Tecnología de PCB - El diseño de PCB de alta velocidad y alta densidad se enfrenta a nuevos desafíos

Con el aumento de la complejidad y el rendimiento de los productos electrónicos, La densidad de la placa de circuito impreso y la frecuencia de su equipo conexo aumentan constantemente, Y los desafíos a los que se enfrentan los ingenieros en el diseño de alta velocidad y alta densidad Placa de circuito impreso También está aumentYo. In addition to the well-known signal integrity (SI) issues, El próximo punto caliente en el campo de alta velocidad Placa de circuito impreso technology should be power integrity (PI), Compatibilidad electromagnética/Interferencia electromagnética, Análisis térmico.

Con la competencia cada vez más feroz, los fabricantes se enfrentan a una presión cada vez mayor sobre el tiempo de lanzamiento de los productos. Cómo utilizar herramientas avanzadas de eda y métodos y procesos optimizados para lograr un diseño de alta calidad y alta eficiencia se ha convertido en un problem a que los fabricantes de sistemas e ingenieros de diseño deben enfrentar.

Punto caliente: pasar de la integridad de la señal a la integridad de la fuente de alimentación

CuYo se trata de diseño de alta velocidad, Lo primero que la gente piensa es en la integridad de la señal.. La integridad de la señal se refiere principalmente a la calidad de la transmisión de la señal en la línea de señal. Cuando la señal en el circuito puede alcanzar el pin del chip receptor en el tiempo requerido, Duración y amplitud de tensión, El circuito tiene buena integridad de la señal. Cuando la señal no puede responder normalmente o la calidad de la señal no puede hacer que el sistema funcione de forma estable durante mucho tiempo, Habrá problemas de integridad de la señal. La integridad de la señal se manifiesta principalmente en varios aspectos, como el retraso, etc., Reflejo, Crosstalk, Oportunidad, Oscilación. Se considera generalmente que cuando el sistema funciona a 50 MHz, Habrá problemas de integridad de la señal, A medida que aumenta la frecuencia de los sistemas y equipos, El problema de la integridad de la señal se hará más prominente. Parámetros del componente y Placa de circuito impreso Board, Diseño del componente Placa de circuito impreso board, El cableado de señales de alta velocidad puede causar problemas de integridad de la señal, Causa inestabilidad en el funcionamiento del sistema, Ni siquiera funciona..

Después de décadas de desarrollo, la teoría y el método de análisis de la integridad de la señal se han vuelto cada vez más maduros. En cuanto a la integridad de la señal, la integridad de la señal no es un problema para alguien. Se trata de cada eslabón de la cadena de diseño. Esto no sólo debe ser considerado por los ingenieros de diseño de sistemas, ingenieros de hardware e ingenieros de Placa de circuito impreso, sino que no debe ser ignorado en el proceso de fabricación. Para resolver el problema de la integridad de la señal, debemos confiar en herramientas avanzadas de simulación.

En comparación con la integridad de la señal, la integridad de la fuente de alimentación es una tecnología relativamente nueva, que se considera uno de los mayores desafíos para el diseño de Placa de circuito impreso de alta velocidad y alta densidad. La integridad de la Potencia significa que en el sistema de alta velocidad, el sistema de transmisión de potencia PDS tiene diferentes características de impedancia en diferentes frecuencias, por lo que el voltaje entre la capa de potencia y la capa de tierra en el Placa de circuito impreso es diferente en cualquier lugar de la placa de circuito. Como resultado, la fuente de alimentación no es continua, el ruido de la fuente de alimentación se genera y el chip no puede funcionar normalmente. Al mismo tiempo, debido a la radiación de alta frecuencia, el problema de la integridad de la fuente de alimentación también traerá problemas EMC / emi. Si no se puede resolver el problema de la integridad de la fuente de alimentación, el funcionamiento normal del sistema se verá gravemente afectado.

