針對PCB設(shè)計挑戰(zhàn) Mentor闡述3D PCB系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)
[導(dǎo)讀]在Mentor2013中國PCB技術(shù)論壇上，Mentor針對復(fù)雜PCB設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)，闡述了三維(3D)PCB系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)、多板系統(tǒng)設(shè)計、先進(jìn)的封裝與外形協(xié)同設(shè)計方法、通過重用提高設(shè)計效率的理念，及電源完整性等設(shè)計方法。PCB設(shè)計的
在Mentor2013中國PCB技術(shù)論壇上，Mentor針對復(fù)雜PCB設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)，闡述了三維(3D)PCB系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)、多板系統(tǒng)設(shè)計、先進(jìn)的封裝與外形協(xié)同設(shè)計方法、通過重用提高設(shè)計效率的理念，及電源完整性等設(shè)計方法。
PCB設(shè)計的挑戰(zhàn)
在汽車電子、計算機、消費類電子、工業(yè)、軍事/航天航空和通信領(lǐng)域，PCB設(shè)計的復(fù)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(yīng)用領(lǐng)域的不同呈現(xiàn)出較大差異。
Mentor市場開發(fā)經(jīng)理JamieMetcalfe指出，設(shè)計復(fù)雜度的增加還體現(xiàn)在，PCB板的金屬層數(shù)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(shù)量從212增加到244條，上升了15%。
設(shè)計復(fù)雜度增加促使勞動力格局也發(fā)生了很大變化，包括工程師職位和數(shù)量。設(shè)計團(tuán)隊原來基本只有設(shè)計、布局布線工程師和項目管理者，現(xiàn)在則增加了FPGA、機械、系統(tǒng)架構(gòu)、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(xié)同工作。
此外，原來以PCB為中心的設(shè)計格局，也轉(zhuǎn)向了基于IC/FPGA、PCB、系統(tǒng)模塊之上的系統(tǒng)工程設(shè)計方式。
三維PCB系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)
電子產(chǎn)品體積更小、功能更多、設(shè)計約束更嚴(yán)格、布線密度和可靠性更高等因素，加劇了PCB設(shè)計的復(fù)雜性。
Mentor業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理DavidWiens表示：“當(dāng)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(shè)計者就應(yīng)該考慮采用三維PCB系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)，這也將是PCB系統(tǒng)設(shè)計的下一個主要趨勢?！?BR>Wiens重點介紹了三維PCB系統(tǒng)設(shè)計的流程。首先，要創(chuàng)建一個支持各種應(yīng)用的統(tǒng)一的三維器件庫，這個庫要能夠支持簡化和網(wǎng)格(Mesh)設(shè)定。目前，Mentor的三維器件庫含有400多萬個器件型號。
當(dāng)然，用戶也可創(chuàng)建新的器件。這樣，可以為電子元件建立三維模型，增加企業(yè)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(shù)據(jù)表里的參數(shù)即可。
第二步是三維設(shè)計和DRC(設(shè)計規(guī)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(xiàn)元件的一一對應(yīng)。三維編譯和分析包括布線的三維編譯，及動態(tài)與靜態(tài)檢測的三維約束分析，并可選擇詳細(xì)或簡化的三維建模。這種技術(shù)可以及早發(fā)現(xiàn)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(nèi)是否存在干擾。
然后是三維振動測試。在由設(shè)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(jù)美國空軍公布的國防電子系統(tǒng)因環(huán)境問題引起失效的一份報告，溫度問題引發(fā)的失效高達(dá)50%，振動因素占20%。
Wiens援引美國Qualmark公司EdmondL.Kyser博士的調(diào)查數(shù)據(jù)指出，在發(fā)貨后第一年，由于設(shè)計缺陷造成現(xiàn)場退貨(fieldreturns)的全部直接成本，每項新設(shè)計最高達(dá)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(chuàng)建一個虛擬樣機。
Wiens在談到三維設(shè)計中的多GHz互連模擬分析時表示，三維結(jié)構(gòu)對信號完整性會造成很大影響，而現(xiàn)有的三維仿真器對工程師的專業(yè)既能要求很高，Mentor的方案則不然。具體地，分析三維結(jié)構(gòu)并建立s參數(shù)模型;將其加進(jìn)完整的互連描述中;分析互聯(lián);采用HyperLynx工具進(jìn)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(shè)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(shè)計(ECAD/MCAD)。設(shè)計與制造部門溝通后，數(shù)據(jù)庫可根據(jù)情況變化自動升級。
最后是三維熱分析(FloTHERMXT)。專注于PCB設(shè)計從概念到驗證/原型的所有階段。
設(shè)計重用可提高效率
在電子設(shè)計界，不少工程師或設(shè)計師對設(shè)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(shè)計，因為他們認(rèn)為重用別人的設(shè)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(shù)據(jù)等。因此，設(shè)計師總是想按自己的思路“獨創(chuàng)”出設(shè)計成果。
但設(shè)計主管們考慮的是如何縮短設(shè)計周期，降低成本，提高良率和產(chǎn)品質(zhì)量，減少元件差異，提升采購優(yōu)勢，以較低的設(shè)計風(fēng)險，滿足客戶的需求。
設(shè)計師有必要認(rèn)識到，實際上，絕大部分板上元件都是通過重用模塊設(shè)計的，這主要是出于提高設(shè)計效率方面的考慮。
