- 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，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)品上市的時間是最為重要的因素之一，且圍繞產(chǎn)品上市時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經(jīng)驗(yàn)法則，但實(shí)際情況卻是另外一個場景，即許多公司都清楚擁有一個高集成度的設(shè)計(jì)軟件是重要的，但這個想法卻往往折衷于高昂的價格。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PCB設(shè)計(jì)工具時該考慮哪些因素。
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)公司從事一個更為復(fù)雜的設(shè)計(jì)時升級產(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.具備一個易于創(chuàng)建和管理的中央元件庫
2.一個技術(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候使用這些規(guī)則。
圖1表明了一個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個管腳了。越來越快的上升時間和信號完整性(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)行一個大規(guī)?；蛳喈?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)行的多個計(jì)算平臺，或者他們想將一個由多個模塊組成的設(shè)計(jì)中的每一個電路發(fā)送到各自的仿真器中，從而縮短仿真時間。
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，在一個層狀結(jié)構(gòu)中包含了一個阻抗材料層，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?，F(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)一個剛性PCB那樣來簡單地設(shè)計(jì)一個剛性柔性PCB，就如同該剛性柔性PCB不過是另一個剛性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)時序的變化，如時鐘歪斜和傳播延時。由于整個總線寬度上的時鐘歪斜的原因，針對時序約束的設(shè)計(jì)依然是困難的。增加時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，它通過一個單向串行“通道”來轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)，這個單向串行通道是可以疊加成1-、2-、4-、8-、16-和32-寬度的配置。每個通道攜帶一個字節(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。
高頻下的時鐘恢復(fù)成為系統(tǒng)的重?fù)?dān)，因?yàn)闀r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)者提供了一個掌握先進(jìn)新技術(shù)的先機(jī)。
看來要獲得一個能處理布局的PCB工具是容易的；但獲得一個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。
