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        針對PCB設計挑戰,3DPCB系統設計技術

        作者:新捷仕覆銅板      2019-03-16

            在Mentor2013中國PCB技術論壇上,Mentor針對復雜PCB設計面臨的挑戰,闡述了三維(3D)PCB系統設計技術、多板系統設計、先進的封裝與外形協同設計方法、通過重用提高設計效率的理念,及電源完整性等設計方法。

        PCB設計的挑戰

            在汽車電子、計算機、消費類電子、工業、軍事/航天航空和通信領域,PCB設計的復雜度一直在不斷增加,信號完整性、電源完整性、可制造性、成本及可靠性等因素,隨著應用領域的不同呈現出較大差異。

            Mentor市場開發經理JamieMetcalfe指出,設計復雜度的增加還體現在,PCB板的金屬層數從2007年的16層減少到了2012年的14層,降了12%;面積從90平方英寸減到58平方英寸,少了35%;單位面積的引線數量從212增加到244條,上升了15%。

            設計復雜度增加促使勞動力格局也發生了很大變化,包括工程師職位和數量。設計團隊原來基本只有設計、布局布線工程師和項目管理者,現在則增加了FPGA、機械、系統架構、SERDES、電源完整性、熱管理、信號完整性等工程師,而且他們需要協同工作。

            此外,原來以PCB為中心的設計格局,也轉向了基于IC/FPGA、PCB、系統模塊之上的系統工程設計方式。

        三維PCB系統設計技術

            電子產品體積更小、功能更多、設計約束更嚴格、布線密度和可靠性更高等因素,加劇了PCB設計的復雜性。

            Mentor業務開發經理DavidWiens表示:“當面臨PCB板更厚,多次樣機制作的成本更高、時間更多,制造良率更低等問題時,設計者就應該考慮采用三維PCB系統設計技術,這也將是PCB系統設計的下一個主要趨勢?!?/p>

            Wiens重點介紹了三維PCB系統設計的流程。首先,要創建一個支持各種應用的統一的三維器件庫,這個庫要能夠支持簡化和網格(Mesh)設定。目前,Mentor的三維器件庫含有400多萬個器件型號。

            當然,用戶也可創建新的器件。這樣,可以為電子元件建立三維模型,增加企業的器件型號,并將其映射為制造商的器件型號,用戶只需簡單地輸入元件數據表里的參數即可。

            第二步是三維設計和DRC(設計規則檢查)。通過Expedition三維解決方案,三維和二維圖像可在同一個窗口中顯示,并能實現元件的一一對應。三維編譯和分析包括布線的三維編譯,及動態與靜態檢測的三維約束分析,并可選擇詳細或簡化的三維建模。這種技術可以及早發現可能存在的多種問題,例如,元器件間、元器件與外殼及散熱器間,在三維空間內是否存在干擾。

            然后是三維振動測試。在由設計草圖引起的可靠性問題中,振動是在溫度之后排名第二的失效因素。據美國空軍公布的國防電子系統因環境問題引起失效的一份報告,溫度問題引發的失效高達50%,振動因素占20%。

            Wiens援引美國Qualmark公司EdmondL.Kyser博士的調查數據指出,在發貨后第一年,由于設計缺陷造成現場退貨(fieldreturns)的全部直接成本,每項新設計最高達到44萬美元。

            接下來是更高的加速生命周期測試(HALT);三維建模與解決;強大的前、后處理器可創建一個虛擬樣機。

            Wiens在談到三維設計中的多GHz互連模擬分析時表示,三維結構對信號完整性會造成很大影響,而現有的三維仿真器對工程師的專業既能要求很高,Mentor的方案則不然。具體地,分析三維結構并建立s參數模型;將其加進完整的互連描述中;分析互聯;采用HyperLynx工具進行布局前、后的信號完整性仿真與分析。對于多GHz完整的SERDES通道設計,二維和三維混合仿真與建??商峁┚_的加速。

            再之后是升級的電子與機械設計(ECAD/MCAD)。設計與制造部門溝通后,數據庫可根據情況變化自動升級。

            最后是三維熱分析(FloTHERMXT)。專注于PCB設計從概念到驗證/原型的所有階段。

        設計重用可提高效率

            在電子設計界,不少工程師或設計師對設計重用常常缺乏動力,他們不想通過修改別人的成果來完成設計,因為他們認為重用別人的設計無法顯示出自己的能力和價值,而且管理重用模塊可能很麻煩,如存儲及找出可重用數據等。因此,設計師總是想按自己的思路“獨創”出設計成果。

            但設計主管們考慮的是如何縮短設計周期,降低成本,提高良率和產品質量,減少元件差異,提升采購優勢,以較低的設計風險,滿足客戶的需求。

            設計師有必要認識到,實際上,絕大部分板上元件都是通過重用模塊設計的,這主要是出于提高設計效率方面的考慮。

            Mentor中國區應用工程部經理劉雪峰指出,為了改變設計師重獨創、輕重用的想法,企業文化必須鼓勵設計重用,EDA工具也需消除設計中的一些技術障礙,如從經過驗證的設計中提取重用對象;把邏輯、約束和布局打包到重用對象中;支持非正式和正式的重用;使設計師可快速找到重用模塊;并提供完整的全局分析能力。

            他表示,采用ExpeditionEnterprise設計流程的設計重用、變體管理、約束管理和庫管理等技術,就能通過重用提高設計效率。


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