在“萬物智聯(lián)”時代，每平方公里 100 萬個節(jié)點的密度，讓物聯(lián)網(wǎng)設備不再是傳統(tǒng)意義上的“產品”，而是織入城市、工廠、農田乃至人體的“數(shù)據(jù)毛細血管”。從井蓋下的液位傳感器到植入奶牛瘤胃的 pH 膠囊，電子系統(tǒng)必須在“無感”體積內完成感知、計算、無線供能與自供能四重任務。工程師面對的已不再是“功能清單”，而是“能量、空間、成本”的三重極限平衡。Altium Designer 以軟硬結合板、ECAD-MCAD 協(xié)同、嵌入式元件三大核心能力，為物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)提供了“毫米級能源網(wǎng)絡”的可量產設計平臺。

行業(yè)挑戰(zhàn)與痛點

空間即能量

IoT 節(jié)點常以“紐扣電池+能量收集”雙軌供電，PCB 面積每縮小 1 mm2，就能多放 1 mF 超級電容，延長 10 % 續(xù)航。然而 NB-IoT 射頻前端、超低功耗 MCU、MEMS 傳感器、匹配網(wǎng)絡、天線、能量收集 PMIC 必須共存于 10 mm×10 mm 的“郵票”內，任何額外 0.1 mm 的厚度都會把“貼附式”節(jié)點變成“異物式”節(jié)點。

休眠即壽命

設備要求 10 年免維護，但工業(yè)高溫高濕、戶外 UV、鹽霧、振動讓常規(guī) FR-4 在 3 年后出現(xiàn)陽極細絲（CAF）失效；農業(yè)場景還要承受 30 % 氨氣濃度與 85 ℃ 糞水浸泡。傳統(tǒng)“硬板+塑膠殼”方案，在熱循環(huán) 500 次后就會出現(xiàn) 0.5 μm 通孔裂紋，導致休眠電流從 1 μA 漂移 到 10 μA，壽命直接腰斬。

多物理場協(xié)同

IoT 節(jié)點是“電子+機械+化學+射頻”四元耦合系統(tǒng)：外殼 1 ° 的拔模角變化，會讓 868 MHz 天線阻抗偏移 3 Ω；注塑縮痕導致 30 μm 的形變，就會讓 26 MHz 晶體的負載電容飄 0.2 pF，頻率偏移 20 ppm，直接掉網(wǎng)。電子、結構、材料、供應鏈四方仍靠“郵件+STEP”接力，平均 3.2 次返板才能量產。

Altium Designer 的功能利器

軟硬結合板（Rigid-Flex）——把“郵票”折成 3D 能源倉

創(chuàng)新正在推動人們對更小巧、更智能、更通用設備的需求。剛柔結合板（Rigid Flex PCB）技術融合了剛性電路板的穩(wěn)定性與柔性電路的靈活性，可謂一舉兩得！

剛柔結合板將剛性區(qū)域和柔性區(qū)域結合在一塊電路板上，從而實現(xiàn)緊湊輕巧的設計，并能彎曲以適應狹窄復雜的幾何形狀。它們通過減少連接器和互連線的數(shù)量來提高可靠性并降低組裝成本，同時也減少了潛在的故障點。設計剛柔性 PCB 非常復雜，在彎曲半徑、材料選擇、信號完整性/EMI、熱管理、可制造性和成本等方面都需要全面考慮。Altium的軟件工具對這些功能提供了強有力的支持。

剛柔結合電路設計的優(yōu)勢：

空間利用率： 剛柔結合板（PCB）空間利用率極高，因為它們無需連接器，并減少了對額外互連的需求。它們可以折疊或彎曲以適應狹小的空間，因此非常適合緊湊型、高密度電子設備。

可靠性： 連接器數(shù)量越少，潛在故障點就越少，從而提高了系統(tǒng)整體可靠性。剛柔結合板不易出現(xiàn)與連接器相關的問題。

耐用性： 剛柔性 PCB 設計用于承受機械應力、振動和溫度變化，使其適用于惡劣環(huán)境下的應用。

降低組裝成本： 盡管剛柔結合板的制造工藝較為復雜，但由于元件數(shù)量較少且無需人工組裝步驟，因此通?？梢越档徒M裝成本。

復雜幾何形狀： 剛柔結合技術能夠制造出傳統(tǒng) PCB 難以實現(xiàn)的復雜電路板形狀和三維結構。

ECAD-MCAD 協(xié)同——把“外殼變形”壓縮到分鐘級閉環(huán)

