Technologie PCB - La conception de PCB haute densité à haute vitesse fait face à de nouveaux défis

À mesure que la complexité et les performances des produits électroniques augmentent, que la densité des cartes de circuits imprimés et la fréquence de leurs dispositifs associés augmentent, les ingénieurs sont confrontés à divers défis lors de la conception de circuits imprimés haute vitesse et haute densité. En plus des problèmes bien connus d'intégrité du signal (si), les prochains points chauds de la technologie PCB haute vitesse devraient être l'intégrité de la puissance (PI), EMC / EMI et l'analyse thermique.

À mesure que la concurrence s'intensifie, les fabricants subissent une pression croissante sur les délais de lancement des produits. Comment utiliser des outils EDA avancés et des méthodes et processus optimisés pour une conception de haute qualité et efficace est devenu un problème auquel les fabricants de systèmes et les ingénieurs de conception doivent faire face.

Hotspot: passer de l'intégrité du signal à l'intégrité de l'alimentation

Quand il s'agit de conception à haute vitesse, la première chose qui vient à l'esprit est la question de l'intégrité du signal. L'intégrité du signal se réfère principalement à la qualité de la transmission du signal sur une ligne de signal. Le circuit présente une bonne intégrité de signal lorsque les signaux dans le circuit sont capables d'atteindre les broches de la puce réceptrice avec la séquence temporelle, la durée et l'amplitude de tension souhaitées. Des problèmes d'intégrité du signal surviennent lorsque le signal ne répond pas correctement ou lorsque la qualité du signal ne permet pas au système de fonctionner de manière stable pendant une longue période. L'intégrité du signal se manifeste principalement dans plusieurs aspects tels que le retard, la réflexion, la diaphonie, la temporisation et l'oscillation. Il est généralement admis que les problèmes d'intégrité du signal se posent lorsque les systèmes fonctionnent à 50 MHz et que les problèmes d'intégrité du signal deviennent plus importants à mesure que les fréquences des systèmes et des appareils augmentent. Les paramètres des composants et de la carte PCB, la disposition des composants sur la carte PCB et le câblage des signaux à grande vitesse peuvent tous entraîner des problèmes d'intégrité du signal, ce qui entraîne un fonctionnement instable du système ou même un dysfonctionnement.

La technologie d'intégrité du signal a évolué au fil des décennies et ses méthodes théoriques et analytiques sont devenues plus matures. En ce qui concerne les problèmes d'intégrité du signal, l'intégrité du signal n'est pas le problème de quelqu'un d'autre. Il implique chaque maillon de la chaîne de conception. Non seulement les ingénieurs en conception de systèmes, les ingénieurs en matériel et les ingénieurs en PCB doivent y penser, mais ils ne peuvent même pas l'ignorer lors de la fabrication. Pour résoudre les problèmes d'intégrité du signal, nous devons nous appuyer sur des outils de simulation avancés.

L'intégrité de la puissance est une technologie relativement nouvelle par rapport à l'intégrité du signal et elle est considérée comme l'un des plus grands défis dans la conception de PCB haute densité à haute vitesse. L'intégrité de puissance signifie que dans les systèmes à grande vitesse, les systèmes de transmission de puissance PDS ont des caractéristiques d'impédance différentes à différentes fréquences, de sorte que la tension entre la couche de puissance et la couche de terre sur le PCB n'est pas la même partout sur la carte. En conséquence, l'alimentation n'est pas continue, générant un bruit d'alimentation et la puce ne peut pas fonctionner correctement; Dans le même temps, les problèmes d'intégrité de l'alimentation peuvent également poser des problèmes EMC / EMI en raison du rayonnement à haute fréquence. Si les problèmes d'intégrité de l'alimentation ne sont pas bien résolus, cela affectera gravement le bon fonctionnement du système.

Généralement, les problèmes d'intégrité de l'alimentation sont principalement résolus par deux méthodes: l'optimisation de la conception et de la disposition de l'empilement de la carte et l'ajout de condensateurs de découplage. Lorsque la fréquence du système est inférieure à 300 ~ 400 MHz, le condensateur de découplage peut jouer un rôle de contrôle de la fréquence, du filtrage et de l'impédance. Placer le bon condensateur de découplage au bon endroit aidera à réduire les problèmes d'intégrité de l'alimentation du système. Mais lorsque la fréquence du système est plus élevée, les condensateurs de découplage ont moins d'impact. Dans ce cas, le problème de l'intégrité de l'alimentation, tout en supprimant EMC / EMI, ne peut être résolu que par l'optimisation de la conception et de la disposition de l'espacement des couches de la carte ou d'autres méthodes pour réduire l'alimentation et le bruit de terre (par exemple, une adaptation appropriée pour réduire les problèmes de réflexion du système de transmission de puissance), etc.