En general, los problemas de integridad de la fuente de alimentación se resuelven principalmente mediante dos métodos: optimizar el diseño de la pila y el diseño de la placa de Circuito, y añadir condensador de desacoplamiento. Cuando la frecuencia del sistema es inferior a 300 ~ 400 MHz, el condensador de desacoplamiento puede suprimir la frecuencia, el filtro y el control de impedancia. La colocación de un condensador de desacoplamiento adecuado en la posición correcta ayudará a reducir los problemas de integridad de la fuente de alimentación del sistema. Sin embargo, cuando la frecuencia del sistema es mayor, el efecto del condensador de desacoplamiento es menor. En este caso, el problema de la integridad de la Potencia y la supresión del EMC / emi sólo pueden resolverse optimizando el diseño y la disposición del espacio entre capas de la placa de circuito u otros métodos para reducir la Potencia y el ruido de puesta a tierra (por ejemplo, emparejamiento adecuado para reducir el problema de reflexión del Sistema de transmisión de potencia).

En cuanto a la relación entre la integridad de la señal y la integridad de la Potencia, la integridad de la señal es el concepto de dominio de tiempo, más fácil de entender, y la integridad de la Potencia es el concepto de dominio de frecuencia, más difícil de entender que la integridad de la señal, pero en algunos Aspectos es similar a la integridad de la señal. La integridad de la fuente de alimentación es un nuevo desafío para el diseño de alta velocidad, ya que requiere mayores habilidades de ingeniería. No sólo se refiere a los niveles de tablero, sino también a los niveles de chip y paquete. Se sugiere que el ingeniero de diseño de Placa de circuito impreso de alta velocidad haga la integridad de la fuente de Alimentación sobre la base de la solución de la integridad de la señal.

Simulando "suavizar" su diseño

La simulación es la prueba del prototipo virtual, teniendo en cuenta todos los aspectos. A medida que el diseño se hace más complejo, los ingenieros no pueden implementar cada solución. En este punto, sólo pueden utilizar simulaciones avanzadas en lugar de experimentos para hacer juicios.

En el diseño del sistema actual, además de los desafíos de la alta velocidad y la alta densidad de la placa de Circuito, la presión de la liberación rápida del producto hace que la simulación se convierta en un medio indispensable para el diseño del sistema. Los diseñadores esperan utilizar herramientas avanzadas de simulación para encontrar problemas en la fase de diseño, con el fin de completar el diseño del sistema de manera eficiente y de alta calidad.

Tradicional Diseño de Placa de circuito impreso, Los ingenieros rara vez recurren a la simulación. Más a menudo, it uses reference Diseños and Diseño guidelines (ie white papers) provided by upstream chip manufacturers to Diseño in combination with the actual experience of Ingenieros, A continuación, probar el prototipo de diseño, encontrar el problema y modificar el diseño.. Esto se repite una y otra vez., Hasta que el problema se resuelva básicamente. Incluso si ocasionalmente se utiliza una herramienta de simulación para el diseño, Se limita a circuitos parciales. Modificar el circuito significa retraso de tiempo. Este retraso es inaceptable bajo la presión del lanzamiento rápido del producto. Especialmente para sistemas grandes, Una pequeña modificación puede requerir la anulación de todo el diseño. Sus pérdidas para los fabricantes son incalculables.

La calidad del producto es difícil de garantizar, El ciclo de desarrollo es incontrolable, Dependencia excesiva de la experiencia del ingeniero... these factors make it difficult for the above Diseño methods to cope with the challenges brought by the increasingly complex high-speed and Diseño de Placa de circuito impreso de alta densidad, Por lo tanto, debe utilizar la simulación avanzada. Herramientas para resolverlo. "El diseño dado por los fabricantes de chips aguas arriba se basa en sus propios prototipos.", Los productos del fabricante del sistema no pueden ser idénticos a los del fabricante anterior; Al mismo tiempo, Los requisitos de diseño de un chip pueden contradecir los de otro. Debe hacerse una simulación para determinar el esquema de diseño.".

En cierto sentido, la simulación permite que el software complete la evaluación funcional del prototipo virtual, que sólo se puede lograr probando el prototipo físico. Es una solución más suave y económica.

Sin embargo, la simulación de circuitos de alta velocidad y alta densidad es diferente de la simulación tradicional. Yulifu, ingeniero gráfico mentor, dijo: "La simulación tradicional es para diagramas esquemáticos. Simplemente añade incentivos y mira la salida para determinar si la función es correcta; la simulación de alta velocidad se basa en la premisa de que la función es correcta, dependiendo del diseño. Cómo es el rendimiento? Esto no es sólo para diagramas esquemáticos, sino también para el diseño de Placa de circuito impreso. Usando herramientas de simulación, usted puede determinar El esquema CH está más cerca de las necesidades reales, y sobre la base de los requisitos de rendimiento, se determina cuál de los esquemas es más barato.

