針對(duì)PCB設(shè)計(jì)挑戰(zhàn) Mentor闡述3D PCB系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

在Mentor2013中國(guó)PCB技術(shù)論壇上， Mentor針對(duì)復(fù)雜PCB設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)，闡述了三維(3D)PCB系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)、多板系統(tǒng)設(shè)計(jì)、先進(jìn)的封裝與外形協(xié)同設(shè)計(jì)方法、通過重用提高設(shè)計(jì)效率的理念，及電源完整性等設(shè)計(jì)方法。

PCB設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)

在汽車電子、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)類電子、工業(yè)、軍事/航天航空和通信領(lǐng)域，PCB設(shè)計(jì)的復(fù)雜度一直在不斷增加，信號(hào)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(chǎng)開發(fā)經(jīng)理Jamie Metcalfe指出，設(shè)計(jì)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(jì)復(fù)雜度增加促使勞動(dòng)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(jì)團(tuán)隊(duì)原來基本只有設(shè)計(jì)、布局布線工程師和項(xiàng)目管理者，現(xiàn)在則增加了FPGA、機(jī)械、系統(tǒng)架構(gòu)、SERDES、電源完整性、熱管理、信號(hào)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(jì)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(jì)方式。

三維PCB系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

電子產(chǎn)品體積更小、功能更多、設(shè)計(jì)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(jì)的復(fù)雜性。

Mentor業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理David Wiens表示：“當(dāng)面臨PCB板更厚，多次樣機(jī)制作的成本更高、時(shí)間更多，制造良率更低等問題時(shí)，設(shè)計(jì)者就應(yīng)該考慮采用三維PCB系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，這也將是PCB系統(tǒng)設(shè)計(jì)的下一個(gè)主要趨勢(shì)。”

Wiens重點(diǎn)介紹了三維PCB系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程。首先，要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)支持各種應(yīng)用的統(tǒng)一的三維器件庫(kù)，這個(gè)庫(kù)要能夠支持簡(jiǎn)化和網(wǎng)格(Mesh)設(shè)定。目前，Mentor的三維器件庫(kù)含有400多萬個(gè)器件型號(hào)。

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(hào)，并將其映射為制造商的器件型號(hào)，用戶只需簡(jiǎn)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(jì)和DRC(設(shè)計(jì)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(gè)窗口中顯示，并能實(shí)現(xiàn)元件的一一對(duì)應(yīng)。三維編譯和分析包括布線的三維編譯，及動(dòng)態(tài)與靜態(tài)檢測(cè)的三維約束分析，并可選擇詳細(xì)或簡(jiǎn)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(dòng)測(cè)試。在由設(shè)計(jì)草圖引起的可靠性問題中，振動(dòng)是在溫度之后排名第二的失效因素。據(jù)美國(guó)空軍公布的國(guó)防電子系統(tǒng)因環(huán)境問題引起失效的一份報(bào)告，溫度問題引發(fā)的失效高達(dá)50%，振動(dòng)因素占20%。

Wiens援引美國(guó)Qualmark公司Edmond L.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(jì)缺陷造成現(xiàn)場(chǎng)退貨(field returns)的全部直接成本，每項(xiàng)新設(shè)計(jì)最高達(dá)到44萬美元。

接下來是更高的加速生命周期測(cè)試(HALT);三維建模與解決;強(qiáng)大的前、后處理器可創(chuàng)建一個(gè)虛擬樣機(jī)。

Wiens在談到三維設(shè)計(jì)中的多GHz互連模擬分析時(shí)表示，三維結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)完整性會(huì)造成很大影響，而現(xiàn)有的三維仿真器對(duì)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(hào)完整性仿真與分析。對(duì)于多GHz完整的SERDES通道設(shè)計(jì)，二維和三維混合仿真與建?？商峁┚_的加速。

再之后是升級(jí)的電子與機(jī)械設(shè)計(jì)(ECAD/MCAD)。設(shè)計(jì)與制造部門溝通后，數(shù)據(jù)庫(kù)可根據(jù)情況變化自動(dòng)升級(jí)。

最后是三維熱分析(FloTHERM XT)。專注于PCB設(shè)計(jì)從概念到驗(yàn)證/原型的所有階段。

設(shè)計(jì)重用可提高效率

在電子設(shè)計(jì)界，不少工程師或設(shè)計(jì)師對(duì)設(shè)計(jì)重用常常缺乏動(dòng)力，他們不想通過修改別人的成果來完成設(shè)計(jì)，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為重用別人的設(shè)計(jì)無法顯示出自己的能力和價(jià)值，而且管理重用模塊可能很麻煩，如存儲(chǔ)及找出可重用數(shù)據(jù)等。因此，設(shè)計(jì)師總是想按自己的思路“獨(dú)創(chuàng)”出設(shè)計(jì)成果。

但設(shè)計(jì)主管們考慮的是如何縮短設(shè)計(jì)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(gòu)優(yōu)勢(shì)，以較低的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，滿足客戶的需求。

設(shè)計(jì)師有必要認(rèn)識(shí)到，實(shí)際上，絕大部分板上元件都是通過重用模塊設(shè)計(jì)的，這主要是出于提高設(shè)計(jì)效率方面的考慮。

Mentor中國(guó)區(qū)應(yīng)用工程部經(jīng)理劉雪峰指出，為了改變?cè)O(shè)計(jì)師重獨(dú)創(chuàng)、輕重用的想法，企業(yè)文化必須鼓勵(lì)設(shè)計(jì)重用，EDA工具也需消除設(shè)計(jì)中的一些技術(shù)障礙，如從經(jīng)過驗(yàn)證的設(shè)計(jì)中提取重用對(duì)象;把邏輯、約束和布局打包到重用對(duì)象中;支持非正式和正式的重用;使設(shè)計(jì)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Expedition Enterprise設(shè)計(jì)流程的設(shè)計(jì)重用、變體管理、約束管理和庫(kù)管理等技術(shù)，就能通過重用提高設(shè)計(jì)效率。