En ce qui concerne la relation entre l'intégrité du signal et l'intégrité de la puissance, l'intégrité du signal est un concept du Domaine temporel qui est plus facile à comprendre, tandis que l'intégrité de la puissance est un concept du Domaine fréquentiel qui est plus difficile à comprendre que l'intégrité du signal, mais qui présente des similitudes avec l'intégrité du signal à certains égards. L'intégrité de l'alimentation est plus exigeante pour les compétences des ingénieurs, ce qui représente un nouveau défi pour la conception à haute vitesse. Il ne s'agit pas seulement du niveau de la carte, mais aussi du niveau de la puce et du boîtier. Il est recommandé que les ingénieurs qui font la conception de la carte de circuit imprimé à grande vitesse faire l'intégrité de l'alimentation sur la base de la résolution de l'intégrité du signal. «.

« adoucir » votre design par simulation

La simulation est un test d'un prototype virtuel qui prend en compte tous les aspects. Comme la conception devient de plus en plus complexe, il est impossible pour les ingénieurs de réaliser chaque proposition. À ce stade, ils ne peuvent utiliser que des simulations avancées plutôt que des expériences pour juger.

Dans la conception de systèmes d'aujourd'hui, en plus des défis posés par les cartes à haute vitesse et à haute densité, la pression exercée par le lancement rapide de produits fait de la simulation un moyen indispensable pour la conception de systèmes. Les concepteurs veulent utiliser des outils de simulation avancés pendant la phase de conception pour identifier les problèmes, ce qui permet une conception efficace et de haute qualité du système.

Dans la conception traditionnelle des cartes, les ingénieurs utilisent rarement des méthodes analogiques. Le plus souvent, il est conçu à l'aide de la conception de référence et des guides de conception (c. - à - D. des livres blancs) fournis par les fabricants de puces en amont, en combinaison avec l'expérience pratique des ingénieurs, puis les prototypes résultant de la conception sont testés et testés pour identifier les problèmes et Modifier la conception. Cela se produit à plusieurs reprises jusqu'à ce que le problème soit en grande partie résolu. Même si la conception est occasionnellement réalisée avec des outils analogiques, elle est limitée à une partie du circuit. Modifier un circuit implique un retard dans le temps. Sous la pression du lancement rapide du produit, ce retard est inacceptable. Surtout pour les grands systèmes, une petite modification peut nécessiter de renverser toute la conception. Les pertes qu'elle entraîne pour les fabricants sont incalculables.

La qualité du produit est difficile à garantir, le cycle de développement est incontrôlable, trop dépendant de l'expérience des ingénieurs... Ces facteurs rendent l'approche de conception ci - dessus difficile à relever les défis posés par la complexité croissante des conceptions de PCB haute vitesse et haute densité, d'où la nécessité d'utiliser une simulation avancée. Outils pour le résoudre. "Les solutions de conception données par les fabricants de puces en amont sont basées sur leurs propres prototypes, et les produits des fabricants de systèmes ne peuvent pas être exactement les mêmes que ceux des fabricants en amont; en même temps, les exigences de conception d'une puce peuvent être contradictoires avec celles d'une autre puce. Des simulations doivent être effectuées pour déterminer les solutions de conception".

Dans un sens, la simulation consiste à faire en sorte que le logiciel effectue une évaluation fonctionnelle sur un prototype virtuel, ce qui ne peut être fait qu'en testant un prototype physique. C’est une solution plus « douce » et plus économique.

Cependant, la simulation de cartes haute densité à haute vitesse diffère de la simulation traditionnelle. Yulifu, ingénieur technique chez mentor Graphics, a déclaré: « la simulation traditionnelle est faite pour les schémas. Elle ajoute simplement de l'excitation et regarde la sortie pour déterminer si la fonction est correcte; tandis que la simulation à grande vitesse est basée sur la prémisse que la fonction est correcte, en fonction de la conception. Qu'en est - il de la performance? Cela fonctionne non seulement pour les schémas, mais aussi pour la conception de PCB. » avec l'outil de simulation, vous pouvez juger Ch les options sont plus proches des besoins réels et l'on détermine quelle option est moins coûteuse sur la base du respect des exigences de performance.

