如何设计3D打印的IOT设备PCB

从智能家居到智能汽车，智能手表和智能手机，物联网（IoT）设备已成为我们日常生活中的固定设备，并将在未来发挥更大的作用。随着应用范围的扩大，增材制造为有兴趣开发独特的IoT设备的潜在IoT设计师提供了一些真正的优势。

物联网设备需要许多标准功能，并且更多的设计人员在进入物联网领域时将需要考虑这些功能。幸运的是，学习如何设计IoT设备与设计其他类似的PCB并没有太大不同。物联网设备集成了许多功能，这些功能以前被分为不同的板，目的是在单个设备中提供感应，人机交互和通信。

传感器和接口

任何物联网设备都需要某种类型的界面，该界面允许人类与该设备进行交互。触摸屏或小键盘是用于控制IoT设备的界面的常见示例。这些组件可作为商用现货（COTS）组件广泛使用，可以轻松添加到IoT设备的PCB中。

物联网设备通常包含许多用于与外部环境交互的传感器。示例包括触摸传感器，声音或振动传感器，环境传感器和电气传感器。这些传感器是纯模拟设备，因此设计人员将需要使用MCU，FPGA，CPLD或其他集成电路将这些模拟信号直接转换为板上的数字数据。

由于物联网设备同时使用模拟和数字信号，因此设计人员需要遵循混合信号设备的标准设计规范。这涉及分离电路板的模拟和数字部分，同时保持整个器件的接地层连接性。接地的位置应确保接地平面中的数字返回信号不会在模拟组件下方传播。

3D打印在传感器设计中提供了许多优势，因为可以将传感器的导电元件直接印刷在板上，而无需使用蚀刻和电镀工艺。这对于电容式触摸传感器，应变传感器或耐化学腐蚀的环境传感器尤其有用。连接器也可以直接3D打印到板上，从而可以将COTS传感器轻松添加到3D打印的IoT设备中。

无线通讯能力

如今，很难找到使用以太网电缆硬连接到调制解调器的任何物联网设备，因此您需要在PCB中包括无线通信功能。有多种选项可用于将这些功能添加到设备中，具体取决于设备所需的无线协议。

整合无线功能的一种选择是在板上包含一个COTS天线和一个收发器。某些天线（例如橡皮鸭或贴片天线）需要使用小的同轴电缆连接到您的电路板上。或者，您可以为电路板手动设计印刷天线，例如微带天线，倒F形天线或领结天线。由于3D打印自然可以将导电元件直接打印在基板上，因此它适用于IoT设备的天线设计。

您还需要在有源或无源GPS天线之间进行选择。与无源天线相比，有源天线在天线模块中内置了一个低噪声放大器（LNA）。这些天线通常位于自己的板上，需要使用同轴电缆连接到设备。一些领结天线非常有用，因为它们还可以与GPS一起提供WLAN通信。您还需要为GPS天线模块包括一个接收器。某些COTS接收器可以正常工作，因为它们包括一个用于天线的50欧姆匹配网络，因此您无需手动设计匹配网络。

无论您是要包括用于LAN / WLAN通信的定制天线，GPS，蓝牙还是其他协议，都可以使用正确的增材制造系统将定制设计的印刷天线直接3D打印在基板上。使用沉积纳米粒子导电墨水的喷墨系统可以以任何几何形状（包括非平面选项）高精度打印天线。

3D打印物联网设备的其他优势

增材制造系统仍然无法像FR4那样用编织方式印刷刚性基材，但是正确的气雾剂或喷墨系统可以印刷电模拟FR4并具有相似电性能的聚合物电介质基材。此类材料在RF应用中具有某些优势。FR4上用于RF器件的PCB在表面层上需要特殊的层压板，以减少吸收损耗，这就是为什么某些高频器件是在陶瓷氧化铝或氮化铝上设计的原因。与FR4相比，印刷的聚合物基材在高频下的损耗可能更低，这与特种陶瓷材料中的损耗相当。

需要接地平面的天线将需要印刷在多层板上，其中接地平面位于内层。3D打印的聚合物板仅需要单层逐层沉积过程，其中导电元素和基材可以单次沉积。相比之下，刚性多层PCB需要数十次沉积，蚀刻，电镀和压制步骤，这增加了制造时间和成本。除非您从传统的PCB制造商那里订购了昂贵的小批量生产产品，否则这使得刚性板无法用于快速成型。

借助增材制造系统，一天之内即可生产和测试单个IoT设备的能力使设计人员能够快速构建原型并测试其性能。物联网设备的3D打印速度可以比传统制造的设备快90％。可以根据需要快速制定和实施设计修订。逐层沉积工艺不会将传感器和天线设计人员限制为使用纯平面设计。可以使用3D打印机制造独特的架构，包括非平面或重复的元素。

将3D打印规则应用于您设计IOT设备的方式

每个增材制造系统都有其自己的设计规则和限制。任何增材制造系统的一个重要限制是3D打印导电元件的分辨率，因为这会限制走线宽度，通孔尺寸和可放置在任何设备中的焊盘尺寸。幸运的是，喷墨3D打印机提供适用于高频天线和传感器设计的高分辨率打印。这项技术可确保您的设计能够准确打印，并且可以与传统制造工艺生产的产品媲美。

随着增材制造技术的成熟和围绕各种沉积工艺的标准的制定，物联网设计人员可以期望增材制造系统具有更大的灵活性和一致性。这将有助于简化用于小批量，高复杂度物联网设备制造的设计。