本文闡述了近來PCB設(shè)計工程師們所面臨的挑戰(zhàn)，文中探討了如何迎接這些挑戰(zhàn)及潛在的解決方案；此外，文中同時以明導(dǎo)的PCB評估套裝軟件為例，描述了如何解決PCB設(shè)計軟件的評估問題。

 

作為研發(fā)人員，主要的考量是如何將最新的先進(jìn)技術(shù)整合在產(chǎn)品中。這些先進(jìn)技術(shù)既可以展現(xiàn)在卓越的產(chǎn)品功能上，也必須能展現(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。

 

在這個前提下，必須考慮的因素很廣泛，從產(chǎn)品功能、設(shè)計實現(xiàn)、產(chǎn)品測試以及電磁干擾(EMI)是否符合要求均包含在內(nèi)。減少設(shè)計反覆是可能的，但這必須仰賴前期工作的完成情況。大多數(shù)時候，越是到產(chǎn)品設(shè)計后期越容易發(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)驗法則，但實際情況卻是另外一種場景，即許多公司都很清楚，擁有一個高整合度的設(shè)計軟件非常重要，但這個想法卻往往受限于高昂的價格。本文將闡述PCB設(shè)計所面臨的挑戰(zhàn)，以及作為一名PCB設(shè)計者在評估一款PCB設(shè)計工具時該考慮哪些因素。

 

以下是PCB設(shè)計者必須考量并影響其決定的幾點因素：

 

1. 產(chǎn)品功能

a.覆蓋基本要求的基本功能，包括：原理圖與PCB布局之間的互動；自動扇出布線、推拉等布線功能，以及基于設(shè)計規(guī)則約束的布線能力；精確的DRC校驗器。

 

b.當(dāng)公司從事一個更為復(fù)雜的設(shè)計時升級產(chǎn)品功能的能力，如：高密度互連(HDI)介面；靈活設(shè)計；嵌入被動元件；射頻(RF)設(shè)計；自動腳本產(chǎn)生；拓樸布局布線；可制造性(DFM)、可測試性(DFT)及可生產(chǎn)性(DFF)等。

 

c.附加產(chǎn)品能執(zhí)行類比模擬、數(shù)位模擬、類比數(shù)位混合訊號模擬、高速訊號模擬以及RF模擬。

 

d.具備一個易于制作和管理的中央元件庫。

 

2. 優(yōu)秀的伙伴

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)計出具有最大功效和具有領(lǐng)先技術(shù)的產(chǎn)品。

 

3. 投資報酬率

價格應(yīng)該是上述因素中最為次要的考慮因素，必須更加關(guān)注投資報酬率。

 

圖1：從前端到后端的一個典型整合系統(tǒng)設(shè)計流。

 

圖2：平行匯流排和串并轉(zhuǎn)換設(shè)計所遇到的典型設(shè)計問題。

 

PCB評估需考慮許多因素。設(shè)計者要尋找的開發(fā)工具類型取決于他們所從事的設(shè)計工作復(fù)雜性。由于系統(tǒng)正趨于越來越復(fù)雜，實體走線和電氣元件布放的控制發(fā)展愈來愈廣泛，以至于必須為設(shè)計過程中的關(guān)鍵路徑設(shè)定約束條件。但是，過多的設(shè)計約束卻束縛了設(shè)計靈活性。設(shè)計者們務(wù)必良好瞭解其設(shè)計及規(guī)則，如此才能清楚要在何時使用這些規(guī)則。

 

圖1顯示了一個由前端到后端的標(biāo)淮合成系統(tǒng)設(shè)計。它始于設(shè)計定義(原理圖輸入)，該設(shè)計定義與約束編輯緊密集合在一起。在約束編輯中，設(shè)計者既可定義實體約束又可定義電氣約束。電氣約束將為網(wǎng)路驗證驅(qū)動模擬器進(jìn)行布局前和布局后分析。仔細(xì)看看設(shè)計定義，它還與FPGA/PCB整合相鏈接。FPGA/PCB整合的目的是為了提供雙向整合、數(shù)據(jù)管理和在FPGA與PCB之間執(zhí)行協(xié)同設(shè)計能力。

 

在布局階段輸入了與設(shè)計定義期間相同的用于實體實現(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。接腳交換、邏輯閘交換、甚至輸入輸出介面組(IO_Bank)交換均需返回到設(shè)計定義階段進(jìn)行更新，因此各個環(huán)節(jié)的設(shè)計是同步的。

 

評估期間，設(shè)計者必須問自己：對他們而言，什么標(biāo)淮是至關(guān)重要的？

讓我們看看一些迫使設(shè)計者重新審視其現(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)雜性和邏輯閘總量的增加已要求積體電路具有更多的接腳及更精細(xì)的接腳間距。在一個接腳間距為1mm的BGA元件上設(shè)計2,000個以上的接腳在目前已是很平常的事情，更不要說在接腳間距為0.65mm的元件上布放296個接腳了。越來越快的上升時間和訊號完整性(SI)，正在要求更多的電源和接地接腳，故需要占用多層板中更多的層，并驅(qū)動了對微過孔高密度互連(HDI)技術(shù)的需求。

