技術(shù)工程師分享：為何PCB設(shè)計(jì)需要3D功能?

　　設(shè)計(jì)和建造下一代電子產(chǎn)品是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，特別是電子行業(yè)這樣一個(gè)全球高度競(jìng)爭(zhēng)的行業(yè)，在這個(gè)行業(yè)中快速而持續(xù)的技術(shù)變革已成為一件普通的事情和創(chuàng)新規(guī)則。如果設(shè)計(jì)者不能接受這些變化，就會(huì)面臨被競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手甩在身后的風(fēng)險(xiǎn)，甚至完全無(wú)法再加入競(jìng)爭(zhēng)。對(duì)于印刷電路板（PCB）設(shè)計(jì)而言，這種形勢(shì)尤為明顯。在這個(gè)市場(chǎng)中，消費(fèi)者更希望得到體積更小、價(jià)格更低、速度更快和功能更多的電子產(chǎn)品，再加上不斷縮短的設(shè)計(jì)周期以及在地理上分散的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，正在不斷推進(jìn)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，并將傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)工具的使用推向其極限水平。網(wǎng)絡(luò)數(shù)量的增加、更嚴(yán)格的設(shè)計(jì)約束和布線密度，以及向高速度、高密度項(xiàng)目的逐步遷移，進(jìn)一步加劇了PCB復(fù)雜性。這種趨勢(shì)正在影響這個(gè)產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，而不僅僅是高端消費(fèi)電子產(chǎn)品。

　　幸運(yùn)的是，PCB設(shè)計(jì)工具近年來(lái)已得到穩(wěn)步發(fā)展，以應(yīng)對(duì)這種日漸復(fù)雜的設(shè)計(jì)領(lǐng)域所帶來(lái)的挑戰(zhàn)。一項(xiàng)重大改變——3D功能的采用，有望使設(shè)計(jì)者可以兼顧設(shè)計(jì)創(chuàng)新和全球市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

　　在3D世界中設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)

　　傳統(tǒng)上，電路板設(shè)計(jì)者都依賴于設(shè)計(jì)樣機(jī)，以便在制造前確保設(shè)計(jì)的形狀、適配度和功能性。雖然可行，但這種方法有許多缺點(diǎn)。首先，在制造出實(shí)際樣機(jī)之前設(shè)計(jì)者不能確定電路板是否適合。其次，這種方法一般會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)過(guò)程中需要多次制作樣機(jī)。再有，多次樣機(jī)非常耗費(fèi)時(shí)間，而且對(duì)于一項(xiàng)中度復(fù)雜的設(shè)計(jì)樣機(jī)的平均成本為8，929美元。在設(shè)計(jì)過(guò)程中的任何額外時(shí)間或費(fèi)用的增加，不僅會(huì)影響一個(gè)公司的競(jìng)爭(zhēng)力，也會(huì)阻礙我們向新業(yè)務(wù)的進(jìn)軍，這就不難理解為何這種方法不受歡迎了。

　　另一個(gè)缺陷是PCB設(shè)計(jì)傳統(tǒng)上是二維設(shè)計(jì)?；旧希O(shè)計(jì)都是以2D方式創(chuàng)建的，經(jīng)過(guò)手工標(biāo)注后，傳遞給機(jī)械設(shè)計(jì)工程師。機(jī)械工程師采用機(jī)械CAD軟件對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行3D重繪。由于完全是手動(dòng)操作，這種方法非常耗時(shí)，且容易出錯(cuò)。所以，它無(wú)法為設(shè)計(jì)下一代電子產(chǎn)品提供有競(jìng)爭(zhēng)力的差異性?，F(xiàn)在問(wèn)題很明顯了，電路板設(shè)計(jì)者需要找到更好的方法來(lái)查看和分析他們?nèi)諠u復(fù)雜的設(shè)計(jì)。

