通过跨学科设计克服小型化障碍

自从戈登·摩尔 (Gordon Moore) 1965 年预测芯片晶体管数量每两年增加一倍以来，电子行业一直以惊人的准确率且孜孜不倦地追求这一路线图。现在，半个多世纪过去了，所谓的摩尔定律已经确立了计算进步的稳定步伐，导致了一代又一代越来越智能、更快和更小的电子产品。

当IBM于2021年推出其2纳米芯片技术时，被誉为整个半导体行业的重大突破。与最先进的 7 纳米节点芯片相比，将 500 亿个晶体管放置在指甲大小的空间中预计可实现 45% 的性能提升或 75% 的功耗降低。

对于产品设计师来说，这项变革性技术可以将手机电池寿命延长四倍，减少数据中心的碳足迹，加速笔记本电脑功能，并加快自动驾驶汽车的响应时间。 简而言之，更小、更快、更高效率的芯片为设计人员提供了更多选择来提高产品性能。

然而，设计人员必须首先清除越来越多的障碍，这些障碍需要具备跨学科问题解决能力，以满足对更强大的组件和尺寸不断缩小的需求。

跨学科产品设计：优点和权衡

当今产品设计师面临的最关键因素是在功能优势和运营权衡之间找到适当的平衡。 这就需要对不同的设计考虑因素进行严格的评估，以确定每个新特性或功能对机械性能、可操作性和可靠性的潜在影响。

同样重要的是识别电气性能的任何潜在问题，例如以更低的功耗和延迟实现更高的速度和频率。

精明的设计师正在采用一种更专业的方法，包括创建一支具有跨学科技能和专业知识的团队，他们精通应对较小空间和形状的不可预见的挑战。解决一系列小型化挑战需要采取“全体人员齐心协力”的方法，机械、电气和热工程师从一开始就需要参与到这一环节中。

最新制造工艺创新和自动化的实践经验至关重要，这是因为现在许多组件都太小而无法手工放置，这需要高度自动化制造技术的专业知识。

每个利益相关者的设计难题都必须无缝集成到一个模块/设备中。 市场在小型化方面都有不同的权衡。 在数据中心领域，处理及传输速度是人们最关心的问题，而在工业和消费设备产品中，稳健性则至关重要。

例如，在手机市场，5G 的前景正在加剧对小型化的需求，这主要是因为 5G 相关功能需要更多的电量，因此需要更大的电池。随着缩小其他组件的压力越来越大，工程师们正在使用越来越小的射频连接器以及不同高度的连接器来应对，以提供更大的组件放置灵活性。

连接器开发案例研究

当 Molex 着手开发其 Flex-to-Board 射频毫米波连接器 5G25 系列时，全球专家团队利用射频和天线设计、高速连接和批量制造方面的经验来支持 5G 的更高频率，同时提高信号标准稳定性、稳健性和易于组装特性。 这种端到端的整体产品设计方法实现了空间节省，旨在满足高达 25 GHz 的 5G 毫米波 (mmWave) 应用的需求。

Molex 的 5G25 系列连接器可提供高信号完整性性能。 插座或插头内的中心屏蔽触点隔离每一行，以提高整体信号完整性稳定性，以满足严格的 5G 连接要求。

他们面临的众多障碍之一是避免信号泄漏的严格要求，这促进了新的无缝制造方法，以及全面的电磁干扰 (EMI) 屏蔽以实现最佳的信号完整性。为了实现这一目标，该团队将传统的设计和制造规则与更具创新性和协作性的设计方法相结合。这种方法有助于缓解较高速度下普遍存在的常见问题，例如信号丢失、干扰和串扰。

通过实现关键电气、机械和环境要求的战略平衡，团队能够在几个月内提供工程原型。通过每月500 万个连接器产能，一家领先的智能手机制造商迅速借此提高了产量。

在每个设计步骤中，思想交流和性能模拟使得提高电气和机械性能成为可能。与此同时，制造工程师确保成型、冲压和电镀工作顺利进行，为批量生产做好准备。

当设计师分享不同的经验以找到共同点并互相学习时，风险管理得到了集体解决。容易理解的是，每个流程或功能都有自己的设计规则，包括一些必须考虑的余量。 然而，加速小型化需要降低整个系统或流程的风险，而这可以通过利用从其他行业收集的见解来增强。

电动汽车的兴起是创造对轻型电子产品需求的另一个趋势。大型工业设备可以受益于重量敏感的机械臂上微型传感器，而企业数据中心不断增长的带宽需求正在推动更轻的互连线缆进步。

专注于互联医疗保健应用的设计师和工程师也需要高度专业的小型化知识。与此同时，那些专注于移动和可穿戴设备的开发者对创建高密度和复杂的功能则最有洞察力。

小型化连接器难题

小型化的势头引发了看似无穷无尽的设计挑战和权衡，其中之一是电路板和组件之间的连接正在发生变化。 电连接器在产品设计中发挥着至关重要的作用，提供包括线对板、线对线、板对板、柔性扁平电缆 (FFC)、柔性印刷电路 (FPC)、开关、I/O、电源和射频等各种连接。 随着整体设计的缩小，连接器也必须缩小。

