AI在PCB制造中的潛力

AI技術(shù)是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)，它影響了許多行業(yè)，包括以互補(bǔ)的方式進(jìn)行電子設(shè)計(jì)和制造。印刷電路板(PCB)設(shè)計(jì)和制造是大多數(shù)現(xiàn)代電子設(shè)備的核心，也不例外。它們充當(dāng)連接和支持組件的平臺(tái)。在一個(gè)市場(chǎng)上，對(duì)高零件密度，散熱和精度有要求的PCB的需求正在不斷增長(zhǎng)，對(duì)設(shè)計(jì)過程的優(yōu)化解決方案正在并行開發(fā)。

此外，隨著設(shè)備的復(fù)雜性和小型化水平增加了，以及對(duì)準(zhǔn)確性，速度和可擴(kuò)展性的越來越嚴(yán)格的需求，將AI集成到PCB生命周期中已成為必要，而不是可選的選擇。 PCB制造中的AI采用可以分為兩個(gè)主要階段：設(shè)計(jì)和制造。在這兩個(gè)階段中，機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)都在優(yōu)化過程，直到最近，這些過程都嚴(yán)重依賴人類干預(yù)。新技術(shù)的廣泛采用表明了AI在輔助設(shè)計(jì)中的重要性及其在現(xiàn)代PCB設(shè)計(jì)中實(shí)施的潛力。

智能PCB設(shè)計(jì)

在PCB設(shè)計(jì)過程中，AI由于能夠加快和優(yōu)化設(shè)計(jì)人員的工作而產(chǎn)生了重大影響。 PCB設(shè)計(jì)涉及復(fù)雜的迭代步驟，工程師必須應(yīng)對(duì)諸如組件放置，跟蹤路由，減少電磁干擾(EMI)以及遵守制造規(guī)則等挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)過程可能需要幾天或幾周，尤其是對(duì)于具有高密度或性能要求的項(xiàng)目。

隨著AI的介紹已經(jīng)超過了既定的生產(chǎn)方法，許多這些任務(wù)可以由智能工具自動(dòng)化或支持。機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以分析數(shù)千種現(xiàn)有設(shè)計(jì)并確定組件布局的最佳模式，而高級(jí)AI驅(qū)動(dòng)的路由系統(tǒng)可以為跡線提出有效的路徑，從而最大程度地減少整體長(zhǎng)度并提高信號(hào)完整性。此外，AI可以以極高的精度模擬和預(yù)測(cè)電磁干擾，從而使設(shè)計(jì)人員甚至在進(jìn)入原型階段之前都可以優(yōu)化設(shè)計(jì)。

PCB設(shè)計(jì)中基本重要性的另一個(gè)方面是驗(yàn)證和驗(yàn)證。 AI驅(qū)動(dòng)的工具可以檢測(cè)出常見的錯(cuò)誤，例如短路或違反設(shè)計(jì)規(guī)則，其速度和準(zhǔn)確性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人類的能力。 AI可以動(dòng)態(tài)地適應(yīng)項(xiàng)目的特定要求，并建議以動(dòng)態(tài)方法來平衡成本，性能和可靠性等因素。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)軟件相比，整合人工智能的工具是向前邁出的一大步，該軟件通常需要手動(dòng)干預(yù)來識(shí)別和解決問題。

AI優(yōu)化了PCB設(shè)計(jì)和制造

PCB制造是一個(gè)高度技術(shù)性的過程，需要精確控制每個(gè)步驟，從銅礦床到絲網(wǎng)印刷，鉆井和最終組裝。借助新的基于AI的技術(shù)，可以提高質(zhì)量，減少生產(chǎn)時(shí)間并最大程度地減少浪費(fèi)。涉及實(shí)施AI的PCB設(shè)計(jì)需要?jiǎng)?chuàng)建模型并優(yōu)化設(shè)計(jì)。數(shù)值模型的構(gòu)建將PCB布局的特性(例如優(yōu)化的組件放置，有效的跟蹤路由，熱規(guī)格等)與設(shè)計(jì)性能指標(biāo)(功率完整性規(guī)格，信號(hào)完整性規(guī)格，功率輸出/消耗等)有關(guān)。

