De term IoT, of Internet of Things, verwijst naar een infrastructuur die bestaat uit verschillende elektronische apparaten die met het internet zijn verbonden. Slimme apparaten, die op afstand kunnen worden bediend door middel van speciale apps, vormen slechts een klein deel van het IoT-netwerk. De mogelijkheid om slimme sensoren en traditionele elektronische apparaten met elkaar te verbinden heeft een aanzienlijke impact gehad op verschillende toepassingsgebieden, zoals de industrie, de landbouw, de biomedische sector, het vervoer en de consumentenelektronica. De belangrijkste vereiste waaraan elk IoT-apparaat moet voldoen is zonder meer connectiviteit, die tot stand wordt gebracht via draadloze technologieën zoals Bluetooth, Wi-Fi en het mobiele netwerk. Als gevolg hiervan ondergaat de ontwikkeling van de hardware die IoT-functionaliteit kan ondersteunen een subtiele maar doelgerichte verandering: connectiviteit, afstandsbediening en hoge energie-efficiëntie zijn eisen waaraan elk IoT-apparaat moet voldoen.
Het ontwerp van een IoT-apparaat vereist een goede evaluatie en de juiste selectie van drie sleutelfactoren: sensoren, draadloze connectiviteit en energiebeheer. De printplaat, die de door deze componenten geboden functionaliteit moet kunnen ondersteunen, vereist een andere ontwerpbenadering dan de conventionele. De belangrijkste aspecten die van invloed zijn op het ontwerp van een IoT-printplaat zijn de volgende:
Figuur 1: de printplaat van een slimme thermostaat (bron: Google)
Draadloze connectiviteit, kenmerkend voor elk IoT-apparaat, impliceert het verkrijgen van de nodige certificaties met betrekking tot het RF-gedeelte. De meest voorkomende certificeringen zijn FCC (in de Verenigde Staten), IC (in Canada) en CE (in Europa). Daarnaast moeten ontwerpers rekening houden met normen met betrekking tot opzettelijk en onopzettelijk uitgezonden straling en vereisten voor aanvullende certificeringen, zoals PTCRB en WEEE. Certificering wordt vergemakkelijkt door het gebruik van vooraf gecertificeerde RF-modules, die rechtstreeks in het apparaat kunnen worden geïntegreerd, waardoor dure certificeringsprocedures worden vermeden.
De grote vraag naar IoT-oplossingen heeft geleid tot een versnelling in de ontwikkeling van ontwerptools voor printplaten met AMS-signalen (Analoog/Gemengd Signaal), op basis van specifieke modellen, simulaties en circuitanalyse. Simulatie is de fase waarin de integriteit van de verbindingen wordt gevalideerd. Geschikte softwaretools simuleren het schema van de schakeling, rekening houdend met verschillende parameters zoals werkingspunt, tijdsdomein, frequentiedomein, Monte Carlo-analyse, gevoeligheid en worst-case scenario's. Bij draagbare apparaten moet worden voldaan aan speciale eisen zoals grootte, stroomverbruik en oplaadtijd.
Een van de geheimen van een succesvolle printplaat is altijd vanaf het allereerste begin rekening te houden met de montage- en fabricagefasen. Een voorbeeld hiervan is de markt voor wearables: de zeer kleine ruimte die beschikbaar is voor de assemblage heeft de behoefte doen ontstaan aan flexibele printplaten die kunnen buigen en plooien zonder te breken of de functionaliteit van het toestel in het gedrang te brengen. Ook industriële apparaten en apparatuur voor assemblage en materiaalbehandeling moeten bestand zijn tegen schokken, trillingen en andere extreme bedrijfsomstandigheden. Naast flexibele printplaten is een andere technische oplossing die de fabricage van een IoT-printplaat kan vereenvoudigen, de toepassing van System-in-Package (SiP)-technologie. System-in-Packages maken het mogelijk steeds complexere analoge, digitale en RF-systemen op één chip te integreren, met vormfactoren die sterk lijken op die van traditionele single-chipoplossingen. Figuur 2 toont een uiterst compacte SiP-oplossing voor de implementatie van een Sigfox-knooppunt met up-link- en down-linkfunctionaliteiten. SiP-componenten vereenvoudigen het printplaatontwerp en de fabricage aanzienlijk, wat ook voordelen heeft voor de kosten. De SiP-module in figuur 2 is gecertificeerd, heeft een geïntegreerde antenne en behoeft geen externe componenten.
Figuur 2: Een SiP-module (bron: ON Semiconductor)
IoT-apparaten moeten een constante connectiviteit kunnen onderhouden met het netwerk en met andere knooppunten die daartoe behoren. In industriële toepassingen (IIoT en Industrie 4.0) is 24/7 werking heel gebruikelijk en daarom is een beschikbaarheid van 100% ongelooflijk belangrijk. Het handhaven van adequate en constante voedingsniveaus op printplaatniveau is van cruciaal belang voor het behoud van operationele capaciteit en connectiviteit. Dit is ook essentieel om de levensduur van batterijen in draagbare apparaten te verlengen en om de efficiëntie op faciliteitsniveau te waarborgen. In elke fase van de ontwikkeling van een IoT-apparaat, te beginnen bij het printplaatontwerp, is het noodzakelijk om de maakbaarheid van het product te verifiëren. Een tool zoals de DFT (Design for Test) is bijvoorbeeld nuttig om de testbaarheid van de printplaat te verifiëren en eventuele fabricagefouten op voorhand te identificeren. Evenzo kunnen met DFMA-analyse (Design for Manufacturing and Assembly) problemen in het printplaatontwerp worden opgespoord die kunnen worden gecorrigeerd voordat het product in productie wordt genomen.
Voor veel klassen van IoT-apparaten impliceert veiligheid ook dat maatregelen worden genomen om printplaatvervalsing te voorkomen, een belangrijk aspect, vooral bij metrologietoepassingen. Met de groeiende vraag naar oplossingen om IoT-toepassingen te ondersteunen, veranderen printplaatfabrikanten de manier waarop ze hun printplaten ontwerpen en valideren. Een veelgebruikte methode is de toevoeging van gecodeerde identifiers (ID's) op elke fysieke laag van de printplaat. Elke ID is cryptografisch verbonden met die van de andere lagen, wat betekent dat het bijna onmogelijk is om deze succesvol te kopiëren. Deze techniek is veel gesofisticeerder en veiliger dan de standaardmethode, waarbij een eenvoudige barcode-ID op de bovenkant van de printplaat wordt gedrukt.