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

Con la mejora continua de la complejidad y el rendimiento de los productos electrónicos, la densidad de las placas de circuito impreso y la frecuencia de sus dispositivos relacionados también están aumentando, al igual que los diversos desafíos que enfrentan los ingenieros al diseñar PCB de alta velocidad y alta densidad. Además de los conocidos problemas de integridad de señal (si), los próximos puntos calientes de la tecnología de PCB de alta velocidad deberían ser la integridad de la fuente de alimentación (pi), EMC / emi y el análisis térmico.

A medida que la competencia se intensifica, los fabricantes se enfrentan a una creciente presión sobre el tiempo de lanzamiento de sus productos. Cómo utilizar herramientas avanzadas de eda y métodos y procesos optimizados para completar el diseño con alta calidad y eficiencia se ha convertido en un problema que los fabricantes de sistemas e ingenieros de diseño deben enfrentar.

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

Cuando 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 línea de la señal. Cuando la señal en el circuito puede llegar al pin del chip receptor con el tiempo, la duración y la amplitud de voltaje requeridos, el circuito tiene una 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 manera estable durante mucho tiempo, se producirá un problema de integridad de la señal. La integridad de la señal se manifiesta principalmente en retraso, reflexión, conversación cruzada, cronometraje y oscilación. Se cree ampliamente que cuando el sistema funciona a 50 mhz, habrá problemas de integridad de la señal, y a medida que la frecuencia del sistema y el Equipo continúe aumentando, el problema de integridad de la señal se volverá más prominente. Los parámetros de los componentes y las placas de pcb, la disposición de los componentes en las placas de circuito y el cableado de las señales de alta velocidad pueden causar problemas de integridad de la señal, lo que resulta en un funcionamiento inestable del sistema o incluso incapaz de funcionar correctamente en absoluto.

Después de décadas de desarrollo, su teoría y métodos de análisis se han vuelto más maduros. En cuanto a la integridad de la señal, la integridad de la señal no es un problema de alguien. Implica cada eslabón de la cadena de diseño. No solo los ingenieros de diseño de sistemas, los ingenieros de hardware y los ingenieros de PCB deben considerarlo, sino que ni siquiera se puede ignorar durante el proceso de fabricación. para resolver el problema de la integridad de la señal, debemos confiar en herramientas de simulación avanzadas.

En comparación con la integridad de la señal, la integridad de la fuente de alimentación es una tecnología relativamente nueva y se considera uno de los mayores desafíos en el diseño de PCB de alta velocidad y alta densidad. La integridad de la fuente de alimentación significa que en los sistemas de alta velocidad, el sistema de transmisión de energía PDS tiene diferentes características de resistencia a diferentes frecuencias, por lo que el voltaje entre la capa de alimentación y la formación de tierra en el PCB varía en cada lugar de la placa de circuito. Por lo tanto, la fuente de alimentación no es continua, se produce ruido de la fuente de alimentación y el chip no puede funcionar correctamente; Al mismo tiempo, debido a la radiación de alta frecuencia, los problemas de integridad de la fuente de alimentación también traerán problemas EMC / emi. Si el problema de integridad de la fuente de alimentación no se resuelve bien, afectará seriamente el funcionamiento normal del sistema.

Por lo general, el problema de la integridad de la fuente de alimentación se resuelve principalmente a través de dos métodos: optimizar el diseño de apilamiento y el diseño de la placa de circuito, y agregar condensadores de desacoplamiento. Cuando la frecuencia del sistema es inferior a 300 a 400 mhz, el capacitor de desacoplamiento puede desempeñar un papel en la supresión de la frecuencia, el filtrado y el control de resistencia. Colocar un capacitor 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 alta, el efecto del condensadores de desacoplamiento es menor. En este caso, el problema de la integridad de la fuente de alimentación solo se puede resolver optimizando el diseño y diseño del espaciamiento de capas de la placa de circuito u otros métodos para reducir el ruido de la fuente de alimentación y la tierra (como una coincidencia adecuada para reducir los problemas de reflexión del sistema de transmisión de la fuente de alimentación), entre otros, suprimiendo al mismo tiempo EMC / emi.