迄今為止，AI最相關(guān)的應(yīng)用之一是質(zhì)量控制，在該算法中支持的高級(jí)計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)可以在不同生產(chǎn)階段進(jìn)行分析和檢查PCB的圖像，以檢測(cè)任何缺陷，例如短路，痕量中斷或錯(cuò)位。這種策略可以提高生產(chǎn)率，也可以降低與突然維修相關(guān)的成本，或者更糟的是對(duì)組件的過早更換。使用AI的好處還在于最小化信號(hào)路徑并提高熱效率。 ML算法還用于模擬PCB的電磁行為，從而確保更高的可靠性。

人工智能用于控制和優(yōu)化每個(gè)印刷層，確保準(zhǔn)確性和質(zhì)量，而算法則在實(shí)時(shí)監(jiān)控公差，維變化和材料密度，并在差異時(shí)自動(dòng)介入。本質(zhì)上，AI驅(qū)動(dòng)的工具能夠?qū)W習(xí)和適應(yīng)，不斷提高其準(zhǔn)確性并降低誤報(bào)或負(fù)面因素的風(fēng)險(xiǎn)。

AI有所作為的另一個(gè)戰(zhàn)略領(lǐng)域是生產(chǎn)設(shè)備的預(yù)測(cè)維護(hù)：通過分析安裝在機(jī)器上的傳感器收集的數(shù)據(jù)，AI算法可以預(yù)測(cè)機(jī)器何時(shí)接近故障，從而避免了及時(shí)的干預(yù)措施，從而避免了計(jì)劃外的停機(jī)時(shí)間。 AI還用于優(yōu)化組裝過程，尤其是對(duì)于使用表面安裝組件的PCB。智能系統(tǒng)可以分析拾取機(jī)器配置并優(yōu)化機(jī)器序列，從而減少定位每個(gè)組件所需的時(shí)間。此外，AI可以通過確保將每個(gè)組件的精確度放置，可以改善設(shè)備校準(zhǔn)。

模擬和數(shù)字雙胞胎的新領(lǐng)域

AI在PCB制造中最有希望的應(yīng)用之一是與數(shù)字雙胞胎集成。數(shù)字雙胞胎是產(chǎn)品或過程的虛擬復(fù)制品，可用于模擬和優(yōu)化生產(chǎn)的各個(gè)方面。在AI的幫助下，數(shù)字雙胞胎可以預(yù)測(cè)PCB在整個(gè)使用壽命中的表現(xiàn)如何，在出現(xiàn)潛在的問題之前。在制造業(yè)的背景下，數(shù)字雙胞胎可以通過生成自動(dòng)化的工作流程并允許公司測(cè)試新配置而不中斷真實(shí)生產(chǎn)，這對(duì)于引入設(shè)計(jì)更改或適應(yīng)新材料或技術(shù)特別有用，從而模擬整個(gè)制造過程，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)人員的工作。

集成基于AI的熱應(yīng)力仿真的工具為設(shè)計(jì)人員提供了有關(guān)PCB在極端操作條件下的性能的立即反饋。在這些模擬中，AI實(shí)時(shí)分析了大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以提供準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和優(yōu)化，模擬PCB的電氣行為，并確定異常或效率低下。此方法減少了對(duì)物理測(cè)試的需求，并加快了原型開發(fā)時(shí)間。

數(shù)據(jù)在AI時(shí)代的戰(zhàn)略重要性

為了充分利用AI的潛力，PCB制造商必須具有準(zhǔn)確且結(jié)構(gòu)良好的數(shù)據(jù)。來自傳感器，機(jī)械和生產(chǎn)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)是開發(fā)算法的基礎(chǔ)，但是收集和處理此數(shù)據(jù)并非沒有挑戰(zhàn)。有必要采用能夠整合來自不同來源和格式的信息的高級(jí)數(shù)據(jù)管理解決方案。

