Στο πεδίο της έξυπνης ρομποτικής, η επεξεργασία δεδομένων αισθητήρων από πολλαπλές πηγές σε πραγματικό χρόνο (όπως lidar, κάμερες, μονάδες μέτρησης αδράνειας κλπ.) είναι βασική για τη διασφάλιση της αντίληψης του περιβάλλοντος σε πραγματικό χρόνο,λήψη αποφάσεωνΩς φορέας υλικού,έξυπνο ρομπότ PCBA(Εντύπωση κυκλωμάτων) απαιτεί βελτιστοποίηση σε επίπεδο συστήματος για την επίτευξη αποτελεσματικών διαδρομών μετάδοσης δεδομένων και σημαντικές βελτιώσεις στην ταχύτητα επεξεργασίας.Αυτό το άρθρο διερευνά βασικές τεχνικές προσεγγίσεις στην κατασκευή πλακών κυκλωμάτων ρομπότ από τρεις διαστάσεις: αρχιτεκτονική σχεδιασμού, διαδικασίες κατασκευής και διασφάλιση ακεραιότητας σήματος.

Ι. Αρχιτεκτονική βελτιστοποίηση των διαδρομών μετάδοσης δεδομένων

Επιλογή λεωφορείου υψηλής ταχύτητας και πρωτοκόλλου

Για την κάλυψη των απαιτήσεων υψηλού εύρους ζώνης των δεδομένων αισθητήρων, το PCBA θα πρέπει να ενσωματώνει σειριακές λεωφορείες υψηλής ταχύτητας (π.χ. PCIe, Gigabit Ethernet, MIPI CSI-2).Η υλοποίηση της στερεοποίησης του υλικού των πυρήνων IP πρωτόκολλου λεωφορείου μέσω της γλώσσας περιγραφής υλικού (HDL) μπορεί να μειώσει το λογισμικό στην επεξεργασία συσσωματωμάτων πρωτόκολλουΓια σενάρια σύντηξης πολλαπλών αισθητήρων, συνιστάται η πολλαπλασιαστική διαίρεση χρόνου (TDM) ή μηχανισμοί προτεραιότητας προγραμματισμού για να εξασφαλιστεί η προτεραιότητα μετάδοσης για κρίσιμα δεδομένα (π.χ.σήματα ανίχνευσης εμποδίων).

Σχεδιασμός διαφόρων στρωμάτων ροής δεδομένων

Χωρίστε το PCBA σε τρία στρώματα: στρώμα αισθητήρα, στρώμα επεξεργασίας και στρώμα εκτέλεσης:

• Διάταξη αισθητήρα: Ενσωμάτωση προεπεξεργαστικών ενσωματωμένων με υψηλή ακρίβεια ADC (Αναλογικοί σε ψηφιακούς μετατροπείς) και FPGA μέσω της τεχνολογίας επιφανειακής τοποθέτησης (SMT) για την επίτευξη προκαταρκτικού φιλτραρίσματος και συμπίεσης πρώτων δεδομένων.
• Τμήμα επεξεργασίας: Εφαρμογή πολυπυρηνικών επεξεργαστών (π.χ. σειρά ARM Cortex-A) ή ειδικών τσιπ επιτάχυνσης τεχνητής νοημοσύνης (π.χ. NPU) για τη βελτίωση της ταχύτητας συμπεράσματος βαθιάς μάθησης μέσω μονάδων υπολογιστών μήτρας με επιτάχυνση υλικού.
• Τόπος εκτέλεσης: Χρησιμοποιούν ταχύτατα λεωφορεία SPI/I2C για τη σύνδεση κυκλωμάτων κίνησης και διασφαλίζουν την ανταπόκριση σε επίπεδο χιλιοστών δευτερολέπτων για εντολές ελέγχου.

3D ολοκλήρωση και βελτιστοποίηση δρομολόγησης σήματος

Στην κατασκευή πλακέτων κυκλωμάτων ρομπότ, χρησιμοποιείται τεχνολογία High-Density Interconnect (HDI) για συνδέσεις μικροβίων μεταξύ των στρωμάτων για τη μείωση των διαδρομών μετάδοσης σήματος.Διεπαφές μνήμης DDR), χρησιμοποιούν δρομολόγηση ίσης μήκους με απομόνωση του επιπέδου αναφοράς για τον έλεγχο της κλίσης του σήματος κάτω των 50ps.

