讓工作更智能的六大PCB設(shè)計(jì)技術(shù)策略

如果我們回顧2011年，會(huì)發(fā)現(xiàn)電子公司面對(duì)經(jīng)濟(jì)危機(jī)以及復(fù)蘇緩慢的狀況，為了努力保持在競(jìng)爭(zhēng)中領(lǐng)先，發(fā)展需求出現(xiàn)顯著增加。這在Mentor的"技術(shù)領(lǐng)先獎(jiǎng)"項(xiàng)目中表現(xiàn)得尤為明顯。每年我們都會(huì)邀請(qǐng)世界各地的公司提交他們最先進(jìn)的設(shè)計(jì)，然后交由一批獨(dú)立的行業(yè)專家進(jìn)行評(píng)比。2011年入圍的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，設(shè)計(jì)流程中使用的方法和工具也更加先進(jìn)。在未來使用本文描述的技術(shù)推動(dòng)要素將不再是一種奢侈品，而是發(fā)展的必需品。

在Aberdeen集團(tuán)的一次調(diào)查中，眾多一流電子公司確認(rèn)了能積極滿足業(yè)務(wù)目標(biāo)的6種設(shè)計(jì)技術(shù)最佳實(shí)踐。隨著經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的緩慢復(fù)蘇，這些基本的PCB技術(shù)實(shí)踐將成為各公司在2012年發(fā)展的必要組成部分。

電子行業(yè)正在努力從經(jīng)濟(jì)危機(jī)中復(fù)蘇，為從設(shè)計(jì)到制造的流程提供全面支持的壓力也日益增加。世界各地的電子公司不得不將差異化的產(chǎn)品以更快的速度和更低的成本推向市場(chǎng)，并且由于經(jīng)濟(jì)的疲軟該趨勢(shì)還將持續(xù)下去。即使在中國(guó)的PCB市場(chǎng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造支持工具也亟待利用最新技術(shù)以提高生產(chǎn)率。

在Aberdeen集團(tuán)的一次調(diào)查中，眾多一流電子公司確認(rèn)了能積極滿足業(yè)務(wù)目標(biāo)的6種設(shè)計(jì)技術(shù)最佳實(shí)踐。隨著經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的緩慢復(fù)蘇，這些基本的PCB技術(shù)實(shí)踐將成為各公司在2012年發(fā)展的必要組成部分。

以下是對(duì)這6種使公司工作更智能化的關(guān)鍵策略的概述，我們相信這些策略將成為2012年發(fā)展的關(guān)鍵。

技術(shù)策略 1:產(chǎn)品協(xié)同開發(fā)流程

協(xié)同通常是指將串行操作變成并行的能力，并具有兩種模式。首先是讓多名設(shè)計(jì)師同時(shí)在同一個(gè)設(shè)計(jì)流程中工作的能力。這一做法并非新生事物，但新技術(shù)在效力上與原來相比有巨大的差異。設(shè)計(jì)師始終能夠操作PCB設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，并將其進(jìn)行拆分。然后每個(gè)設(shè)計(jì)師都在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)工作--但最后數(shù)據(jù)庫(kù)必須重新合并起來。合并過程非常耗時(shí)，并且容易出錯(cuò)，但最終結(jié)果可以縮短設(shè)計(jì)周期。

目前，我們有能力讓多名設(shè)計(jì)師同時(shí)在同一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中工作，無需數(shù)據(jù)庫(kù)分拆。這適合于PCB設(shè)計(jì)中的許多流程，包括原理圖輸入、約束（高速和制造規(guī)則）輸入和管理，以及物理布局。另外，每個(gè)設(shè)計(jì)師都能看到同事實(shí)時(shí)操作的結(jié)果。這不僅顯著縮短了設(shè)計(jì)周期時(shí)間，而且提高了設(shè)計(jì)師的生產(chǎn)率和產(chǎn)品的質(zhì)量。該技術(shù)的部分用戶報(bào)告節(jié)省了30~70%的設(shè)計(jì)時(shí)間。為了在2012年保持競(jìng)爭(zhēng)力，各公司都必須達(dá)到相似的設(shè)計(jì)周期方面的改進(jìn)（圖 1）。