在明顯的局限性中，事實(shí)證明是機(jī)遇的事實(shí)，即隨著新數(shù)據(jù)的可用，AI需要一個(gè)連續(xù)的學(xué)習(xí)和更新周期。必須對(duì)算法進(jìn)行培訓(xùn)以反映當(dāng)前狀況和需求，所有這些都需要對(duì)技術(shù)和人類技能進(jìn)行投資，工程師和AI專家與制造專家緊密合作。

PCB設(shè)計(jì)中人工智能的未來在于直接生成CAD數(shù)據(jù)，包括PCB的布局。這可能包括組件的生成放置，例如組和關(guān)鍵點(diǎn)。一旦將AI驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)屋放置在將設(shè)計(jì)的特定部分路由設(shè)計(jì)。最后，采用人類在循環(huán)的方法中有資格的輸出可以增強(qiáng)學(xué)習(xí)，因此只有表現(xiàn)最好的人才能成為訓(xùn)練集的一部分。

該算法從以前的設(shè)計(jì)中學(xué)習(xí)并自動(dòng)提出最佳布局配置，這對(duì)于在安全和可靠性規(guī)格嚴(yán)格的行業(yè)(例如汽車和航空航天)中使用的PCB尤其有用。增強(qiáng)學(xué)習(xí)方法是構(gòu)建基于AI的PCB設(shè)計(jì)模型的最佳選擇。具有與之相關(guān)的PCB布局?jǐn)?shù)據(jù)的設(shè)計(jì)的任何部分都可以用于構(gòu)建設(shè)計(jì)AI模型。

顯然，前端最重要的任務(wù)是對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行分類和標(biāo)記設(shè)計(jì)，以便訓(xùn)練數(shù)據(jù)與某些設(shè)計(jì)域一致。一旦您擁有用于PCB域的生成模型，系統(tǒng)就可以生成CAD數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)人員可以檢查，以驗(yàn)證放置，路由，約束和機(jī)械形態(tài)。手動(dòng)編輯該項(xiàng)目后，可以將其重新插入培訓(xùn)集中。增強(qiáng)學(xué)習(xí)過程使您可以不斷地更新生成模型并通過可接受的設(shè)計(jì)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

PCB制造中的應(yīng)用和工具

在PCB行業(yè)中，人工智能的整合是由一些利用這些技術(shù)改進(jìn)和創(chuàng)新電子設(shè)計(jì)和制造過程的公司驅(qū)動(dòng)的。其中，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化解決方案的全球領(lǐng)導(dǎo)者西門子EDA(電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)使用先進(jìn)的AI技術(shù)來徹底改變PCB設(shè)計(jì)過程。該公司代表了AI如何改變電子行業(yè)的獨(dú)特模型，其主要目的是減少審查時(shí)間和成品質(zhì)量。

在西門子EDA的情況下，該行業(yè)的公司可以加快設(shè)備上市時(shí)間的速度，同時(shí)降低原型制造和制造成本。西門子憑借其Xcelerator投資組合，引入了工具，將機(jī)器學(xué)習(xí)和預(yù)測(cè)分析結(jié)合在一起，以應(yīng)對(duì)現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)。最高工具之一是HyperLynx，它使用AI來優(yōu)化PCB中的信號(hào)完整性和電源管理。該算法分析電路布局，以識(shí)別潛在的電磁干擾(EMI)或電容耦合問題。

傳統(tǒng)上，這些分析需要經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師進(jìn)行的數(shù)小時(shí)的復(fù)雜模擬，而使用AI，HyperLynx可以自動(dòng)和更少的時(shí)間自動(dòng)發(fā)現(xiàn)問題并提出解決方案。另一個(gè)相關(guān)的工具是Valor，它通過使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法將PCB設(shè)計(jì)與數(shù)千種實(shí)際制造配置進(jìn)行比較，可以自動(dòng)標(biāo)記錯(cuò)誤或可能阻礙生產(chǎn)的不一致之處，從而自動(dòng)化制造設(shè)計(jì)(DFM)驗(yàn)證。