En cuanto a la relación entre la integridad de la señal y la integridad de la potencia, la integridad de la señal es un concepto en el dominio del tiempo y es más fácil de entender, mientras que la integridad de la Potencia es un concepto en el dominio de la frecuencia y es más difícil de entender que la integridad de la señal, Pero en algunos aspectos tiene similitudes con la integridad de la señal. La integridad de la fuente de alimentación requiere que los ingenieros tengan mayores habilidades, lo que es un nuevo desafío para el diseño de alta velocidad. No solo se trata del nivel de tablero, sino también del nivel de chip y encapsulamiento. Se recomienda que los ingenieros que diseñan placas de circuito de alta velocidad hagan la integridad de la fuente de Alimentación sobre la base de resolver la integridad de la señal. ".

"Suaviza" tu diseño simulando

La simulación es una prueba de un prototipo virtual, que tiene en cuenta todos los aspectos. A medida que el diseño se vuelve cada vez más complejo, los ingenieros no pueden implementar cada esquema. Por el momento, solo pueden usar simulaciones avanzadas en lugar de experimentos para hacer juicios.

En el diseño actual del sistema, además de los desafíos planteados por las placas de circuito de alta velocidad y alta densidad, la presión del lanzamiento rápido de productos hace que la simulación sea un medio indispensable para el diseño del sistema. Los diseñadores esperan utilizar herramientas de simulación avanzadas para encontrar problemas en la etapa de diseño, completando así el diseño del sistema de manera eficiente y de alta calidad.

En el diseño tradicional de placas de circuito, los ingenieros rara vez recurren a la simulación. Más comúnmente, utiliza guías de diseño y diseño de referencia (es decir, libros blancos) proporcionadas por fabricantes de chips aguas arriba para diseñar en combinación con la experiencia real de los ingenieros, y luego probar y probar los prototipos generados por el diseño, identificar problemas y modificar el diseño. Esta situación se repite hasta que el problema se resuelve básicamente. Incluso el uso ocasional de herramientas de simulación para el diseño se limita a algunos circuitos. Modificar el circuito significa un retraso de tiempo. Bajo la presión del lanzamiento rápido del producto, este retraso es inaceptable. Especialmente para los sistemas grandes, una pequeña modificación puede requerir anular todo el diseño. Las pérdidas que trae al fabricante son incalculables.

La calidad del producto es difícil de garantizar, el ciclo de desarrollo es incontrolable, depende demasiado de la experiencia de los ingenieros... Estos factores dificultan que los métodos de diseño anteriores hagan frente a los desafíos planteados por el diseño cada vez más complejo de PCB de alta velocidad y alta densidad, por lo que es necesario utilizar tecnología de simulación avanzada. Herramientas para resolver este problema. "el esquema de diseño dado por los fabricantes de chips aguas arriba se basa en sus propios prototipos y los productos de los fabricantes de sistemas no pueden ser exactamente los mismos que los productos de los fabricantes aguas arriba; al mismo tiempo, los requisitos de diseño de un chip pueden ser contradictorios con los de otro. es necesario realizar simulaciones para determinar el esquema de diseño".

En cierto sentido, la simulación es permitir que el software complete la evaluación funcional del prototipo virtual, que solo se puede hacer probando el prototipo físico. Esta es una solución más "suave" y económica.

Sin embargo, la simulación de placas de circuito de alta velocidad y alta densidad es diferente de la simulación tradicional. "La simulación tradicional está dirigida a un esquema. solo agrega incentivos y mira la salida para determinar si la función es correcta; mientras que la simulación de alta velocidad se basa en la premisa de que la función es correcta, dependiendo del diseño. ¿ cuál es el rendimiento? No solo se aplica al esquema, sino también al diseño de pcb", dijo yulifu, Ingeniero Técnico de mentor gráficos. con la herramienta de simulación se puede juzgar qué esquema está más cerca de las necesidades reales y, sobre la base de cumplir con los requisitos de rendimiento, cuál es más barato.