微型连接器在当今的许多解决方案中发挥着低调但决定成败的作用，提供了不断提高的配合能力、稳健性、接触可靠性、电流容量和可焊性。 这项任务并非没有明显的挑战。

尽管较小的连接器引脚可能可以提供更高频率的信号，但很难在其与机械性能之间取得平衡。 此外，较小的连接器占地面积可能会在高速信号和射频信号之间产生信号干扰。 必须权衡多种因素，因为规模与性能直接相关。 机械限制也发挥着作用，例如汽车领域的连接器必须坚固、防水和防振。

为此，设计人员对连接器布局越来越有创意，而不是不断尝试缩小连接器尺寸。 去年，Molex 推出了四排板对板连接器，该连接器采用交错电路布局，与传统连接器设计相比可节省 30% 的空间。

Molex 四排板对板连接器可实现 0.175 毫米信号间距，同时保留行业标准 0.35 毫米焊接间距。

Molex这款产品是与一家主要智能手表制造商的产品开发人员的长期合作促成了这一设计，该设计将引脚以 0.175 毫米的信号接触间距跨四排定位。 除了节省空间之外，该设计还实现了高密度电路连接，适合空间有限的智能手机、智能手表、医疗可穿戴设备和增强现实/虚拟现实 (AR/VR) 设备。

在满足最严格的小型化要求方面，可穿戴设备处于领先地位。该细分市场要求将新功能嵌入到极小的封装中，因此始终需要进行更小外形和更短长度的设计工作对于下一代射频连接器来说，最棘手的障碍是提供更高的速度/频率、阻抗匹配等信号完整性以及隔离性能，同时平衡机械性能——所有这些都在更小的占地面积内实现。 新兴应用将继续推动下一代连接器设计的进步。

可制造性设计原则已经受到需要米粒大小连接器的应用挑战。在此方面处于领先地位的制造商正在应用全自动流程，其中包括多个视觉检测系统，以确保准确的尺寸管理。

随着手动装配方法的最终消亡，制造商必须采取以机器人为中心的装配方法并逐步扩展。 小型化的势头并不是唯一的动力，因为制造商必须遵守严格的质量保证计划 (QAP) 改进。 同时，由于需要更高的功能，模块成本变得更加昂贵，组装过程中的故障率增加了每台设备的成本。因此，有时需要更坚固的连接器，而不仅仅是为了追求小型化。

为了缓解设计关键连接点的难题，工程师应该在系统/架构设计阶段尽早让机械和连接器专家参与进来。 这不仅会降低连接复杂性，而且可以为优化整个系统设计（包括成本和可制造性）做出显着贡献。

团队小型化努力：将创新付诸行动

最大限度地减少围绕成本、空间、连接性和功能的权衡的最佳途径是工程师齐心协力，确定他们需要在可接受的窗口内实现的优先级。依靠具有更高引脚数和越来越小的连接器的新型处理器，可能是满足短期需求的可持续解决方案，但从长远来看，这并不是正确的方法。

在某些情况下，不可能扩展现有技术的发展轨迹。因此，必须创造新的产品来提供具有超低功耗、高速信号处理以及在复杂预测技术辅助下的 VR 融合的产品。

NTT 集团正在努力通过开发其创新光纤和无线网络 (IOWN) 概念来实现这一目标。 它协调了包括英特尔和索尼在内的近 30 家其他公司的工作，开发一种全光子网络，该网络融合了从网络到设备，甚至内部芯片等各个层面的光学技术。

但目前，如果小型化连接器可用于更高的速度，并且如果一些数字信号可以集成到一个更高的信号中，那么通过应用串行器/解串器 (SerDes) 芯片，同样也是可行的。当然，这只是一种选择，但需要开发其他潜在的替代方案。

显然，处理小型化的细微差别是一项团队运动，因此喜欢协作的产品设计师对于推动新产品和连接创新，同时解决电源管理、信号完整性和可制造性问题变得越来越重要。 当一群工程师深刻理解需要创新的原因时，他们可以专注于开发多种替代方案，并指出每种方案的优缺点。

物理终点线：接下来会发生什么？

随着行业越来越接近物理极限，进一步缩小规模也变得越来越昂贵（如果不是不可能的话）。 那么，摩尔定律将会被什么取代呢？ 短期内，更频繁地针对每种功能设计专用芯片，例如 AI 加速器、GPU 或视频加速器。这些小芯片随后用于 2D 或 3D 堆叠多芯片模块。 展望未来，正在考虑的一些解决方案是使用忆阻器或石墨烯来设计量子计算机。

虽然小型化的时机和权衡将继续根据产品、行业部门和合作伙伴生态系统的不同而有所不同，但有一些普遍适用的真理。在所有情况下，归根结底都是通过应用工程、规划和制造专业知识和经验的正确组合来确定最佳的前进道路，敏锐地创造价值，同时控制成本。