Cadence Design Systems是EDA行業(yè)的另一個(gè)全球領(lǐng)導(dǎo)者，廣泛使用AI技術(shù)和高級(jí)模擬來提高PCB設(shè)計(jì)的效率和準(zhǔn)確性。一個(gè)例子是Cadence大腦平臺(tái)，它利用機(jī)器學(xué)習(xí)的力量自動(dòng)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化布局。 Cadence大腦依靠深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來根據(jù)復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)(例如信號(hào)完整性，熱性能和功耗)來優(yōu)化設(shè)計(jì)。該工具使設(shè)計(jì)人員可以比傳統(tǒng)方法快得多，同時(shí)降低錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)。

Cadence還將AI集成到其仿真工具中，例如Virtuoso和Allegro，以在物理生產(chǎn)之前對(duì)印刷電路板性能進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，從而降低原型成本。 Cadence Design Systems通過Allegro和Orcad平臺(tái)提供了PCB設(shè)計(jì)優(yōu)化的高級(jí)工具，這些工具整合了原理圖，布局設(shè)計(jì)和仿真，簡(jiǎn)化了任務(wù)，例如信號(hào)完整性分析，高速設(shè)計(jì)和制造控件。 Orcad X和Allegro X是其各自的Cadence電路設(shè)計(jì)軟件的最新更新。

Allegro X提供了其他功能，但兩者都能滿足現(xiàn)代DFM印刷電路板的挑戰(zhàn)。 3D可視化，實(shí)時(shí)DRC驗(yàn)證和AI驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化等功能提高了生產(chǎn)率。 Allegro X支持剛性的設(shè)計(jì)和高級(jí)鉆孔技術(shù)，并使用功能強(qiáng)大且靈活的工具來革新DFM工作流程，以設(shè)計(jì)復(fù)雜的PCB，而Orcad X則提供了一個(gè)用于復(fù)雜電子設(shè)備的直觀界面。對(duì)于剛性的布局，Allegro X允許您通過定制的堆棧和邊界定義違反標(biāo)志設(shè)計(jì)規(guī)則檢查(DRC)的邊界，輕松管理材料的機(jī)械和電氣性能的復(fù)雜性。

高級(jí)功能(例如Microvias和CounterSinks)包括自動(dòng)設(shè)置，這些設(shè)置簡(jiǎn)化了與制造商的通信，從而確保準(zhǔn)確性和質(zhì)量。用戶可以利用電動(dòng)機(jī)發(fā)生器設(shè)計(jì)優(yōu)化的動(dòng)態(tài)計(jì)劃，減少阻抗和散熱。此外，該系統(tǒng)通過與Sigrity等工具兼容，改善了設(shè)計(jì)和仿真之間的相互作用，該工具提供了更準(zhǔn)確的分析。與Orcad X的兼容性進(jìn)一步豐富了該過程，從而允許文件共享和集成復(fù)雜布局的管理。借助實(shí)時(shí)反饋，工程師最早可以在設(shè)計(jì)階段優(yōu)化布局性能，從而大大減少修訂并改善生產(chǎn)的交貨時(shí)間。因此，Allegro X是旨在最大程度地提高PCB設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量的設(shè)計(jì)師的關(guān)鍵盟友。

PCB制造優(yōu)化的另一個(gè)象征性案例是Jabil，它使用人工智能來大規(guī)模改善印刷電路板的生產(chǎn)和組裝。該公司實(shí)施了基于深度學(xué)習(xí)的機(jī)器視覺系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)質(zhì)量控制。這些系統(tǒng)用于分析生產(chǎn)的每個(gè)PCB，檢測(cè)可能逃脫人類控制的最小缺陷。一個(gè)關(guān)鍵的例子是Jabil的智能機(jī)器視覺系統(tǒng)，該系統(tǒng)將高分辨率圖像分析與深度學(xué)習(xí)算法結(jié)合在一起，以檢測(cè)絲網(wǎng)印刷中的微裂縫，破裂的痕跡或錯(cuò)誤。