Encontrar un equilibrio entre el plan y el costo del sistema. "Con la herramienta de simulación puedes juzgar si la dirección de la mejora del sistema es correcta, señalar la dirección para el diseño, aumentar la tasa de éxito de la primera placa y hacer que el producto entre en el mercado más rápido. sin embargo, no importa lo cerca que los resultados de la simulación estén de los resultados de la prueba, no se Puede reemplazar el sistema de prueba real", dijo yulifu.

Las pruebas son juicios reales sobre el rendimiento del sistema, incluidos todos los factores ambientales reales. Sin embargo, la simulación es una "prueba" de prototipos virtuales. Está dirigido a ciertas condiciones específicas. Ninguna herramienta puede considerar todas las situaciones reales al mismo tiempo. Simulación. Sin embargo, con el desarrollo de la tecnología y la mejora continua de las herramientas, la aproximación de los resultados de la simulación a los resultados reales de las pruebas es cada vez mayor, y la importancia orientadora del diseño es cada vez mayor, pero al mismo tiempo plantea mayores requisitos para los ingenieros - aunque las herramientas son cada vez más fáciles de usar, el juicio y el método de mejora de los resultados de la simulación dependen del nivel técnico y la base teórica de los ingenieros.

En la actualidad, en la simulación de PCB de alta velocidad, el efecto menos ideal es EMC / emi. Esto se debe a que para los sistemas de alta velocidad, debido a la influencia del efecto a través del agujero, es necesario modelar el sistema en tres dimensiones para simular eficazmente el entorno real. Sin embargo, para sistemas grandes y complejos como los pcb, es difícil modelarlos tridimensionales. Según yulifu, actualmente se utiliza principalmente el método de inspección de expertos para transformar los problemas EMC / emi en reglas de diseño y cableado de PCB que cumplen con las normas internacionales comunes.

Además, en términos de análisis tridimensionales, empresas como ansoft y appsim pueden proporcionar herramientas y métodos especializados que se pueden usar en combinación con las herramientas de sistemas de Cadence y mentor graphics.

Opciones de eficiencia: cableado automático y diseño paralelo

El diseño esquemático no se trata solo de circuitos de "rastreo", sino también de muchos otros requisitos. Las herramientas de diseño esquemático deben ser capaces de llevar estos requisitos al siguiente paso, admitiendo cableado automático, simulación funcional, etc.

Con el fin de encontrar un camino de diseño más eficaz, resolver la presión de tiempo del lanzamiento del producto y llevar rápidamente el producto al mercado, surgieron tecnologías de cableado automático y diseño paralelo.

"Si puedes hacer un buen uso de la tecnología de cableado automático, puedes reducir el tiempo de dibujo y duplicar con creces la eficiencia del diseño de los pcb". sin embargo, si quieres lograr el cableado automático, debes usar el gestor de reglas de electrificación para integrar ingenieros de diseño de sistemas e ingenieros de diseño de hardware. Los requisitos de diseño del circuito se transmiten al ingeniero de pcb.

Para los primeros sistemas más simples, lo habitual es que los ingenieros de hardware escriban los requisitos de diseño uno por uno y les digan al ingeniero de diseño de PCB cómo hacerlo. pero para los sistemas complejos, frente a miles de conexiones e innumerables requisitos, los ingenieros de hardware no pueden registrar estas reglas una por una y los ingenieros de diseño de PCB no pueden comprobar e implementar una por una. En este momento, se necesita un gestor de reglas electrificado para gestionar los diversos requisitos de diseño. Los ingenieros de hardware y los ingenieros de diseño de PCB pueden trabajar juntos sobre la base del mismo gestor de reglas.

