- PCB設(shè)計(jì)要考慮并幾點(diǎn)因素
- 產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本功能
- 留有產(chǎn)品升級的接口
- 可靠的電子器件封裝
對于PCB技術(shù)的文章來說，作者可闡述近段時(shí)間來PCB設(shè)計(jì)工程師們所面臨的挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@已成為評估PCB設(shè)計(jì)不可或缺的方面。在文章中，可以探討如何迎接這些挑戰(zhàn)及潛在的解決方案；在解決PCB設(shè)計(jì)評估問題時(shí)，作者可以使用明導(dǎo)公司的PCB評估軟件包作為示例。
而作為研發(fā)人員，考慮的是如何將最新的先進(jìn)技術(shù)集成到產(chǎn)品中。這些先進(jìn)技術(shù)既可以體現(xiàn)在卓越的產(chǎn)品功能上，又可以體現(xiàn)在降低產(chǎn)品成本上，困難在于如何將這些技術(shù)有效地應(yīng)用在產(chǎn)品中。有許多因素需要考慮，產(chǎn)品上市的時(shí)間是最為重要的因素之一，且圍繞產(chǎn)品上市時(shí)間有許多決定是在不斷更新的。需要考慮的因素很廣，包括從產(chǎn)品功能、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、產(chǎn)品測試以及電磁干擾(EMI)是否符合要求。
減少設(shè)計(jì)的反復(fù)是可能的，但這依賴于前期工作的完成情況。多數(shù)時(shí)候，越是到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的后期越容易發(fā)現(xiàn)問題，更為痛苦的是要針對發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行更改。然而，盡管許多人都清楚這個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則，但實(shí)際情況卻是另外一個(gè)場景，即許多公司都清楚擁有一個(gè)高集成度的設(shè)計(jì)軟件是重要的，但這個(gè)想法卻往往折衷于高昂的價(jià)格。本文將要闡述PCB設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)，以及作為一名PCB設(shè)計(jì)者在評估一個(gè)PCB設(shè)計(jì)工具時(shí)該考慮哪些因素。
下面是PCB設(shè)計(jì)者務(wù)必考慮并將影響其決定的幾點(diǎn)因素：
1.產(chǎn)品功能
a.覆蓋基本要求的基本功能，包括：
i.原理圖與PCB布局之間的交互
ii.自動扇出布線、推拉等布線功能，以及基于設(shè)計(jì)規(guī)則約束的布線能力
iii.精確的DRC校驗(yàn)器
b.當(dāng)公司從事一個(gè)更為復(fù)雜的設(shè)計(jì)時(shí)升級產(chǎn)品功能的能力
i.HDI(高密度互連)接口
ii.靈活設(shè)計(jì)
iii.嵌入無源元件
iv.射頻(RF)設(shè)計(jì)
v.自動腳本生成
vi.拓?fù)洳季植季€
vii.可制造性(DFF)、可測試性(DFT)、可生產(chǎn)性(DFM)等
c.附加產(chǎn)品能執(zhí)行模擬仿真、數(shù)字仿真、模數(shù)混合信號仿真、高速信號仿真以及RF仿真
d.具備一個(gè)易于創(chuàng)建和管理的中央元件庫
2.一個(gè)技術(shù)上位于業(yè)界領(lǐng)導(dǎo)層中并較其他廠商傾注了更多心血的良好伙伴，可助你在最短的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出具有最大功效和具有領(lǐng)先技術(shù)的產(chǎn)品
3.價(jià)格應(yīng)該是上述因素中最為次要的考慮因素，需要更多關(guān)注的是投資回報(bào)率！
PCB評估需考慮許多因素。設(shè)計(jì)者要尋找的開發(fā)工具的類型依賴于他們所從事的設(shè)計(jì)工作的復(fù)雜性。由于系統(tǒng)正趨于越來越復(fù)雜，物理走線和電氣元件布放的控制已經(jīng)發(fā)展到很廣泛的地步，以至于必須為設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵路徑設(shè)定約束條件。但是，過多的設(shè)計(jì)約束卻束縛了設(shè)計(jì)的靈活性。設(shè)計(jì)者們務(wù)必很好的理解他們的設(shè)計(jì)及其規(guī)則，如此這般他們才清楚要在什么時(shí)候使用這些規(guī)則。