圖1:協(xié)同設(shè)計(jì)通常要求PCB設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)分拆后再重組，而現(xiàn)在則可以在多名設(shè)計(jì)師操作時(shí)保持完整

協(xié)同的第二種模式是以不同于序列的并行方式，運(yùn)行幾個(gè)不同流程的能力。原理圖、約束、布局和分析都可以并行化，從而進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)師的生產(chǎn)力，并縮短設(shè)計(jì)周期。但是，該模式需要帶有版本管理、同步校準(zhǔn)、權(quán)限和更新控制的復(fù)雜設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理，稍后本文會(huì)對(duì)此進(jìn)行闡述。

技術(shù)策略 2:虛擬樣機(jī)

通常各公司通過建立和測(cè)試多個(gè)原型來驗(yàn)證他們的產(chǎn)品。設(shè)計(jì)一個(gè)PCB,構(gòu)建物理原型，在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試，確定需要做出哪些改變，重新設(shè)計(jì)，然后重復(fù)相關(guān)流程。

這種方法存在幾個(gè)問題。首先，建立并調(diào)試樣機(jī)非常耗時(shí)和昂貴。如果上市時(shí)間很緊迫，就很可能錯(cuò)過市場(chǎng)時(shí)機(jī)。其次，在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試可能無法發(fā)現(xiàn)所有潛在問題。例如，你希望產(chǎn)品在劇烈震動(dòng)等惡劣環(huán)境中使用多年，但是"震動(dòng)和熱處理"實(shí)驗(yàn)室可能無法運(yùn)行足夠長(zhǎng)的時(shí)間以發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)周期性的問題。同樣，信號(hào)完整性也存在這一問題。極端的臨界條件很有可能無法在實(shí)驗(yàn)室中獲得。

未來的解決方案是在軟件中進(jìn)行模擬，如：虛擬樣機(jī)。該操作可以在PCB設(shè)計(jì)流程中執(zhí)行，并且會(huì)覆蓋許多可能的領(lǐng)域：信號(hào)（數(shù)字、模擬、射頻）和電源網(wǎng)絡(luò)完整性；集成電路、封裝、PCB和全系統(tǒng)模擬中的熱管理；振動(dòng)和沖擊（圖 2）；PCB制造和組裝實(shí)踐；3D 機(jī)械接口等等。在整個(gè)設(shè)計(jì)流程中執(zhí)行可以確保設(shè)計(jì)持續(xù)進(jìn)行，無需備份和校正。此外，軟件可以探測(cè)極端臨界條件，并且可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)室中數(shù)周和數(shù)月出現(xiàn)的問題。雖然設(shè)計(jì)師喜歡手中盡快拿到實(shí)物，而執(zhí)行廣泛的虛擬樣機(jī)可能有所延遲，但后者可以縮短周期，減少成本，并且提高設(shè)計(jì)師的生產(chǎn)力和產(chǎn)品質(zhì)量/可靠性。

圖2:振動(dòng)虛擬樣機(jī)可以用幾個(gè)小時(shí)的軟件模擬來代替實(shí)驗(yàn)室內(nèi)數(shù)周和數(shù)月的操作，并突出顯示各個(gè)部件的潛在失效問題（紅、黃、藍(lán)）

技術(shù)策略 3:從設(shè)計(jì)到制造的流程支持

上市時(shí)間和產(chǎn)品成本是許多行業(yè)的關(guān)鍵。即使軍事/航空和汽車等行業(yè)，在過去也面臨較長(zhǎng)開發(fā)時(shí)間和/或高成本的限制，現(xiàn)在對(duì)此問題也有更加積極的目標(biāo)。此外，PCB設(shè)計(jì)師決不能忘記，即使數(shù)據(jù)進(jìn)入制造流程，他們的責(zé)任也還沒有結(jié)束。同時(shí)，從EDA供應(yīng)商的角度來看，重要的是支持不是到設(shè)計(jì)階段結(jié)束，不是讓設(shè)計(jì)者輕松履行對(duì)可制造產(chǎn)品的責(zé)任，而要和制造商一起優(yōu)化他們的生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)最低成本的產(chǎn)品交付。

