利用结构电子技术优化性能并提升设计灵活性

当产品外壳本身变成电路板时，设计规则就会彻底改变。结构电子基于 3D molded interconnect devices（3D-MIDs）等技术，将导电走线直接嵌入模塑塑料外壳中，消除了电气世界与机械世界之间的分隔。

这种集成正是关键所在。它能够实现更小的占用空间、更好的热管理以及原生 EMI 屏蔽。但这也意味着，一次机械几何形状上的变更，就可能破坏一条电气走线。这再次说明，电气工程师与机械工程师需要围绕创新设计开展协作，并在整个过程中进行实时数据共享。

关键要点

• 结构电子将外壳与电路板合二为一，把导电走线直接嵌入模塑塑料外壳中，从而实现更小的占用空间、更好的热管理以及原生 EMI 屏蔽。
• 一次机械改动就可能破坏电气设计。结构基板取代了标准 PCB 材料，在散热、信号完整性和屏蔽耐久性方面带来了新的权衡，电气工程师和机械工程师都必须加以考虑。
• 元器件和封装选择必须适应 3D 制造约束。Z 轴限制、模塑过程中极端的高温高压，以及表面曲率，都会限制哪些 IC 封装和材料能够被可靠使用。
• 结构电子要求在整个设计过程中进行实时的跨学科协作。当几何形状的变化可能破坏走线时，电气与机械团队之间依赖静态文件交接会带来不可接受的风险。

结构电子需要硬件协作

转向结构电子会打破传统的设计边界。通过使用合适的 3D CAD 软件并面向 3D 沉积工艺进行设计，工程师可以摆脱平面刚性电路板的限制，将导电走线布设到任何 3D 模塑塑料表面上。 

结构电子为热管理、高速与射频设计，甚至 electromagnetic interference (EMI)相关工程问题提供了独特的解决方案。由于基板本身成为设计中完全集成的一部分，在不再使用标准 PCB 材料的情况下，也会出现一套不同的权衡。

散热

• 机箱级散热： 将外部壳体转变为一个大型、分布式散热器，把热能直接传导到外表面。
• 复杂的 3D 布局：迫使工程师放弃 2D 聚集式布局，转而在 3D 空间中策略性地分散发热元件，以防止外部出现热点。
• 触感温度：通过外壳散热时，必须谨慎安排元件位置，确保握持区和手柄区域的温度低于适合人体接触的范围。

信号完整性

• 3D 布线自由度：不再受限于表面布线时，可沿绝对最短的 3D 物理路径进行走线。
• 不可预测的基板：结构注塑树脂不像 standard FR-4那样具有可预测的介电均匀性，因此当信号完整性是关注重点时，就需要进行材料验证。

EMI 屏蔽

• 无缝防护： 模塑成型的单体式 3D 外壳消除了传统多部件外壳中常见的缝隙、接缝和连接处，而这些位置通常容易发生 EMI 泄漏。
• 屏蔽层磨损： 由于屏蔽层位于外部机壳表面之下，环境划伤、微裂纹和材料应力都会随着时间推移削弱该层，因此需要谨慎选择足够耐用的基板材料。

设计策略

1. 占板面积与 Z 轴标准化

在平面 PCB 设计中，替换成稍高一些的备用芯片很容易：它只不过占用了机壳内部的空余空间。而在 structural electronics中，Z 轴很可能受到限制，从而缩小可选元器件或封装的范围。结构基板可能会受到其他外壳或机械元件的约束，或者元器件腔体会限制已安装元件的高度。

2. 耐温与耐压等级

模内电子（IME）等结构制造工艺会在熔融塑料充满模腔时，使元件承受强烈高温和巨大压力。与此同时，激光直接成型（LDS）也用于结构电子制造，同样会让基板材料瞬间承受高温。这是材料选择的另一个方面，将决定最终结构设计的可靠性。

3. 根据曲率选择 IC 封装

元件几何形状决定了其承受制造作用力的能力。带有脆弱、外凸金属引脚的元件非常容易受损，因为高速流动的液态塑料在注塑过程中可能会将其引脚弯折甚至撕裂。真正的灵活性依赖于选用无引脚、超低外形封装（例如 QFNs or BGAs），使其紧贴基板放置，从而尽量减小表面积和机械风险。

在哪里设计结构电子

理解结构电子背后的理论只是第一步，真正的挑战在于落地执行。要克服这些三维设计难题，所有参与方都必须在一个共享的 3D 可视化环境中工作。

Altium Agile Teams 通过提供一个统一生态系统来弥合这一差距，使电气工程师和机械工程师能够原生地交叉参考各自的布局，并获得跨部门的实时洞察。团队不必再依赖僵化的检查清单和静态文件交接，而是能够基于最新的实时设计数据开展协作，其中每一次机械拉伸和电气走线变化都会被即时跟踪。

执行结构电子不仅需要出色的工程判断，还要求两个团队在同一时间看到同一个设计，并对各个领域中的变更进行跟踪。Altium Agile Teams 通过 advanced ECAD-MCAD co-design实现这一点：在电气与机械环境之间进行实时同步、支持从机械侧进行元器件布局，以及通过比较并批准的工作流程，让两个学科从最初概念到最终发布始终保持一致。 

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常见问题

什么是结构电子，它与传统 PCB 有何不同？

结构电子将导电走线和元器件直接集成到模塑机械结构上，例如产品外壳。与传统 PCB 不同，机械基板同时也充当电路载体，使电气与机械特征能够占据同一个三维空间。

3D molded interconnect devices 如何将电路集成到产品外壳中？

3D molded interconnect devices 通过激光直接成型或导电材料沉积等制造工艺，在模塑塑料表面形成走线。随后可将元器件直接安装到该结构上，形成一个将外壳、互连和电子硬件整合为一体的单一组件。

结构电子如何提供 EMI 屏蔽？

结构电子可以将导电屏蔽层直接集成到模塑外壳中。连续的一体式结构可减少通常会导致电磁泄漏的接缝和连接处，不过屏蔽层必须防止划伤、开裂和机械应力造成的损伤。