W dziedzinie inteligentnej robotyki przetwarzanie w czasie rzeczywistym danych z czujników z wielu źródeł (takich jak lidar, kamery, jednostki pomiarowe inercyjne itp.) ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia percepcji środowiska w czasie rzeczywistym,podejmowanie decyzjiJako nośnik sprzętu,inteligentny robot PCBA(Zgromadzenie płyt drukowanych) wymaga optymalizacji na poziomie systemu w celu osiągnięcia efektywnych ścieżek transmisji danych i przełomowych ulepszeń prędkości przetwarzania.W tym artykule analizowane są kluczowe podejścia techniczne w produkcji płyt obwodowych robotów z trzech wymiarów: architektura projektowa, procesy produkcyjne i zapewnienie integralności sygnału.

I. Optymalizacja architektoniczna ścieżek transmisji danych

Wybór autobusu i protokołu dużych prędkości

W celu spełnienia wymagań dotyczących dużej przepustowości danych z czujników PCBA powinny zintegrować szybkie szlaki seryjne (np. PCIe, Gigabit Ethernet, MIPI CSI-2).Uświadomienie się twardości sprzętowej rdzeni IP protokołu busu za pomocą języka opisu sprzętu (HDL) może zmniejszyć koszty oprogramowania w przetwarzaniu stosów protokołuW przypadku scenariuszy fuzji z wieloma czujnikami zalecane jest podział czasowy na multipleks (TDM) lub mechanizmy planowania priorytetowego w celu zapewnienia priorytetu transmisji danych krytycznych (np.sygnały wykrywania przeszkód).

Projektowanie przepływu danych w warstwach

PCBA jest podzielony na trzy warstwy: warstwę czujnika, warstwę przetwarzania i warstwę wykonywania:

• Warstwa czujnika: Zintegrowanie wysokoprecyzyjnych modułów przetwarzania wstępnego ADC (Analog-to-Digital Converters) i FPGA za pomocą technologii powierzchniowej (SMT) w celu uzyskania wstępnego filtrowania i kompresji surowych danych.
• Warstwa przetwarzania: Wdrożenie procesorów wielojadrowych (np. serii ARM Cortex-A) lub dedykowanych układów przyspieszenia sztucznej inteligencji (np. NPU) w celu zwiększenia prędkości wnioskowania głębokiego uczenia się za pomocą jednostek obliczeniowych macierzowych przyspieszanych sprzętem.
• Warstwa wykonania: Wykorzystanie szybkich autobusów SPI/I2C do łączenia obwodów napędowych i zapewnienia odpowiedzi na poziomie milisekund dla poleceń sterowania.

Integracja 3D i optymalizacja trasy sygnału

W produkcji płyt obwodowych robotów stosować technologię High-Density Interconnect (HDI) do połączeń mikrovia między warstwami w celu skrócenia ścieżek transmisji sygnału.Interfejsy pamięci DDR), użyć szpiny o równej długości trasy z izolacją płaszczyzny odniesienia w celu kontrolowania przesunięcia sygnału poniżej 50ps.

II. Poprawa precyzji i wydajności umieszczania SMT

Wybór i optymalizacja układu

• W celu zmniejszenia długości przewodów sygnału należy przyznać priorytet urządzeniom opakowaniowym o wysokiej gęstości, takim jak WLCSP (Wafer-Level Chip Scale Package) i BGA.
• Przed umieszczeniem SMT, zoptymalizować układ części za pomocą oprogramowania do symulacji termicznej (np.FloTHERM) w celu uniknięcia skoncentrowanych obszarów o wysokiej gęstości ciepła i zapobiegania awarii złącza lutowego z powodu ekspansji termicznej.

Wysokiej prędkości umieszczanie i kontrola jakości

• Wykorzystanie wysokoprecyzyjnych maszyn do umieszczania (dokładność ± 25 μm) do automatycznego umieszczania komponentów o rozmiarze 0201, minimalizując interwencję ręczną.
• Podczas lutowania z powrotem stosuje się piecenę z powrotem z dziesięcioma strefami z precyzyjną regulacją krzywej temperatury (temperatura szczytowa ±2°C) w celu uniknięcia przerw sygnału spowodowanych wadami lutowania.

Badania wewnętrzne i badania wykrywania wad

• Wdrożenie sprzętu AOI (automatyczna inspekcja optyczna) i AXI (inspekcja rentgenowska) w celu przeprowadzenia 100-procentowego badania w celu wykrycia wad, takich jak próżnia stopu lutowego i mosty.
• Zweryfikowanie łączności autobusów dużych prędkości za pomocą badań skanowania granicznego (JTAG) w celu zapewnienia niezawodności warstwy fizycznej ścieżek transmisji danych.