該系統(tǒng)不斷從制造過程中收集的數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)，從而提高其在處理更多圖像時(shí)識(shí)別缺陷的能力。通過這種方法，賈比爾能夠大大降低與返工和廢料相關(guān)的成本。 Jabil還使用AI進(jìn)行預(yù)測(cè)設(shè)備維護(hù)，其中安裝在生產(chǎn)機(jī)上的傳感器收集諸如振動(dòng)，溫度和能源消耗之類的數(shù)據(jù)，然后通過機(jī)器學(xué)習(xí)模型對(duì)此進(jìn)行分析，這些模型可以預(yù)測(cè)機(jī)器何時(shí)可能發(fā)生故障。多虧了這項(xiàng)技術(shù)，賈比爾(Jabil)能夠最大程度地減少計(jì)劃外的停機(jī)時(shí)間，從而提高了總體生產(chǎn)效率。 Jabil使用AI的另一個(gè)領(lǐng)域是優(yōu)化用于安裝表面安裝設(shè)備的拾取機(jī)器配置(SMD)) 成分。 AI算法分析了數(shù)百萬個(gè)可能的組合，以確定將組件放在PCB上，減少周期時(shí)間并提高組裝精度的最佳順序。

結(jié)論

人工智能從根本上改變了PCB制造行業(yè)，提供了提高質(zhì)量，降低成本并加速上市時(shí)間的工具和解決方案。越來越多的電子公司采用AI集成方法，除了自動(dòng)化重復(fù)任務(wù)外，還提供了見解以提高系統(tǒng)的整體質(zhì)量和效率。隨著公司繼續(xù)投資于結(jié)合自動(dòng)化，預(yù)測(cè)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)的技術(shù)，印刷電路板中的AI應(yīng)用程序?qū)⑦M(jìn)一步擴(kuò)展。對(duì)于那些采用新技術(shù)并標(biāo)志著快速發(fā)展的行業(yè)未來的人來說，創(chuàng)新的能力代表了競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

從智能設(shè)計(jì)到優(yōu)化的制造，預(yù)測(cè)性維護(hù)和高級(jí)模擬，AI都重新設(shè)計(jì)了PCB生命周期的各個(gè)方面。同時(shí)，AI在PCB設(shè)計(jì)過程中的成功取決于準(zhǔn)確且結(jié)構(gòu)良好的信息的可用性，這需要正確的數(shù)據(jù)收集和分析基礎(chǔ)架構(gòu)。將AI集成到PCB設(shè)計(jì)的主要局限性之一是實(shí)施的技術(shù)復(fù)雜性。算法需要適應(yīng)特定過程，并且需要一個(gè)可能非常昂貴且耗時(shí)的初始校準(zhǔn)步驟。此外，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，依賴專有解決方案的風(fēng)險(xiǎn)可以限制靈活性和增加成本。

AI技術(shù)在PCB制造中的擴(kuò)散將繼續(xù)增加，這是由于對(duì)日益復(fù)雜和高性能的電子設(shè)備的需求所驅(qū)動(dòng)的?？赡軐?，我們將看到數(shù)字雙胞胎在模擬PCB的整個(gè)生命周期以及通過促進(jìn)材料的回收和再利用來支持循環(huán)經(jīng)濟(jì)的解決方案。發(fā)展強(qiáng)調(diào)了采用以創(chuàng)新為導(dǎo)向的心態(tài)的重要性。在電子制造業(yè)中采用AI的公司將保持競(jìng)爭(zhēng)力，還可以概述下一代設(shè)備。在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的時(shí)代，那些可以有效地將AI集成到其流程中的人將能夠推動(dòng)創(chuàng)新并在日益苛刻且動(dòng)態(tài)的電子市場(chǎng)中保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。