圖3表明流程是不斷發(fā)展的。從幫助制造商定義規(guī)則和實(shí)踐能力的支持開始，對(duì)制造和組裝流程中的產(chǎn)量和可靠性產(chǎn)生積極影響。這些DFM（可制造性設(shè)計(jì)）規(guī)則將被PCB設(shè)計(jì)師用于設(shè)計(jì)流程。DFM軟件可在設(shè)計(jì)環(huán)境中找出問題，然后由設(shè)計(jì)師進(jìn)行糾正。巧合的是，大多數(shù)制造商也使用相同的規(guī)則和軟件來檢查接收的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。這樣可以確保一旦設(shè)計(jì)進(jìn)入制造流程，就可以持續(xù)執(zhí)行，無需設(shè)計(jì)返工。

圖3:全面的設(shè)計(jì)到制造流程支持，能夠確保高產(chǎn)量、高產(chǎn)品可靠性和低生產(chǎn)成本

一旦設(shè)計(jì)通過智能化接口，如ODB++,進(jìn)入制造流程，制造商可以利用軟件進(jìn)行生產(chǎn)線建模，并優(yōu)化其利用。在生產(chǎn)線運(yùn)行時(shí)，軟件將持續(xù)監(jiān)控零件按時(shí)交付、機(jī)器停工以及產(chǎn)品可追溯性等問題。即使發(fā)生質(zhì)量缺陷，也可以確保跟蹤并突顯低于可接受故障率的設(shè)備或流程。

技術(shù)策略 4:復(fù)雜性管理

對(duì)于擊敗競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的差異化產(chǎn)品，公司必須利用最新和最先進(jìn)的技術(shù)，將更多功能壓縮到更小空間內(nèi)，同時(shí)仍能滿足積極的市場(chǎng)時(shí)機(jī)，這在2012年將變得更為重要。集成電路技術(shù)在高密度、高速度、在更小的空間中更多的針腳、和更高的功耗等方面持續(xù)提高。PCB（印刷電路板）制造技術(shù)，如HDI/微孔技術(shù)，可以增加密度，但設(shè)計(jì)也更加復(fù)雜。面對(duì)這種不斷提高的復(fù)雜性，我們?cè)撊绾伪３植⑻岣咴O(shè)計(jì)師的生產(chǎn)力呢？答案是同樣增加設(shè)計(jì)工具的功能。

例如：不久前，一個(gè)典型的設(shè)計(jì)可能包含一些必須遵守長(zhǎng)度和鄰近規(guī)則的高速網(wǎng)絡(luò)。這些網(wǎng)絡(luò)可由設(shè)計(jì)師輕松管理。現(xiàn)在，大讀數(shù)設(shè)計(jì)都擁有超過50%的高速網(wǎng)絡(luò)，甚至有些高達(dá)90%.另外一個(gè)例子是BGA針數(shù)和密度的增加。這將成為PCB扇出時(shí)的一個(gè)挑戰(zhàn)。這類情況提出了一個(gè)復(fù)雜性問題，沒有先進(jìn)的設(shè)計(jì)工具，將導(dǎo)致生產(chǎn)力嚴(yán)重下降，上市時(shí)間顯著延長(zhǎng)。

策略優(yōu)勢(shì) - 可靠性至關(guān)重要。

多年來關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用取決于Rogers的微波材料。Rogers的軍用級(jí)層壓板能經(jīng)受時(shí)間和溫度的考驗(yàn)而保持穩(wěn)定一致的性能，這對(duì)航空和國(guó)防應(yīng)用而言是至關(guān)重要的。

Rogers微波材料的穩(wěn)定性能提供了大多數(shù)關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用所需的高性能和高可靠性。你能承受減少材料的應(yīng)用嗎？

圖4:遵循規(guī)則的自動(dòng)高速互連路由來滿足性能目標(biāo)

如果我們查看增加高速網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容的第一個(gè)示例，現(xiàn)存的工具有助于設(shè)計(jì)師遵守所有的延遲和信號(hào)完整性規(guī)則。工程師在約束條款中設(shè)置這些規(guī)則，然后CAD設(shè)計(jì)師按規(guī)定路線發(fā)送個(gè)體互聯(lián)或總線結(jié)構(gòu)，自動(dòng)調(diào)整高速網(wǎng)絡(luò)，然后匹配最低/最高限制的長(zhǎng)度，以及匹配差異化配對(duì)等網(wǎng)絡(luò)。這樣的任務(wù)顯然是無法靠手動(dòng)完成的。