 

HDI是為了響應(yīng)上述需求而開發(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)的主要特徵。

 

2.RF設(shè)計

針對RF設(shè)計，RF電路應(yīng)該直接設(shè)計成系統(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模擬環(huán)境裝的所有模擬、調(diào)諧和最佳化能力仍然是必須的，但模擬環(huán)境較‘實際’的設(shè)計卻能接受更為原始的數(shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)模型間的差異，以及由此引起的設(shè)計轉(zhuǎn)換問題將會銷聲匿跡。首先，設(shè)計者可在系統(tǒng)設(shè)計與RF模擬之間直接互動；其次，如果設(shè)計師進(jìn)行一個大規(guī)模或相當(dāng)復(fù)雜的RF設(shè)計，他們可能想將電路模擬任務(wù)分配到平行執(zhí)行的多個運算平臺，或者他們想將一個由多個模組組成的設(shè)計中每一個電路發(fā)送到各自的模擬器中，以縮短模擬時間。

 

3.先進(jìn)的封裝

現(xiàn)代產(chǎn)品日漸增加的功能復(fù)雜性要求被動元件的數(shù)量也相應(yīng)增加，主要體現(xiàn)在低功耗、高頻應(yīng)用中的去藕電容器和終端匹配電阻數(shù)量的增加。雖然被動表貼元件的封裝在歷經(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。印刷零組件技術(shù)使得從多晶片組件(MCM)和混合組件轉(zhuǎn)變到今天直接可以作為嵌入式被動元件的SiP和PCB。在轉(zhuǎn)變的過程中採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)封裝下面採用了串聯(lián)終端電阻，這些都大幅提高了電路的性能?，F(xiàn)在，嵌入式被動元件可獲得高精密度的設(shè)計，因而省去了雷射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)提高整合度的方向發(fā)展。

 

4.剛性柔性PCB

為了設(shè)計一個剛性柔性PCB，必須考慮影響裝配過程的所有因素。設(shè)計者不能像設(shè)計一個剛性PCB那樣來簡單地設(shè)計一個剛性柔性PCB。他們必須管理設(shè)計彎曲區(qū)域，以確保設(shè)計要點將不會由于彎曲面的應(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)和彎曲部份數(shù)量。

 

理解剛性柔性設(shè)計并決定你的產(chǎn)品是否允許你制作一個剛性柔性設(shè)計。

 

5.訊號完整性規(guī)劃

最近幾年，針對Serdes轉(zhuǎn)換，或串列互連、平行匯流排結(jié)構(gòu)和差分對結(jié)構(gòu)相關(guān)的新技術(shù)一直不斷進(jìn)步。

 

圖2顯示了針對一個平行匯流排和Serdes轉(zhuǎn)換設(shè)計所遇到的典型設(shè)計問題。平行匯流排設(shè)計侷限在系統(tǒng)時序的變化，如時脈歪斜和傳播延遲。由于整個匯流排寬度上的時脈歪斜，針對時序約束的設(shè)計依然是困難的。增加時脈速率只會讓問題變得更糟糕。

 

另一方面，差分對結(jié)構(gòu)在硬體層面採用了一個可交換的點對點連接來實現(xiàn)串列通訊。通常，它透過一個單向串列‘通道’來轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)，這個單向串列通道可迭加成1-、2-、4-、8-、16-和32-寬度的配置。每個通道攜帶一個位元組的數(shù)據(jù)，匯流排可處理從8位元組到256位元組的數(shù)據(jù)寬度，并透過使用某些形式的錯誤檢測技巧來保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性。然而，更高的數(shù)據(jù)率導(dǎo)致了其他設(shè)計問題。高頻下的時脈恢復(fù)成為系統(tǒng)的重?fù)?dān)，因為時脈要快速鎖定輸入數(shù)據(jù)串流，以及為了提高電路的抗抖性能，還要減少所有週期到週期間的抖動。電源噪音也為設(shè)計師帶來了額外問題。該類型的噪音增加了產(chǎn)生嚴(yán)重抖動的可能，這將使得視圖的開眼變得更加困難。另外的挑戰(zhàn)是減少共模噪音，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)計套件的實用性

USB、DDR/DDR2、PCI-X、PCI-Express和RocketIO等設(shè)計套件將毋庸置疑地對設(shè)計師進(jìn)軍新技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生很大的幫助。設(shè)計套件提供了技術(shù)的概況、詳細(xì)說明以及設(shè)計者將要面臨的困難，并提供模擬及如何制作布線約束等資訊。它與程式共同提供說明文件，為設(shè)計者提供了一個掌握先進(jìn)新技術(shù)的先機。

 

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迫切需求的工具才是至關(guān)重要的。