Encontrar un equilibrio entre la planificación y el costo del sistema. Yulifu dijo: "el uso de herramientas de simulación, puede determinar si la dirección de mejora del sistema es correcta, para indicar la dirección del diseño, mejorar la tasa de éxito de la primera Junta, hacer que el producto se ponga en el mercado más rápido, pero no importa lo cerca que los resultados de la simulación y Los resultados de las pruebas, no puede reemplazar el sistema de prueba real".

La prueba es un juicio real del rendimiento del sistema, incluyendo todos los factores ambientales reales. Sin embargo, la simulación es una "prueba" de prototipos virtuales. Se dirige a ciertas condiciones específicas. No hay herramientas que tengan en cuenta todas las realidades al mismo tiempo. Simulación Sin embargo, con el desarrollo de la tecnología y la mejora continua de las herramientas, los resultados de la simulación se acercan cada vez más a los resultados reales de las pruebas y tienen una importancia orientadora cada vez mayor para el diseño, pero al mismo tiempo plantean mayores requisitos para los ingenieros - aunque las herramientas son cada vez más fáciles de usar, El juicio y la mejora de los resultados de la simulación dependen del nivel técnico y de la base teórica del ingeniero.

En la actualidad, en la simulación de Placa de circuito impreso de alta velocidad, el efecto más insatisfactorio es EMC / emi. Esto se debe a que para el sistema de alta velocidad, debido al efecto a través del agujero, es necesario modelar el sistema para simular eficazmente el entorno real. Sin embargo, es difícil modelar sistemas complejos a gran escala, como los Placa de circuito impreso. Según yulifu, en la actualidad se utiliza principalmente el método de inspección de expertos para transformar el problema EMC / emi en normas de diseño y cableado de Placa de circuito impreso que se ajustan a las normas internacionales comunes.

Además, en el análisis 3D, empresas como ansoft y apsim pueden proporcionar herramientas y métodos específicos que pueden ser utilizados en conjunción con las herramientas del sistema gráfico Cadence y mentor.

Selección de la eficiencia: enrutamiento automático y diseño paralelo

El diseño esquemático no es sólo un circuito de "seguimiento", sino muchos otros requisitos. Las herramientas de diseño esquemático deben ser capaces de llevar estos requisitos al siguiente paso, apoyando el enrutamiento automático, la simulación funcional, etc.

Con el fin de encontrar una ruta de diseño más eficiente, resolver la presión de tiempo de la Liberación del producto y empujar el producto al mercado rápidamente, la tecnología de enrutamiento automático y diseño paralelo emerge como los tiempos requieren.

"Si la tecnología de enrutamiento automático se puede utilizar bien, el tiempo de dibujo se puede reducir y la eficiencia de diseño de Placa de circuito impreso se puede duplicar más". Sin embargo, para lograr el enrutamiento automático, el ingeniero de diseño de sistemas y el ingeniero de diseño de hardware deben ser integrados usando el gestor de reglas de electrificación. Los requisitos de diseño del circuito se transmiten al ingeniero de Placa de circuito impreso.

Para sistemas más simples tempranos, the usual practice is for Ingeniero de hardware to write down the design requirements one by one and tell the Diseño de Placa de circuito impreso engineer how to do it. Pero para sistemas complejos, Frente a miles de conexiones e innumerables necesidades, Los ingenieros de hardware no pueden registrar estas reglas una por una, and Placa de circuito impreso El ingeniero de diseño no puede comprobar y ejecutar uno por uno. En este momento, Se necesita un gestor de reglas electrificado para gestionar los requisitos de diseño. Ingeniero de hardware y Placa de circuito impreso Los ingenieros de diseño pueden trabajar juntos en el mismo gestor de reglas.