ΙΙ. Βελτίωση της ακρίβειας και της αποτελεσματικότητας της τοποθέτησης SMT

Επιλογή συστατικών και βελτιστοποίηση της διάταξης

• Προτεραιότητα για συσκευασίες συσκευασίας υψηλής πυκνότητας όπως WLCSP (Wafer-Level Chip Scale Package) και BGA για τη μείωση των μήκων προώθησης σήματος.
• Πριν από την τοποθέτηση του SMT, βελτιστοποιήστε τη διάταξη των εξαρτημάτων χρησιμοποιώντας λογισμικό θερμικής προσομοίωσης (π.χ.FloTHERM) για την αποφυγή συγκεντρωμένων περιοχών υψηλής θερμικής πυκνότητας και την πρόληψη της αποτυχίας των αρθρώσεων συγκόλλησης λόγω θερμικής επέκτασης.

Επικαιροποίηση υψηλής ταχύτητας και έλεγχος ποιότητας

• Χρησιμοποιούν μηχανές τοποθέτησης υψηλής ακρίβειας (ακρίβεια ± 25μm) για την αυτοματοποιημένη τοποθέτηση εξαρτημάτων μεγέθους 0201, ελαχιστοποιώντας την χειροκίνητη παρέμβαση.
• Κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης με επανεξέταση, χρησιμοποιείται φούρνο δέκα ζώνων με επανεξέταση με ακριβή ρύθμιση της καμπύλης θερμοκρασίας (τεχνολογία αιχμής ±2°C) για την αποφυγή διακοπών σήματος που προκαλούνται από ελαττώματα συγκόλλησης.

Δοκιμές σε απευθείας σύνδεση και διάγνωση ελαττωμάτων

• Να αναπτυχθεί εξοπλισμός AOI (Αυτοματοποιημένη Οπτική Επιθεώρηση) και AXI (Επιθεώρηση με ακτίνες Χ) για τη διενέργεια 100% ελέγχου για ελαττώματα, όπως κενά στις συγκόλλησεις συγκόλλησης και γέφυρες.
• Επαλήθευση της συνδεσιμότητας των λεωφορείων υψηλών ταχυτήτων μέσω δοκιμών ελέγχου ορίων (JTAG) για τη διασφάλιση της αξιοπιστίας του φυσικού στρώματος των διαδρομών μετάδοσης δεδομένων.

ΙΙΙ. Καινοτομίες στις διαδικασίες παραγωγής για έξυπνα ρομπότ PCBA

Ενσωματωμένα εξαρτήματα και τεχνολογίες συσκευασίας

Κατά την κατασκευή πλακών κυκλωμάτων ρομπότ, υιοθετείται τεχνολογία ενσωματωμένων πυκνωτών/αντίστοιχων για τη μείωση του αριθμού των επιφανειακών εξαρτημάτων και τη βελτίωση της αξιοποίησης του χώρου σε επίπεδο πλακών.Για μονάδες επεξεργασίας σήματος υψηλής συχνότητας, να επιτευχθεί σύστημα σε συσκευασία (SiP) αλυσίδων σήματος μέσω ενσωματωμένων τσιπ ραδιοσυχνοτήτων (SIP) για τη μείωση της επίδρασης παρασιτικών παραμέτρων στην ποιότητα του σήματος.

Σκληρό-ελαστικοί PCB και 3D συναρμολόγηση

Για περιοχές με περιορισμένο χώρο, όπως οι αρθρώσεις ρομπότ, σχεδιάστε άκαμπτα-ευέλικτα PCB για να επιτρέψετε τρισδιάστατες συνδέσεις μεταξύ αισθητήρων και PCBA μέσω ευέλικτων ίχνη.να χρησιμοποιούν επιλεκτική συγκόλληση κυμάτων για να εξασφαλίσουν την αξιοπιστία της συγκόλλησης σε περιοχές άκαμπτης-πλέξης.

Σχεδιασμός θερμικής διαχείρισης και αξιοπιστίας

• Εφαρμόστε υλικά θερμικής διεπαφής (TIM) στην επιφάνεια του PCBA και συνδέστε στενά τους απορροφητές θερμότητας με τις συσκευές ισχύος μέσω τοποθέτησης SMT για τη μείωση της θερμικής αντίστασης.
• Να διεξάγεται HALT (Highly Accelerated Life Test) και HASS (Highly Accelerated Stress Screening) για να επαληθεύεται η σταθερότητα του PCBA υπό ακραίες συνθήκες όπως δονήσεις, σοκ και κύκλοι θερμοκρασίας.

IV. Πιστοποίηση σε επίπεδο συστήματος και προσαρμογή επιδόσεων

Δοκιμή υλικού σε βρόχο (HIL)

Συμμετοχή στην παρακολούθηση των δεδομένων από τους αισθητήρες μέσω συστημάτων προσομοίωσης σε πραγματικό χρόνο για την επικύρωση των δυνατοτήτων επεξεργασίας δεδομένων του PCBA® υπό ταυτόχρονα σενάρια πολλαπλών εργασιών.Χρησιμοποιήστε λογικούς αναλυτές για την συλλογή σημάτων λεωφορείου και την ανάλυση μετρήσεις ροής δεδομένων και καθυστέρησης.