　　PCB設(shè)計(jì)者的最終目的是為真實(shí)世界（具有3個(gè)維度）創(chuàng)造產(chǎn)品，因此最佳的解決方法就是使用一種具有先進(jìn)的3D功能的設(shè)計(jì)工具。它可讓設(shè)計(jì)者在生產(chǎn)之前就能夠查看設(shè)計(jì)真實(shí)的3D圖像，不再需要制作樣機(jī)，節(jié)省時(shí)間和資金（圖1）。可以輕松地生成準(zhǔn)確的3D模型，然后把它們用于在真實(shí)的3D中進(jìn)行電路板布局。此外，還可將目標(biāo)外殼的3D模型導(dǎo)入到PCB設(shè)計(jì)中，確保設(shè)計(jì)出來(lái)的電路板能夠完美地放置到這個(gè)殼體中。最后，設(shè)計(jì)者能夠滿懷信心地提交他們的設(shè)計(jì)文件用于生產(chǎn)了。

　　圖1.通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)的3D視覺(jué)化，設(shè)計(jì)者能夠以3D的形式對(duì)一項(xiàng)設(shè)計(jì)的內(nèi)外各個(gè)方面進(jìn)行檢查。

　　3D導(dǎo)出功能提供給設(shè)計(jì)者在其他分析工具中進(jìn)行進(jìn)一步分析的能力，比如散熱分析和電磁仿真分析。對(duì)于如今每種使用無(wú)線連接的、緊湊型電池供電設(shè)備，散熱效果完全取決于電路板形狀，這個(gè)功能極為關(guān)鍵。由于這些功能，PCB設(shè)計(jì)工具中的3D功能對(duì)于快速、準(zhǔn)確而低成本設(shè)計(jì)下一代電子產(chǎn)品是絕對(duì)是必不可少的。

　　你我需要：全3D功能

　　PCB設(shè)計(jì)中添加3D功能的價(jià)值是無(wú)可否認(rèn)的，因此許多公司目前均以能夠提供此功能作為一個(gè)宣傳點(diǎn)。但是，這些設(shè)計(jì)工具提供的3D功能是大不相同的。為了發(fā)揮3D的全部好處，僅僅實(shí)現(xiàn)真實(shí)3D圖像的查看是不夠的，還要擴(kuò)展到全3D的功能，包括：

　　●為設(shè)計(jì)創(chuàng)建3D動(dòng)畫(huà)/視頻的能力。通過(guò)此功能，設(shè)計(jì)者能夠輕松分享、展示他的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，甚至還可以把它們作為營(yíng)銷用的資料。它還能夠促進(jìn)與其它設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)或制造商的更好的合作。比如，通過(guò)一段3D視頻，設(shè)計(jì)者可以向制造商展示完成裝配后產(chǎn)品的樣子，視頻還可以用于說(shuō)明元器件在電路板上的焊裝順序。

　　●將3D模型（包括元器件）導(dǎo)入電路板設(shè)計(jì)中的能力。請(qǐng)注意，一些設(shè)計(jì)工具缺乏此項(xiàng)功能，僅允許設(shè)計(jì)者以2D形式執(zhí)行基本可視化和元件間隙檢查。但是，如果能夠?qū)胪鈿ぜ捌渌鼨C(jī)械物體，就可以保證第一時(shí)間把元器件放在合適的位置。

　　●在設(shè)計(jì)規(guī)則中支持3D檢查的能力。由于規(guī)則就是設(shè)計(jì)過(guò)程中的實(shí)時(shí)指南，所以這是一項(xiàng)非常重要的功能。3D的設(shè)計(jì)規(guī)則檢驗(yàn)器可告訴設(shè)計(jì)者，兩個(gè)元器件之間、元器件與外殼之間或者元器件與散熱器之間，在3D空間內(nèi)（所有軸上）是否存在干擾。

　　●對(duì)PCB內(nèi)層結(jié)構(gòu)中的銅層建模的能力。盡管使用具有3D功能的ECAD包，在制造過(guò)程中仍有可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。在設(shè)計(jì)后期這種階段才發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，會(huì)大大增加成本。對(duì)PCB內(nèi)層結(jié)構(gòu)中的銅層建模能力，讓設(shè)計(jì)者能夠輕松查看和檢驗(yàn)管腳與內(nèi)層的連接或者熱連接（thermal reliefs）。