Para la tecnología de enrutamiento automático, "si una empresa no tiene un buen dominio de la tecnología, el problem a de integridad de la señal no se puede resolver bien, no se recomienda el enrutamiento automático. Porque si usted no puede definir las reglas, usted no será capaz de conducir correctamente el enrutamiento automático." no importa lo bien desarrollado que esté la herramienta, las computadoras no pueden reemplazar completamente el comportamiento humano, Por lo tanto, es imposible tener un enrutamiento 100% automático. El enrutamiento automático mencionado anteriormente es en realidad una especie de enrutamiento automático interactivo que requiere la participación humana: algunas reglas antes del enrutamiento automático necesitan ser confirmadas manualmente; Una vez completado el cableado automático, el ingeniero debe verificar y modificar.

Para el diseño tradicional de sistemas relativamente lentos, muchos ingenieros pueden tener la experiencia de dibujar esquemas usando orcad de Cadence y luego diseñar con powerpcb de mentor. Pero este método ya no es adecuado para el diseño de alta velocidad. "Los datos no se pueden convertir completamente entre las herramientas de los diferentes fabricantes. Por ejemplo, los métodos tradicionales de lectura de tablas de red no pueden incorporar algunas de las características y requisitos eléctricos de los esquemas en el diseño de Placa de circuito impreso y, por lo tanto, no son adecuados para el diseño de alta velocidad."

Además del cableado automático, el diseño paralelo es también un método eficaz para mejorar la eficiencia del diseño de sistemas a gran escala. El diseño paralelo es el diseño colaborativo, lo que significa que una placa de circuito se divide en varias partes y varias personas diseñan al mismo tiempo. Según yulif, las herramientas gráficas mentor actuales ya están disponibles para el diseño paralelo. Si el diseño se guarda en una máquina, la otra máquina puede verlo inmediatamente, y los cables en ambos lados se pueden conectar automáticamente. Puede aliviar la tarea de integración entre diferentes diseños. "A finales de este a ño, extremepc, la herramienta de diseño paralelo totalmente dinámica de mentor Graphics, estará disponible para que los ingenieros puedan hacer un diseño paralelo totalmente en tiempo real, al igual que jugar CS en la Web. Ser visto en tiempo real por el otro lado promoverá la colaboración entre ingenieros en diferentes lugares", dijo yulif. No sólo necesita buenas herramientas de diseño, sino también buenos métodos. El diseño paralelo no debe ser demasiado delgado o demasiado amplio. Dos o tres personas son más razonables, de lo contrario el pensamiento es demasiado disperso, no es propicio para el diseño.

Trascendencia Placa de circuito impresoConsideraciones a nivel de sistema para problemas de alta velocidad

El diseño del chip, el diseño del paquete y el diseño del sistema ya no se consideran cuando el sistema se desarrolla de varios cientos a decenas de megabytes. Para los productos de gama alta, el diseño del paquete y el diseño del sistema deben ser considerados en el diseño del chip.

Después de eliminar los problemas del software, cómo simplificar el proceso, reducir los errores de los ingenieros en el proceso, hacer que los ingenieros inviertan más energía en el diseño, hacer que los productos entren en el mercado tan pronto como sea posible, también se convierte en el contenido que los fabricantes de eda están considerando.

Normalmente, La línea de conexión en el sistema comienza con I/O of the chip (Silicon), Proyección y sustrato a través del paquete, Pin en el embalaje, Y luego pasar Placa de circuito impreso Muy, Base, Otro bulto encapsulado y pin. Chip I/O. Patatas fritas, Material de embalaje, Los circuitos son tres campos diferentes. Los ingenieros anteriores no los tenían en cuenta en su diseño., No saben lo que piensan los otros ingenieros.. Sin embargo,, Con el aumento de la frecuencia de diseño, Reducción del área del chip, Acortar el período de diseño, El fabricante tendrá en cuenta el diseño del embalaje y Diseño de Placa de circuito impreso when designing chips, Por lo tanto, los tres pueden combinarse eficazmente. "Esta vez, Tanto desde el punto de vista de la integridad de la señal como desde el punto de vista del ciclo de diseño, También debemos considerar el diseño de la placa de embalaje de silicio, Y coordinar sus relaciones. Por ejemplo:, A veces hay muchos problemas de tiempo difíciles que se pueden resolver fácilmente en un paquete."