No domínio da robótica inteligente, o processamento em tempo real de dados de sensores de várias fontes (tais como lidar, câmaras, unidades de medição inercial, etc.) é fundamental para garantir a percepção do ambiente em tempo real,tomada de decisõesComo portador do hardware,PCBA robô inteligente(Assembleia de placas de circuito impresso) requer otimização a nível do sistema para alcançar caminhos eficientes de transmissão de dados e melhorias significativas na velocidade de processamento.Este artigo explora as principais abordagens técnicas na fabricação de placas de circuito robótico a partir de três dimensões: arquitetura de projeto, processos de fabrico e garantia da integridade do sinal.

I. Optimização arquitectónica das vias de transmissão de dados

Seleção de autocarros e de protocolos de alta velocidade

Para atender aos requisitos de largura de banda dos dados dos sensores, o PCBA deve integrar buses sérios de alta velocidade (por exemplo, PCIe, Gigabit Ethernet, MIPI CSI-2).Realizar a solidificação de hardware dos núcleos IP de protocolo de bus através da Hardware Description Language (HDL) pode reduzir a sobrecarga de software no processamento de pilhas de protocoloPara cenários de fusão de sensores múltiplos, recomenda-se o Time Division Multiplexing (TDM) ou mecanismos de programação de prioridade para garantir a prioridade de transmissão de dados críticos (por exemplo,sinais de detecção de obstáculos).

Projeto de fluxo de dados em camadas

Divida o PCBA em três camadas: camada de detecção, camada de processamento e camada de execução:

• Capa de detecção: Integrar módulos de pré-processamento de alta precisão ADC (Analog-to-Digital Converters) e FPGA através da colocação de tecnologia de montagem de superfície (SMT) para obter filtragem e compressão preliminares de dados brutos.
• Camada de processamento: Implementar processadores multi-core (por exemplo, série ARM Cortex-A) ou chips de aceleração de IA dedicados (por exemplo, NPU) para melhorar a velocidade de inferência de aprendizagem profunda através de unidades de computação por matriz aceleradas por hardware.
• Camada de execução: Utilize os ônibus SPI/I2C de alta velocidade para ligar os circuitos de accionamento e garantir uma resposta de nível de milissegundo para os comandos de controlo.

Integração 3D e otimização de roteamento de sinal

Na fabricação de placas de circuito robótico, empregar a tecnologia High-Density Interconnect (HDI) para conexões microvia entre camadas para encurtar caminhos de transmissão de sinal.Interfaces de memória DDR), utilizar o encaminhamento serpentino de igual comprimento com isolamento do plano de referência para controlar a inclinação do sinal abaixo de 50ps.

II. Melhoria da precisão e eficiência da colocação SMT

Seleção de componentes e otimização do layout

• Priorizar dispositivos de embalagem de alta densidade, como o WLCSP (Wafer-Level Chip Scale Package) e o BGA, para reduzir os comprimentos de condução do sinal.
• Antes da colocação do SMT, otimizar o layout do componente usando um software de simulação térmica (por exemplo,FloTHERM) para evitar áreas concentradas de alta densidade de calor e evitar a falha da junção da solda devido à expansão térmica.

Colocação e controlo de qualidade em alta velocidade

• Usar máquinas de colocação de alta precisão (precisão ± 25 μm) para colocação automatizada de componentes de tamanho 0201, minimizando a intervenção manual.
• Durante a solda por refluxo, utilizar um forno de refluxo de dez zonas com controlo preciso da curva de temperatura (temperatura máxima ± 2°C) para evitar interrupções do sinal causadas por defeitos de solda.

Ensaios em linha e detecção de defeitos

• Implementar equipamento AOI (inspeção óptica automatizada) e AXI (inspeção por raios-X) para realizar um rastreio de 100% de defeitos, como vazios de juntas de solda e pontes.
• Verificar a conectividade dos autocarros de alta velocidade através de testes de varredura de limites (JTAG) para garantir a fiabilidade da camada física dos caminhos de transmissão de dados.