Βελτιστοποίηση firmware και driver

Βελτιστοποίηση των μηχανισμών απόκρισης διακοπής για τους οδηγούς συσκευών σε λειτουργικά συστήματα ρομπότ (π.χ. ROS).Επιτύχει παράλληλη μεταφορά δεδομένων και υπολογισμού CPU μέσω τεχνολογίας DMA (άμεση πρόσβαση στη μνήμη) για τη βελτίωση της συνολικής απόδοσης του συστήματος.

Επαναληπτικός σχεδιασμός και ταχεία κατασκευή πρωτοτύπων

Χρησιμοποιήστε εργαλεία EDA (π.χ. Altium Designer) για την επανάληψη κλειστού βρόχου της κατασκευής σχεδιασμού-simulation-fabrication για τη μείωση των κύκλων κατασκευής πρωτότυπων PCBA.Επικύρωση της σταθερότητας της διαδικασίας παραγωγής μέσω δοκιμαστικής παραγωγής χαμηλού όγκου για την παροχή υποστήριξης δεδομένων για μαζική παραγωγή.

Συμπεράσματα

Η βελτιστοποίηση της ταχύτητας μετάδοσης δεδομένων και επεξεργασίας για έξυπνο ρομπότ PCBA απαιτεί βαθιά ολοκλήρωση του σχεδιασμού υλικού, των διαδικασιών κατασκευής και της επικύρωσης του συστήματος.βελτίωση της διαδικασίαςΗ τεχνολογία Chiplet και η 3D συσκευασία θα συμβάλουν σημαντικά στη βελτίωση των δυνατοτήτων ανταπόκρισης των ρομπότ σε πραγματικό χρόνο σε πολύπλοκα περιβάλλοντα.Το PCBA θα σπάσει περαιτέρω τους φυσικούς περιορισμούς, παρέχοντας στα έξυπνα ρομπότ ισχυρότερες ικανότητες αντίληψης και λήψης αποφάσεων.

Σημείωση: Λόγω των διαφορών στους εξοπλισμούς, τα υλικά και τις διαδικασίες παραγωγής, το περιεχόμενο είναι μόνο για αναφορά.Το υλικό που χρησιμοποιείται για την κατασκευή του υλικού είναι το υλικό που χρησιμοποιείται για την κατασκευή του υλικού.

Χρησιμοποιούμενοι βασικοί όροι της βιομηχανίας:

• PCBA: Συνδυασμός κυκλωτικών κυκλωμάτων
• SMT: Τεχνολογία επιφάνειας
• PCIe: Περιφερειακό στοιχείο διασύνδεσης Express
• MIPI CSI-2: Διασύνδεση επεξεργαστή κινητής βιομηχανίας Διασύνδεση σειράς κάμερας 2
• HDL: Γλώσσα περιγραφής υλικού
• Πνευματική ιδιοκτησία: Πνευματική ιδιοκτησία
• TDM: Πολλαπλασιασμός χρονικής διαίρεσης
• FPGA: Πλαίσιο προγραμματισμένης σειράς πύλης
• NPU: μονάδα νευρικής επεξεργασίας
• SPI/I2C: Σειριακή περιφερειακή διεπαφή/διασυνοριακό ολοκληρωμένο κύκλωμα
• HDI: Διασύνδεση υψηλής πυκνότητας
• WLCSP: Πακέτο κλίμακας chip σε επίπεδο κυψελών
• BGA: Σύνολο πλέγματος σφαιρών
• AOI: Αυτοματοποιημένη οπτική επιθεώρηση
• AXI: Αυτοματοποιημένη επιθεώρηση με ακτίνες Χ
• JTAG: Κοινή Ομάδα Δράσης για τις Δοκιμές
• SiP: Συστήματα σε συσκευασία
• Πίνακες PCB άκαμπτων και ευέλικτων κυκλωμάτων
• TIM: Υλικό θερμικής διεπαφής
• HALT/HASS: Υψηλά επιταχυνόμενη δοκιμή ζωής/υψηλά επιταχυνόμενη ανίχνευση στρες
• HIL: Εργαλεία στο βρόχο
• ROS: Λειτουργικό σύστημα ρομπότ
• DMA: Άμεση πρόσβαση στη μνήμη
• EDA: Ηλεκτρονική αυτοματοποίηση σχεδιασμού
• Chiplet: Τεχνολογία υποστρώματος ολοκληρωμένου κυκλώματος