Para la tecnología de cableado automático, "si una empresa no domina bien esta tecnología y los problemas de integridad de la señal no se resuelven bien, se recomienda no usar cableado automático. porque si no puedes definir las reglas, no puedes conducir correctamente el cableado automático. no importa cuán desarrollado sea la herramienta, la computadora no puede reemplazar completamente el comportamiento del cerebro humano, Por lo que es imposible lograr un cableado automático del 100%. el cableado automático que mencionamos anteriormente es en realidad un cableado automático interactivo que requiere la participación humana: algunas reglas antes del cableado automático deben determinarse manualmente más a fondo; Una vez completado el cableado automático, debe ser verificado y modificado por el ingeniero.

Para el diseño tradicional de sistemas relativamente bajos, muchos ingenieros pueden tener la experiencia de dibujar esquemas con orcad de Cadence y luego diseñar con powerpcb de mentor. Pero este método ya no es adecuado para el campo del diseño de alta velocidad. "Los datos no se pueden convertir completamente entre herramientas de diferentes fabricantes. por ejemplo, los métodos tradicionales para leer tablas de red no pueden llevar algunas de las características y requisitos eléctricos del esquema al diseño de pcb, por lo que no son adecuados para diseños de alta velocidad".

Además del cableado automático, el diseño paralelo también es una forma eficaz de mejorar la eficiencia del diseño de sistemas a gran escala. El diseño paralelo es el diseño colaborativo, lo que significa que la placa de circuito se divide en varias partes y varias personas diseñan al mismo tiempo. Yulif dijo que la herramienta gráfica mentor actual ya está disponible para el diseño paralelo. Si el diseño se guarda en una máquina, otra puede verlo de inmediato y las líneas de ambos lados se pueden conectar automáticamente. Se pueden reducir las tareas de integración entre diferentes diseños. "A finales de este año se pondrá en el mercado extremepb, la herramienta de diseño paralelo totalmente dinámica de mentor gráficos. en ese momento, los ingenieros podrán realizar un diseño paralelo en tiempo completo como si estuvieran jugando CS en la red. ser vistos en tiempo real por la otra parte puede facilitar la colaboración entre ingenieros en diferentes lugares". para el diseño paralelo, Se necesitan no solo Buenas herramientas de diseño, sino también buenos métodos de diseño ", dijo yulif. El diseño paralelo no debe ser demasiado subdividido o demasiado amplio. Dos o tres personas son más racionales, de lo contrario las ideas están demasiado dispersas y no son propicias para el diseño.

Fuera de los pcb: consideraciones a nivel de sistema para problemas de alta velocidad

Cuando el sistema ha crecido de cientos a decenas de megabytes, el diseño de chips, el diseño de encapsulamiento y el diseño del sistema ya no se pueden considerar por separado. Para los productos de alta gama, el diseño de encapsulamiento y el diseño del sistema deben considerarse al diseñar chips.

Después de resolver los problemas del propio software, cómo simplificar el proceso, reducir los errores de los ingenieros en el proceso y permitir que los ingenieros dediquen más energía al diseño para que los productos entren en el mercado lo antes posible también se ha convertido en algo que los fabricantes de eda están considerando.

Por lo general, los cables de conexión en el sistema comienzan con el I / o del chip (silicio), pasan por las protuberancias y el sustrato del paquete, llegan al pin del paquete y luego pasan por el PCB a otro pin, sustrato, protuberancia y pin del paquete. El chip I / o, el encapsulamiento y la placa de circuito son tres áreas diferentes. Los ingenieros anteriores no los consideraban de manera integral en su diseño y no sabían lo que pensaban otros ingenieros. Sin embargo, a medida que aumenta la frecuencia de diseño, el área del chip disminuye y el ciclo de diseño se acorta, los fabricantes deben considerar el diseño de encapsulamiento y el diseño de PCB al diseñar el chip para combinar eficazmente los tres. "En este momento, tanto desde el punto de vista de la integridad de la señal como del ciclo de diseño, debemos considerar el diseño de las placas de encapsulamiento de silicio al mismo tiempo y coordinar la relación entre ellas. por ejemplo, a veces hay muchos problemas de tiempo difíciles que se pueden resolver fácilmente en el encapsulamiento".