Trouver un équilibre entre les coûts du plan et du système. « avec les outils de simulation, vous pouvez dire si l’amélioration du système va dans la bonne direction, indiquer la direction à suivre pour la conception, améliorer le succès de la plaque frontale et accélérer la mise sur le marché du produit », explique yulifu. « Cependant, peu importe la proximité des résultats de simulation avec les résultats Des tests, il ne peut pas remplacer le système de test réel. »

Un test est un véritable jugement sur la performance d'un système, y compris tous les facteurs environnementaux réels. Cependant, la simulation est un « test » du prototype virtuel. Il cible certaines conditions spécifiques. Aucun outil ne peut prendre en compte toutes les situations réelles en même temps. Simulation Cependant, au fur et à mesure que la technologie évolue et que les outils continuent de s’améliorer, les résultats de simulation se rapprochent de plus en plus des résultats d’essais réels et sont de plus en plus instructifs pour la conception, mais en même temps, les ingénieurs sont de plus en plus exigeants – bien que les outils soient de plus en plus faciles à utiliser, Le jugement et la méthode d'amélioration des résultats de simulation dépendent tous deux du niveau technique et de la base théorique de l'Ingénieur.

Actuellement, l'effet le moins satisfaisant dans la simulation de PCB à grande vitesse est EMC / EMI. C'est parce que pour les systèmes à grande vitesse, la modélisation 3D du système est nécessaire pour simuler efficacement l'environnement réel en raison de l'effet de porosité. Cependant, pour un système aussi grand et complexe que les PCB, il est difficile de le modéliser en 3D. Selon yulifu, la méthode actuellement principalement vérifiée par des experts est utilisée pour traduire les problèmes EMC / EMI en règles de mise en page et de câblage sur les PCB, conformément aux normes internationales communes.

En outre, en ce qui concerne l'analyse 3D, des entreprises telles que Ansoft et apsim peuvent fournir des outils et des méthodes spécialisés qui peuvent être utilisés conjointement avec les outils système cadence et mentor graphics.

Le choix de l'efficacité: câblage automatique et conception parallèle

La conception schématique n'est pas seulement un circuit de « suivi», mais aussi de nombreuses autres exigences. Les outils de conception schématique devraient être en mesure d'apporter ces exigences à l'étape suivante, en prenant en charge le câblage automatique, la simulation fonctionnelle, etc.

Afin de trouver des voies de conception plus efficaces, de répondre aux contraintes de temps liées au lancement de produits et de mettre rapidement les produits sur le marché, des technologies de câblage automatique et de conception parallèle ont vu le jour.

« Si vous utilisez bien la technologie de câblage automatique, vous pouvez réduire le temps de dessin et plus que doubler l’efficacité de la conception de votre PCB. » cependant, si vous souhaitez implémenter le câblage automatique, vous devez utiliser le gestionnaire de règles sous tension pour intégrer les ingénieurs de conception de systèmes et les ingénieurs de conception de matériel. Les exigences de conception du circuit ont été transmises aux ingénieurs PCB.

Pour les premiers systèmes plus simples, il est courant que les ingénieurs en matériel écrivent les exigences de conception un par un et disent aux ingénieurs en conception de PCB comment procéder. Mais pour les systèmes complexes, face aux milliers de connexions et aux innombrables exigences, les ingénieurs en matériel ne peuvent pas enregistrer ces règles un par un et Les ingénieurs en conception de PCB ne peuvent pas vérifier et exécuter un par un. À ce stade, un gestionnaire de règles d'électrification est nécessaire pour gérer les différents besoins de conception. Les ingénieurs en matériel et les ingénieurs en conception de PCB peuvent travailler ensemble sur la base du même gestionnaire de règles.

