCBA посетите https://www.turnkeypcb-assembly.com/

Ключевые отраслевые термины:PCBA: Сборка печатных плат

• SMT: Технология поверхностного монтажа
• PCIe: Peripheral Component Interconnect Express
• MIPI CSI-2: Camera Serial Interface 2 (интерфейс последовательной камеры Mobile Industry Processor Interface)
• HDL: Язык описания аппаратуры
• IP Core: Ядро интеллектуальной собственности
• TDM: Мультиплексирование с временным разделением
• FPGA: Программируемая пользователем вентильная матрица
• NPU: Блок обработки нейронных сетей
• SPI/I2C: Последовательный периферийный интерфейс/Внутриинтегральная схема
• HDI: Межсоединение высокой плотности
• WLCSP: Корпус на кристалле на уровне пластины
• BGA: Шариковая сетка выводов
• AOI: Автоматизированный оптический контроль
• AXI: Автоматизированный рентгеновский контроль
• JTAG: Объединенная группа тестовых действий
• SiP: Система-в-корпусе
• Rigid-Flex PCB: Жестко-гибкая печатная плата
• TIM: Термоинтерфейсный материал
• HALT/HASS: Испытание с ускоренным сроком службы/Скрининг с ускоренным стрессом
• HIL: Hardware-in-the-Loop
• ROS: Операционная система робота
• DMA: Прямой доступ к памяти
• EDA: Автоматизация проектирования электроники
• Chiplet: Технология подложки интегральной схемы