圖1表明了一個(gè)典型的由前端到后端的綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)。它始于設(shè)計(jì)定義(原理圖輸入)，該設(shè)計(jì)定義與約束編輯緊密集合在一起。在約束編輯中，設(shè)計(jì)者既可定義物理約束又可定義電氣約束。電氣約束將為網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證驅(qū)動仿真器進(jìn)行布局前和布局后分析。仔細(xì)看看設(shè)計(jì)定義，它還與FPGA/PCB集成相鏈接。FPGA/PCB集成的目的是為了提供雙向集成、數(shù)據(jù)管理和在FPGA與PCB之間執(zhí)行協(xié)同設(shè)計(jì)的能力。
圖1：從前端到后端的一個(gè)典型集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)流。
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在布局階段輸入了與設(shè)計(jì)定義期間相同的用于物理實(shí)現(xiàn)的約束規(guī)則。這就減少了從文件到布局過程中出錯(cuò)的概率。管腳交換、邏輯門交換、甚至輸入輸出接口組(IO_Bank)交換均需返回到設(shè)計(jì)定義階段進(jìn)行更新，因此各個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)是同步的。
評估期間，設(shè)計(jì)者必須問自己：對他們而言，什么標(biāo)準(zhǔn)是至關(guān)重要的？
讓我們看看一些迫使設(shè)計(jì)者重新審視其現(xiàn)有開發(fā)工具功能并開始訂購一些新功能的趨勢：
1.HDI
半導(dǎo)體復(fù)雜性和邏輯門總量的增加已要求集成電路具有更多的管腳及更精細(xì)的引腳間距。在一個(gè)引腳間距為1mm的BGA器件上設(shè)計(jì)2000以上的管腳在當(dāng)今已是很平常的事情，更不要說在引腳間距為0.65mm的器件上布置296個(gè)管腳了。越來越快的上升時(shí)間和信號完整性(SI)的需要，要求有更多數(shù)量的電源和接地管腳，故需要占用多層板中更多的層，因而驅(qū)動了對微過孔的高密度互聯(lián)(HDI)技術(shù)的需要。
HDI是為了響應(yīng)上述需要而正在開發(fā)的互連技術(shù)。微過孔與超薄電介質(zhì)、更細(xì)的走線和更小的線間距是HDI技術(shù)的主要特征。
2.RF設(shè)計(jì)
針對RF設(shè)計(jì)，RF電路應(yīng)該直接設(shè)計(jì)成系統(tǒng)原理圖和系統(tǒng)板布局，而不用于進(jìn)行后續(xù)轉(zhuǎn)換的分離環(huán)境。RF仿真環(huán)境裝的所有仿真、調(diào)諧和優(yōu)化能力仍然是必需的，但是仿真環(huán)境較“實(shí)際”設(shè)計(jì)而言卻能接受更為原始的數(shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)模型之間的差異以及由此而引起的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換的問題將會銷聲匿跡。首先，設(shè)計(jì)者可在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與RF仿真之間直接交互；其次，如果設(shè)計(jì)師進(jìn)行一個(gè)大規(guī)模或相當(dāng)復(fù)雜的RF設(shè)計(jì)，他們可能想將電路仿真任務(wù)分配到并行運(yùn)行的多個(gè)計(jì)算平臺，或者他們想將一個(gè)由多個(gè)模塊組成的設(shè)計(jì)中的每一個(gè)電路發(fā)送到各自的仿真器中，從而縮短仿真時(shí)間。
3.先進(jìn)的封裝
現(xiàn)代產(chǎn)品日漸增加的功能復(fù)雜性要求無源器件的數(shù)量也相應(yīng)增加，主要體現(xiàn)在低功耗、高頻應(yīng)用中的去耦電容和終端匹配電阻數(shù)量的增加。雖然無源表貼器件的封裝在歷經(jīng)數(shù)年后已縮小得相當(dāng)可觀了，但在試圖獲得最大極限密度時(shí)其結(jié)果仍然是相同的。印刷元器件技術(shù)使得從多芯片組件(MCM)和混合組件轉(zhuǎn)變到今天直接可以作為嵌入式無源元件的SiP和PCB。在轉(zhuǎn)變的過程中采用了最新的裝配技術(shù)。