　　以3D形式進(jìn)行設(shè)計(jì)帶來(lái)的好處

　　以3D形式進(jìn)行設(shè)計(jì)可為您帶來(lái)許多益處。它可以把MCAD與ECAD迭代循環(huán)減至一個(gè)循環(huán)（某些情況下為零），從而縮短設(shè)計(jì)周期，而且最大程度地減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，從而大大提高生產(chǎn)效率。而且，通過(guò)消除電路板布局與外殼相適配的不確定性，能夠讓設(shè)計(jì)者安心地將精力放到產(chǎn)品美觀性的設(shè)計(jì)上。

　　3D設(shè)計(jì)的其它好處有：

　　●競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。通過(guò)在一個(gè)組織內(nèi)以及供應(yīng)商和客戶之間改進(jìn)溝通，3D設(shè)計(jì)可加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)速度，讓制造流程更加合理高效，并加速產(chǎn)品的推廣。設(shè)計(jì)成本降低，利潤(rùn)率提高，同時(shí)上市時(shí)間的提前和產(chǎn)品質(zhì)量的提升意味著收益的增加。

　　●提升全球合作。一個(gè)真實(shí)的3D設(shè)計(jì)圖像可以提高同供應(yīng)商、客戶以及制造商的溝通效率。它甚至允許非CAD人員參與到這個(gè)過(guò)程中來(lái)（比如，應(yīng)用于客戶問(wèn)卷調(diào)查、明確說(shuō)明或產(chǎn)品配置）。這對(duì)于目前許多公司都傾向于外部生產(chǎn)（在中國(guó)或本地）的情況下尤為重要。不論設(shè)計(jì)意圖或所需最終產(chǎn)品為何，全球性的設(shè)計(jì)和制造極其容易引入錯(cuò)無(wú)和誤解。而3D設(shè)計(jì)圖像可提供通用的、易于理解、所有團(tuán)隊(duì)成員均能操作的平臺(tái)。

　　●更高效的設(shè)計(jì)審核和修改。創(chuàng)建3D渲染和動(dòng)畫(huà)的能力簡(jiǎn)化了編寫設(shè)計(jì)方案以及在設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)成員中審核設(shè)計(jì)等工作。它還允許設(shè)計(jì)者輕松實(shí)施修改并更新最新的設(shè)計(jì)改動(dòng)。比如，一旦完成改動(dòng)或修改，即可以輕松地生成一個(gè)新的3D渲染或動(dòng)畫(huà)。

　　●更高效的制造和裝配過(guò)程。3D模型提供了一個(gè)通用的基礎(chǔ)，制造商能夠利用它來(lái)工作，同時(shí)也能夠更準(zhǔn)確而明晰地傳達(dá)設(shè)計(jì)意圖及相關(guān)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。以前只有生產(chǎn)后才能發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中就能及早被發(fā)現(xiàn)。因此，采用3D模型來(lái)制造和裝配產(chǎn)品會(huì)要準(zhǔn)確、更高效。

　　●促進(jìn)銷售，推動(dòng)營(yíng)銷。產(chǎn)品的3D模型可成為一種寶貴的營(yíng)銷工具，它可以在生產(chǎn)出產(chǎn)品之前讓客戶看到產(chǎn)品的全貌，所以銷售部門可以快速地做出市場(chǎng)評(píng)估報(bào)告，從而幫助我們帶來(lái)額外的收益。

　　結(jié)論

　　多年來(lái)，實(shí)時(shí)3D圖形技術(shù)已經(jīng)徹底地改變了社會(huì)與計(jì)算機(jī)的互動(dòng)方式。通過(guò)3D PCB設(shè)計(jì)工具，這種變革目前已來(lái)到PCB設(shè)計(jì)領(lǐng)域。它正在改變電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造方法。然而，與任何新技術(shù)或方法一樣，找到最佳的實(shí)施和使用方式是非常重要的。對(duì)于希望從3D中獲益的PCB設(shè)計(jì)者，這意味著要選擇一種能夠提供全3D功能的軟件方案。這種方案提供了電路板設(shè)計(jì)者所需要的、能夠幫助他們?cè)谌遮厪?fù)雜的設(shè)計(jì)環(huán)境中創(chuàng)建出具有競(jìng)爭(zhēng)力的下一代電子產(chǎn)品的功能。