技術(shù)策略 5:跨學(xué)科合作

產(chǎn)品研發(fā)和交付需要跨學(xué)科合作。在電子領(lǐng)域，我們擁有集成電路、封裝、FPGA、RF、模擬和數(shù)字化方面的專家；而在機(jī)械領(lǐng)域，我們擁有設(shè)計(jì)外殼和執(zhí)行CAE分析的工程師；我們擁有采購(gòu)、供應(yīng)鏈和制造人員；我們擁有嵌入式軟件研發(fā)。所有這些都需要在開發(fā)過程中有效合作。過去是通過紙張和電子郵件進(jìn)行，現(xiàn)在主要通過電子媒介，但團(tuán)隊(duì)成員之間的大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存依然存在問題。如何有效地確定發(fā)生了何種改變，在你的領(lǐng)域內(nèi)該如何應(yīng)對(duì)，以及你實(shí)際采用了何種控制？此類問題在不久的將來必須得到處理。

實(shí)際上，大多數(shù)交互是一種協(xié)商。例如，如果一名機(jī)械工程師發(fā)現(xiàn)PCB上的一個(gè)組件將會(huì)干涉物理產(chǎn)品外殼，則該工程師可以提議更換該組件的位置。這將采取一種漸進(jìn)（僅在更換時(shí)）提議的形式傳達(dá)給PCB設(shè)計(jì)師--不同于大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存，PCB設(shè)計(jì)師必須經(jīng)過排序來確定提議。最近漸進(jìn)式變化性能已經(jīng)由Mentor Graphics、PTC和用戶發(fā)展成為標(biāo)準(zhǔn)（"EDMD"），并獲得了ProSTEP的批準(zhǔn)。

該提議將以圖形的形式展示給PCB設(shè)計(jì)師，后者將根據(jù)PCB的實(shí)際情況接受、拒絕或提出一個(gè)更適合此PCB的提議。協(xié)商過程將持續(xù)到達(dá)成一致為止，屆時(shí)機(jī)械和電氣數(shù)據(jù)庫(kù)都將進(jìn)行更新。 這個(gè)完全電子化的合作僅僅是目前許多實(shí)際操作的示例之一。

技術(shù)策略 6:知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）管理

最后一流電子公司確定未來成功的關(guān)鍵在于他們的工作進(jìn)程和數(shù)據(jù)庫(kù)的管理。

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)成員，無論位于本地還是分散在世界各地，都需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)有效的權(quán)限，并嚴(yán)格管理公司認(rèn)為最重要的資產(chǎn)。公司數(shù)據(jù)庫(kù)管理員將合格組件的信息輸入經(jīng)過批準(zhǔn)的管理基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)，可由設(shè)計(jì)師進(jìn)行評(píng)估。預(yù)先設(shè)計(jì)的全部或部分PCB可以增加到庫(kù)中，便于日后項(xiàng)目的重新使用。

隨著PCB設(shè)計(jì)的進(jìn)展，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了原理圖、約束和PCB布局?jǐn)?shù)據(jù)。該工作進(jìn)程數(shù)據(jù)管理非常復(fù)雜，需要專門創(chuàng)建用于管理電子版知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)。不同團(tuán)隊(duì)成員編輯的數(shù)據(jù)將面臨版本管理和同步化的問題。公司可以聘用服務(wù)機(jī)構(gòu)來設(shè)計(jì)部分產(chǎn)品，并希望僅共享部分IP.這就是排除使用標(biāo)準(zhǔn)PLM系統(tǒng)的復(fù)雜性（圖5）。也就是說，隨著產(chǎn)品的成熟開發(fā)，最終的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)必須上傳到公司的PLM、ERP等系統(tǒng)內(nèi)，進(jìn)行生命周期管理。因此，ECAD供應(yīng)商必須不僅提供PCB特別IP管理，而且要提供與企業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)對(duì)接的支持標(biāo)準(zhǔn)。

圖5:電子產(chǎn)品IP的管理極其復(fù)雜，需要ECAD的專業(yè)軟件。標(biāo)準(zhǔn)的PLM系統(tǒng)無法保持內(nèi)部關(guān)系和同步