III. Innowacje w procesie produkcji PCBA inteligentnych robotów

Wbudowane komponenty i technologie pakowania

W produkcji płyt obwodowych robotów należy przyjąć technologie kondensatorów/rezystorów osadzonych w celu zmniejszenia liczby elementów montowanych na powierzchni i poprawy wykorzystania przestrzeni na poziomie płyt.Do modułów przetwarzania sygnałów o wysokiej częstotliwości, w celu osiągnięcia system-in-package (SiP) łańcuchów sygnału za pomocą wbudowanych chipów RF (SIP), aby zmniejszyć wpływ parametrów pasożytniczych na jakość sygnału.

PCB sztywne i elastyczne i montaż 3D

W przypadku obszarów o ograniczonej przestrzeni, takich jak złącza robota, projektowanie PCB sztywnych i elastycznych umożliwia trójwymiarowe połączenia między czujnikami a PCBA za pomocą elastycznych śladów.stosowanie selektywnego lutowania falnym w celu zapewnienia niezawodności lutowania w regionach sztywnej elastyczności.

Projektowanie zarządzania cieplnym i niezawodności

• Zastosowanie materiałów interfejsu termicznego (TIM) do powierzchni PCBA i szczelnie połączenie pochłaniaczy ciepła z urządzeniami zasilania za pomocą umieszczenia SMT w celu zmniejszenia oporu termicznego.
• Przeprowadzenie testów HALT (Highly Accelerated Life Test) i HASS (Highly Accelerated Stress Screening) w celu sprawdzenia stabilności PCBA w ekstremalnych warunkach, takich jak wibracje, wstrząsy i cykle temperatury.

IV. Walidacja na poziomie systemu i dostosowywanie wydajności

Badanie sprzętu w pętli (HIL)

Symulacja strumieni danych czujników za pośrednictwem systemów symulacji w czasie rzeczywistym w celu walidacji zdolności przetwarzania danych PCBA® w przypadku jednoczesnych scenariuszy wielozadaniowych.Wykorzystanie analizatorów logicznych do przechwytywania sygnałów autobusowych i analizy przepustowości danych i wskaźników opóźnienia.

Optymalizacja oprogramowania stałego i sterowników

Optymalizacja mechanizmów odpowiedzi na przerwy dla sterowników urządzeń w systemach operacyjnych robotów (np. ROS).osiągnięcie równoległości transferu danych i obliczeń CPU za pomocą technologii DMA (bezpośredni dostęp do pamięci) w celu zwiększenia ogólnej wydajności systemu.

Projektowanie iteracyjne i szybkie tworzenie prototypów

Wykorzystanie narzędzi EDA (np. Altium Designer) do iteracji zamkniętej pętli projektowania-symulacji-produkcji w celu skrócenia cykli prototypowania PCBA.Zweryfikowanie stabilności procesu produkcyjnego poprzez produkcję próbną o niskiej objętości w celu zapewnienia wsparcia danych dla produkcji masowej.

Wniosek

Optymalizacja prędkości transmisji i przetwarzania danych dla inteligentnych robotów PCBA wymaga głębokiej integracji projektowania sprzętu, procesów produkcyjnych i walidacji systemu.udoskonalenie procesuW przyszłości, dzięki rozwojowi technologii Chiplet i opakowań 3D, można znacznie zwiększyć zdolność robotów do reagowania w czasie rzeczywistym w złożonych środowiskach.PCBA będzie jeszcze bardziej łamać ograniczenia fizyczne, nadając inteligentnym robotom silniejsze zdolności percepcyjne i decyzyjne.

Uwaga: ze względu na różnice w wyposażeniu, materiałach i procesach produkcyjnych, treść jest wyłącznie do celów odniesienia.https://www.turnkeypcb-assembly.com/

Kluczowe terminy stosowane w branży:

• PCBA: Zgromadzenie płytek drukowanych
• SMT: Technologia montażu powierzchni
• PCIe: Interkonekcja ekspresowa składników peryferyjnych
• MIPI CSI-2: Interfejs procesora w przemyśle mobilnym Camera Serial Interface 2
• HDL: Język opisu sprzętu
• Główna część własności intelektualnej: Główna część własności intelektualnej
• TDM: Podział czasowy Multipleksing
• FPGA: Pole programowalne
• NPU: Neuralna jednostka przetwarzania
• SPI/I2C: Seryjny interfejs peryferyjny/połączenie zintegrowane
• HDI: Połączenia między sieciami o wysokiej gęstości
• WLCSP: Pakiet skali chipów na poziomie płytki
• BGA: Array siatki kulkowej
• AOI: Zautomatyzowana kontrola optyczna
• AXI: Zautomatyzowana kontrola rentgenowska
• JTAG: Wspólna Grupa Działania w zakresie Testów
• SiP: System w opakowaniu
• PCB sztywne i elastyczne: tabliczka drukowana sztywne i elastyczne
• TIM: Materiał interfejsu termicznego
• HALT/HASS: Bardzo przyspieszony test życia/bardzo przyspieszony screening stresu
• HIL: sprzęt w pętli
• ROS: System operacyjny robota
• DMA: bezpośredni dostęp do pamięci
• EDA: Automatyzacja projektowania elektronicznego
• Chiplet: Technologia podłoża układu scalonego