Mentor中國區(qū)應(yīng)用工程部經(jīng)理劉雪峰指出，為了改變設(shè)計師重獨創(chuàng)、輕重用的想法，企業(yè)文化必須鼓勵設(shè)計重用，EDA工具也需消除設(shè)計中的一些技術(shù)障礙，如從經(jīng)過驗證的設(shè)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(shè)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(shè)計流程的設(shè)計重用、變體管理、約束管理和庫管理等技術(shù)，就能通過重用提高設(shè)計效率。
PCB設(shè)計的挑戰(zhàn)
在汽車電子、計算機、消費類電子、工業(yè)、軍事/航天航空和通信領(lǐng)域，PCB設(shè)計的復(fù)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(yīng)用領(lǐng)域的不同呈現(xiàn)出較大差異。
Mentor市場開發(fā)經(jīng)理JamieMetcalfe指出，設(shè)計復(fù)雜度的增加還體現(xiàn)在，PCB板的金屬層數(shù)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(shù)量從212增加到244條，上升了15%。
設(shè)計復(fù)雜度增加促使勞動力格局也發(fā)生了很大變化，包括工程師職位和數(shù)量。設(shè)計團(tuán)隊原來基本只有設(shè)計、布局布線工程師和項目管理者，現(xiàn)在則增加了FPGA、機械、系統(tǒng)架構(gòu)、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(xié)同工作。
此外，原來以PCB為中心的設(shè)計格局，也轉(zhuǎn)向了基于IC/FPGA、PCB、系統(tǒng)模塊之上的系統(tǒng)工程設(shè)計方式。
三維PCB系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)
電子產(chǎn)品體積更小、功能更多、設(shè)計約束更嚴(yán)格、布線密度和可靠性更高等因素，加劇了PCB設(shè)計的復(fù)雜性。
Mentor業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理DavidWiens表示：“當(dāng)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(shè)計者就應(yīng)該考慮采用三維PCB系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)，這也將是PCB系統(tǒng)設(shè)計的下一個主要趨勢?！?BR>Wiens重點介紹了三維PCB系統(tǒng)設(shè)計的流程。首先，要創(chuàng)建一個支持各種應(yīng)用的統(tǒng)一的三維器件庫，這個庫要能夠支持簡化和網(wǎng)格(Mesh)設(shè)定。目前，Mentor的三維器件庫含有400多萬個器件型號。
當(dāng)然，用戶也可創(chuàng)建新的器件。這樣，可以為電子元件建立三維模型，增加企業(yè)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(shù)據(jù)表里的參數(shù)即可。
第二步是三維設(shè)計和DRC(設(shè)計規(guī)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(xiàn)元件的一一對應(yīng)。三維編譯和分析包括布線的三維編譯，及動態(tài)與靜態(tài)檢測的三維約束分析，并可選擇詳細(xì)或簡化的三維建模。這種技術(shù)可以及早發(fā)現(xiàn)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(nèi)是否存在干擾。
然后是三維振動測試。在由設(shè)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(jù)美國空軍公布的國防電子系統(tǒng)因環(huán)境問題引起失效的一份報告，溫度問題引發(fā)的失效高達(dá)50%，振動因素占20%。
Wiens援引美國Qualmark公司EdmondL.Kyser博士的調(diào)查數(shù)據(jù)指出，在發(fā)貨后第一年，由于設(shè)計缺陷造成現(xiàn)場退貨(fieldreturns)的全部直接成本，每項新設(shè)計最高達(dá)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(chuàng)建一個虛擬樣機。
Wiens在談到三維設(shè)計中的多GHz互連模擬分析時表示，三維結(jié)構(gòu)對信號完整性會造成很大影響，而現(xiàn)有的三維仿真器對工程師的專業(yè)既能要求很高，Mentor的方案則不然。具體地，分析三維結(jié)構(gòu)并建立s參數(shù)模型;將其加進(jìn)完整的互連描述中;分析互聯(lián);采用HyperLynx工具進(jìn)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(shè)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(shè)計(ECAD/MCAD)。設(shè)計與制造部門溝通后，數(shù)據(jù)庫可根據(jù)情況變化自動升級。
最后是三維熱分析(FloTHERMXT)。專注于PCB設(shè)計從概念到驗證/原型的所有階段。
設(shè)計重用可提高效率
在電子設(shè)計界，不少工程師或設(shè)計師對設(shè)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(shè)計，因為他們認(rèn)為重用別人的設(shè)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(shù)據(jù)等。因此，設(shè)計師總是想按自己的思路“獨創(chuàng)”出設(shè)計成果。
但設(shè)計主管們考慮的是如何縮短設(shè)計周期，降低成本，提高良率和產(chǎn)品質(zhì)量，減少元件差異，提升采購優(yōu)勢，以較低的設(shè)計風(fēng)險，滿足客戶的需求。
設(shè)計師有必要認(rèn)識到，實際上，絕大部分板上元件都是通過重用模塊設(shè)計的，這主要是出于提高設(shè)計效率方面的考慮。
Mentor中國區(qū)應(yīng)用工程部經(jīng)理劉雪峰指出，為了改變設(shè)計師重獨創(chuàng)、輕重用的想法，企業(yè)文化必須鼓勵設(shè)計重用，EDA工具也需消除設(shè)計中的一些技術(shù)障礙，如從經(jīng)過驗證的設(shè)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(shè)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(shè)計流程的設(shè)計重用、變體管理、約束管理和庫管理等技術(shù)，就能通過重用提高設(shè)計效率。
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