Pour la technologie de câblage automatique, « si une entreprise ne maîtrise pas bien cette technologie et que les problèmes d’intégrité du signal ne sont pas bien résolus, il est conseillé de ne pas utiliser le câblage automatique, car si vous ne pouvez pas définir de bonnes règles, vous ne pouvez pas conduire correctement le câblage automatique. » peu importe le développement des outils, les ordinateurs ne peuvent pas remplacer complètement le comportement du cerveau humain, Il n'est donc pas possible de réaliser un câblage 100% automatique. Le Routage automatique que nous avons mentionné ci - dessus est en fait un routage automatique interactif qui nécessite une intervention humaine: certaines des règles qui précèdent le routage automatique doivent être déterminées par un humain; Une fois le câblage automatique terminé, il doit être vérifié et modifié par un ingénieur.

Pour la conception de systèmes traditionnels à relativement basse vitesse, de nombreux ingénieurs peuvent avoir l'expérience de dessiner des schémas avec Orcad de cadence, puis de les mettre en page avec powerpcb de mentor. Mais cette approche n'est plus applicable dans le domaine de la conception à grande vitesse. « il n’est pas possible de convertir complètement les données entre les outils de différents fabricants. Par exemple, les méthodes traditionnelles de lecture des tables Web ne peuvent pas apporter certaines des caractéristiques électriques et des exigences du schéma de principe à la conception de PCB et ne conviennent donc pas à la conception à grande vitesse. »

En plus du câblage automatique, la conception parallèle est également un moyen efficace d'améliorer l'efficacité de la conception de grands systèmes. La conception parallèle est la conception collaborative, ce qui signifie qu'une carte est divisée en plusieurs parties et que plusieurs personnes conçoivent simultanément. Yulif a déclaré que l'outil mentor Graphics actuel est déjà disponible pour la conception parallèle. Si vous enregistrez la conception sur une machine, l'autre est immédiatement visible et les lignes des deux côtés peuvent être automatiquement connectées ensemble. Les tâches d'intégration entre les différentes conceptions peuvent être allégées. « d’ici la fin de l’année, extremepcb, l’outil de conception parallèle entièrement dynamique de mentor Graphics, sera disponible sur le marché. Les ingénieurs pourront alors concevoir en parallèle en temps réel comme s’ils jouaient à CS sur le Web. Être vu en temps réel par l’autre peut faciliter la collaboration entre les ingénieurs de différents endroits », a déclaré yulif. Il faut non seulement de bons outils de conception, mais aussi de bonnes méthodes. Les conceptions parallèles ne doivent pas être trop fines ou trop larges. Deux ou trois personnes sont plus raisonnables, sinon la pensée est trop dispersée et pas propice à la conception.

Au - delà des PCB: considérations au niveau du système pour les problèmes de vitesse élevée

Lorsque le système évolue de quelques centaines à quelques dizaines de mégaoctets, la conception de la puce, la conception de l'emballage et la conception du système ne peuvent plus être considérées séparément. Pour les produits haut de gamme, la conception de l'emballage et la conception du système doivent être prises en compte lors de la conception de la puce.

Après avoir éliminé les problèmes avec le logiciel lui - même, comment rationaliser les processus et réduire les erreurs des ingénieurs des processus, permettant aux ingénieurs de consacrer plus d'énergie à la conception, permettant aux produits d'entrer sur le marché le plus rapidement possible, devient également quelque chose que les fabricants d'EDA envisagent.

Typiquement, les fils de connexion sur le système commencent par les E / s de la puce (silicium), traversent les Plots et le substrat du boîtier, atteignent les broches du boîtier, puis traversent le PCB pour atteindre les broches, le substrat, les Plots et les broches d'un autre boîtier. Puce I / O. Les puces, les boîtiers et les cartes sont trois domaines distincts. Les ingénieurs précédents ne les ont pas entièrement pris en compte lors de la conception et n'ont pas été en mesure de comprendre ce que les autres ingénieurs pensaient. Cependant, à mesure que la fréquence de conception augmente, que la surface de la puce diminue et que le cycle de conception diminue, les fabricants devraient tenir compte de la conception de l'emballage et de la conception du PCB lors de la conception des puces afin de combiner efficacement les trois. « À ce stade, que ce soit du point de vue de l’intégrité du signal ou du cycle de conception, nous devrions considérer simultanément la conception des plaques d’encapsulation en silicium et harmoniser les relations entre elles. Par exemple, il y a parfois beaucoup de problèmes de synchronisation difficiles qui peuvent être facilement résolus dans l’encapsulation. »