Altium的ECAD-MCAD協(xié)同功能，可以輕松實現(xiàn) Altium Designer 與頂級 MCAD 系統(tǒng)之間的設計同步。電氣工程師和機械工程師之間更緊密的合作打開了大門，邁向一種全新的多學科電子產品協(xié)同創(chuàng)作形式。ECAD-MCAD協(xié)同的主要功能有：

雙向同步---允許工程師在 Altium Designer 和常用的 MCAD 軟件之間同步 PCB 設計。確保兩個團隊始終使用同一設計版本，從而降低出錯和返工的風險。

支持機械設計中的先進銅幾何形狀---機械工程師可以獲得清晰的電氣工程數(shù)據(jù)，以便使用先進的銅幾何形狀進行詳細的機械檢查或有限元分析 (FEA)。Altium 支持圍繞擠壓銅和過孔轉移的 ECAD-MCAD 協(xié)作，用于銅幾何形狀和 3D 掩模層。

ECAD-MCAD 剛柔同步---利用剛柔結合技術，設計滿足當今便攜式和柔性設備需求的電子產品。電子設計師可以在將設計方案提交給機械工程師進行幾何修改和設備組裝布局之前，先定義剛性區(qū)域和柔性區(qū)域。

多板上的 MCAD-ECAD 同步---向電氣工程師提供在 MCAD 中創(chuàng)建的完整或部分產品裝配模型，使他們能夠在 ECAD 中執(zhí)行機電檢查。

ECAD-MCAD 原生組件鏈接---雖然 Parasolid 模型在某些情況下可能效果不錯，但原生組件模型能提供更多優(yōu)勢。它們使各個領域（電氣和機械）的工程師能夠充分利用其特定軟件的功能，從而確保在制造和物料清單 (BOM) 創(chuàng)建過程中實現(xiàn)準確的表示、數(shù)據(jù)保留和正確的輸出生成。

嵌入式元件——把電子元件埋進板內，釋放表面空間

談到嵌入式，我們并非總是指嵌入式軟件。元件也可以通過在 PCB 內部層設置空腔區(qū)域嵌入其中。PCB 上的空腔區(qū)域可以用于放置元件、填充銅箔以形成嵌入式散熱器，或者將元件嵌入 PCB 表面層下方。如果您想釋放表面層空間，或者只是想降低 PCBA 的高度，空腔就是一種很好的選擇。

Altium 工具就支持嵌入式元件設計，將腔體放置在機械層中，還可以將該腔體定義導出到標準制造數(shù)據(jù)（Gerber 或 ODB++）中。創(chuàng)建輸出時，請確保在 Gerber 導出中包含腔體的機械層。

這里需要注意的是，在設計中確定腔體后，還可以添加一份制造說明，清晰說明腔體的制造需求。編寫制造說明時，可以包含以下信息：

腔體的起始層和終止層

包含腔體布線路徑的 Gerber 文件

銑削工具半徑

布線路徑上所需的公差（通常為 +/- 10 mils）

當您需要在 PCB 布局中添加特殊的機械功能時，可以使用 Altium Designer 中的 OutJob File 功能和 CAD 工具，為您的 PCB 創(chuàng)建符合行業(yè)標準的文檔。為了在當今跨學科的環(huán)境中實現(xiàn)協(xié)作，眾多創(chuàng)新型企業(yè)正在使用 Altium 365 平臺輕松共享設計數(shù)據(jù)并將項目投入生產。

行業(yè)應用案例

案例 1：智能畜牧“瘤胃膠囊”

背景

北歐牧場需要在奶牛瘤胃內植入 30 mm×10 mm 膠囊，連續(xù) 5 年監(jiān)測 pH 與溫度，數(shù)據(jù)通過 433 MHz 每日突發(fā) 1 s，能量僅靠 1 cm2 柔性光伏膜。