例如，在一個(gè)層狀結(jié)構(gòu)中包含了一個(gè)阻抗材料層，以及直接在微球柵陣列(uBGA)封裝下面采用了串聯(lián)終端電阻，這些都大大提高了電路的性能。現(xiàn)在，嵌入式無源元件可獲得高精度的設(shè)計(jì)，從而省去了激光清潔焊縫的額外加工步驟。無線組件中也正朝著直接在基板內(nèi)提高集成度的方向發(fā)展。
4.剛性柔性PCB
為了設(shè)計(jì)一個(gè)剛性柔性PCB，必須考慮影響裝配過程的所有因素。設(shè)計(jì)者不能像設(shè)計(jì)一個(gè)剛性PCB那樣來簡單地設(shè)計(jì)一個(gè)剛性柔性PCB，就如同該剛性柔性PCB不過是另一個(gè)剛性PCB。他們必須管理設(shè)計(jì)的彎曲區(qū)域以確保設(shè)計(jì)要點(diǎn)將不會導(dǎo)致由于彎曲面的應(yīng)力作用而使得導(dǎo)體斷裂和剝離。仍有許多機(jī)械因素需要考慮，如最小彎曲半徑、電介質(zhì)厚度和類型、金屬片重量、銅電鍍、整體電路厚度、層數(shù)和彎曲部分?jǐn)?shù)量。
理解剛性柔性設(shè)計(jì)并決定你的產(chǎn)品是否允許你創(chuàng)建一個(gè)剛性柔性設(shè)計(jì)。
5.信號完整性規(guī)劃
最近幾年，針對串并變換或串行互連的與并行總線結(jié)構(gòu)和差分對結(jié)構(gòu)相關(guān)的新技術(shù)在不斷進(jìn)步。
圖2表明了針對一個(gè)并行總線和串并轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)所遇到的典型設(shè)計(jì)問題的類型。并行總線設(shè)計(jì)的局限在于系統(tǒng)時(shí)序的變化，如時(shí)鐘歪斜和傳播延時(shí)。由于整個(gè)總線寬度上的時(shí)鐘歪斜的原因，針對時(shí)序約束的設(shè)計(jì)依然是困難的。增加時(shí)鐘速率只會讓問題變得更糟糕。
圖2：并行總線和串并轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)所遇到的典型設(shè)計(jì)問題。
另一方面，差分對結(jié)構(gòu)在硬件層面采用了一個(gè)可交換的點(diǎn)對點(diǎn)連接來實(shí)現(xiàn)串行通訊。通常，它通過一個(gè)單向串行“通道”來轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)，這個(gè)單向串行通道是可以疊加成1-、2-、4-、8-、16-和32-寬度的配置。每個(gè)通道攜帶一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，因而總線可處理從8字節(jié)到256字節(jié)的數(shù)據(jù)寬度，并且通過使用某些形式的錯(cuò)誤檢測技巧可保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性。然而，由于數(shù)據(jù)速率很高，導(dǎo)致了其他設(shè)計(jì)問題。
高頻下的時(shí)鐘恢復(fù)成為系統(tǒng)的重?fù)?dān)，因?yàn)闀r(shí)鐘要快速鎖定輸入數(shù)據(jù)流，以及為了提高電路的抗抖性能還要減小所有周期到周期間的抖動。電源噪聲也為設(shè)計(jì)師帶來了額外問題。該類型的噪聲增加了產(chǎn)生嚴(yán)重抖動的可能，這將使得眼圖的開眼變得更加困難。另外的挑戰(zhàn)是減少共模噪聲，解決來自于IC封裝、PCB板、電纜和連接器的損耗效應(yīng)所導(dǎo)致的問題。
6.設(shè)計(jì)套件的實(shí)用性
USB、DDR/DDR2、PCI-X、PCI-Express和RocketIO等設(shè)計(jì)套件將毋庸質(zhì)疑地對設(shè)計(jì)師進(jìn)軍新技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生很大的幫助。設(shè)計(jì)套件給出了技術(shù)的概況、詳細(xì)說明以及設(shè)計(jì)者將要面臨的困難，并緊跟有仿真及如何創(chuàng)建布線約束。它與程序一起提供說明性文件，這為設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)掌握先進(jìn)新技術(shù)的先機(jī)。
看來要獲得一個(gè)能處理布局的PCB工具是容易的；但獲得一個(gè)不僅能滿足布局而且能解決你的燃眉之急的工具才是至關(guān)重要的。