III. Inovações no processo de fabrico de PCBA de robôs inteligentes

Componentes incorporados e tecnologias de embalagem

Na fabricação de placas de circuito robótico, adoptar tecnologias de capacitores/resistores incorporados para reduzir o número de componentes montados na superfície e melhorar a utilização do espaço a nível da placa.Para módulos de processamento de sinal de alta frequência, alcançar o sistema em pacote (SiP) de cadeias de sinal através de chips de RF incorporados (SIP) para reduzir o impacto dos parâmetros parasitários na qualidade do sinal.

PCBs rígidos-flexíveis e montagem 3D

Para áreas com espaço limitado, como juntas de robôs, projetar PCBs rígidos-flexíveis para permitir conexões tridimensionais entre sensores e PCBA através de traços flexíveis.utilizar a solda por ondas seletivas para garantir a fiabilidade da solda em regiões de flexão rígida.

Gestão térmica e conceção de fiabilidade

• Aplicar materiais de interface térmica (TIM) à superfície do PCBA e ligar firmemente os dissipadores de calor aos dispositivos de alimentação através da colocação SMT para reduzir a resistência térmica.
• Realizar HALT (Highly Accelerated Life Test) e HASS (Highly Accelerated Stress Screening) para verificar a estabilidade do PCBA em condições extremas, como vibração, choque e ciclos de temperatura.

IV. Validação e ajuste de desempenho a nível do sistema

Ensaios de hardware-in-the-loop (HIL)

Simulação de fluxos de dados de sensores através de sistemas de simulação em tempo real para validar as capacidades de processamento de dados do PCBA® em cenários simultâneos de múltiplas tarefas.Usar analisadores lógicos para capturar sinais de barramento e analisar métricas de tráfego e latência de dados.

Optimização de firmware e driver

Otimizar os mecanismos de resposta à interrupção para os drivers de dispositivos em sistemas operativos de robôs (por exemplo, ROS).Realizar a paralelização da transferência de dados e do cálculo da CPU através da tecnologia DMA (Direct Memory Access) para melhorar a eficiência geral do sistema.

Projeto iterativo e prototipagem rápida

Usar ferramentas de EDA (por exemplo, Altium Designer) para iteração de circuito fechado de projeto-simulação-fabricação para encurtar os ciclos de prototipagem de PCBA.Validar a estabilidade do processo de fabrico através da produção experimental de baixo volume para fornecer suporte de dados para a produção em massa.

Conclusão

A otimização da velocidade de transmissão e processamento de dados para o PCBA de robôs inteligentes requer uma profunda integração do design de hardware, processos de fabricação e validação do sistema.Refinamento do processo, e garantia de fiabilidade, as capacidades de resposta em tempo real dos robôs em ambientes complexos podem ser significativamente melhoradas.O PCBA irá romper ainda mais as limitações físicas, dotando os robôs inteligentes de capacidades de percepção e de tomada de decisão mais fortes.

Nota: Devido a diferenças nos equipamentos, materiais e processos de produção, o conteúdo é apenas para referência.A Comissão considera que a Comissão não pode tomar qualquer decisão em relação a um pedido de autorização.

Termos-chave da indústria utilizados:

• PCBA: montagem de placas de circuito impresso
• SMT: Tecnologia de montagem de superfície
• PCIe: Interconexão expressa de componentes periféricos
• MIPI CSI-2: Interface para processadores da indústria móvel Interface para câmera em série 2
• HDL: Língua de Descrição de Hardware
• Base de PI: Base de Propriedade Intelectual
• TDM: Multiplexagem por divisão temporal
• FPGA: Matriz de Portão Programável por Campo
• NPU: Unidade de Processamento Neural
• SPI/I2C: Interface periférica em série/circuito integrado
• HDI: Interconexão de alta densidade
• WLCSP: Pacote de escala de chips de nível de wafer
• BGA: Matriz de Grade de Esferas
• AOI: Inspeção óptica automatizada
• AXI: Inspecção automática por raios-X
• JTAG: Grupo de Acção Conjunta de Ensaios
• SiP: Sistema em embalagem
• PCB rígido-flexível: placa de circuito impresso rígido-flexível
• TIM: Material de interface térmica
• HALT/HASS: Teste de vida altamente acelerado/Screening de estresse altamente acelerado
• HIL: Hardware-in-the-Loop
• ROS: Sistema Operativo de Robôs
• DMA: Acesso direto à memória
• EDA: Automação electrónica do projecto
• Chiplet: Tecnologia de substrato de circuito integrado