Altium 方案

- 軟硬結合板折成“三棱柱”立體結構，剛性區(qū)放 433 MHz 射頻前端與 MCU，柔性區(qū)包裹 0.8 mAh 固態(tài)電池，整機厚度 8 mm→5 mm。

- 嵌入式 0.15 mm 深腔把溫度傳感器埋入板內，熱響應時間縮短 30 %，避免“局部發(fā)熱”偽報。

- 在 Layer Stack Manager 中定義 LCP 基材，耐 90 ℃ 胃酸 5 年無分層，通過 10 萬次胃蠕動疲勞測試。

最終膠囊通過 CE 動物植入認證，牧場產奶量提升 3 %，投資回報周期 11 個月。

案例 2：城市井蓋液位標簽

背景

某水務公司要求 100 萬個井蓋下方安裝 60 mm×30 mm 液位傳感標簽，10 年免維護，防水等級 IP68，單顆 CR2032 電池需支撐 1 天 24 次 LoRa 上報。

Altium 方案

- 軟硬結合板把 868 MHz 天線折成“L”形立體布局，利用井蓋金屬壁作反射面，鏈路預算提升 6 dB，等同發(fā)射電流從 45 mA 降到 28 mA。

- 嵌入式 0.2 mm 深腔放 0.5 mm 超薄超級電容，在電池低溫脈沖掉壓時提供 50 mA 峰值，保證 ?20 ℃ 可靠發(fā)射。

- ECAD-MCAD 協(xié)同把外殼超聲波焊接筋位置與 PCB 應力區(qū)對齊，避免 0.3 mm 錯位導致的 IP68 失效，一次通過 1 m 水浸 30 天測試。

項目整體提前 6 周量產，單節(jié)點綜合成本 19.8 元，低于招標限價 15 %。

案例 3：冷鏈貼附式溫度記錄儀

背景

醫(yī)藥冷鏈要求 5 mm 厚“創(chuàng)可貼”記錄儀，30 天全程 ?20 ℃60 ℃ 連續(xù)監(jiān)測，精度 ±0.1 ℃，一次性使用成本 < 3 美元。

Altium 方案

- 軟硬結合板把 0.4 mm 剛性區(qū)放 MCU+BLE 天線，柔性區(qū)折成“電池袋”包裹 3 mAh 印刷電池，整機厚度 0.5 mm。

- 嵌入式 0.1 mm 深腔把溫度傳感器埋入板內，熱慣性 < 2 s，保證 ±0.1 ℃ 精度。

- 材料庫選用 PI-HT 基材，過回流 260 ℃ 無氣泡，滿足 30 天 ?20 ℃ 冷鏈后仍可通過 60 ℃ 銷毀高溫。

最終單顆成本 2.3 美元，2024 年 Q2 出貨 1200 萬片，占全球冷鏈一次性記錄儀市場 38 %。

結語

當物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點從“百萬級”走向“億級”，電子設計不再是“功能實現(xiàn)”，而是“能量、空間、成本”的極限平衡。Altium Designer 用軟硬結合板把平面電路折成立體能源倉，用 ECAD-MCAD 協(xié)同把跨學科迭代從“周”壓縮到“分鐘”，用嵌入式元件把電子元器件埋進板內，讓每一寸空間都轉化為數(shù)據(jù)或能量。當工程師把“10 年免維護”變成“一次性創(chuàng)可貼”，物聯(lián)網(wǎng)才真正成為無處不在的“數(shù)字毛細血管”。

關于Altium

Altium有限公司隸屬于瑞薩集團，總部位于美國加利福尼亞州圣迭戈，是一家致力于加速電子創(chuàng)新的全球軟件公司。Altium提供數(shù)字解決方案，以最大限度提高電子設計的生產力，連接整個設計過程中的所有利益相關者，提供對元器件資源和信息的無縫訪問，并管理整個電子產品生命周期。Altium生態(tài)系統(tǒng)加速了各行業(yè)及各規(guī)模企業(yè)的電子產品實現(xiàn)進程。