PCB Tecnico - La progettazione di PCB ad alta velocità e ad alta densità affronta nuove sfide

Con la crescente complessità e le prestazioni dei prodotti elettronici, la densità dei circuiti stampati e la frequenza dei loro dispositivi correlati sono in costante aumento e le varie sfide che gli ingegneri devono affrontare nella progettazione di PCB ad alta velocità e ad alta densità sono anche in aumento. Oltre ai noti problemi di integrità del segnale (SI), il prossimo punto caldo nella tecnologia PCB ad alta velocità dovrebbe essere l'integrità dell'alimentazione (PI), EMC/EMI e l'analisi termica.

Con la concorrenza sempre crescente, i produttori stanno affrontando una pressione crescente sui tempi di lancio del prodotto. Come utilizzare strumenti EDA avanzati e metodi e processi ottimizzati per completare la progettazione con alta qualità ed efficienza è diventato un produttore di sistemi e problemi che i progettisti devono affrontare.

Hot spot: passaggio dall'integrità del segnale all'integrità dell'alimentazione

Quando si tratta di progettazione ad alta velocità, la prima cosa a cui la gente pensa è il problema dell'integrità del segnale. L'integrità del segnale si riferisce principalmente alla qualità della trasmissione del segnale sulla linea del segnale. Quando il segnale nel circuito può raggiungere il pin del chip ricevente con la tempistica, la durata e l'ampiezza di tensione richiesti, il circuito ha una buona integrità del segnale. Quando il segnale non può rispondere normalmente o la qualità del segnale non può far funzionare il sistema stabile per lungo tempo, ci saranno problemi di integrità del segnale. L'integrità del segnale si manifesta principalmente in diversi aspetti come ritardo, riflessione, crosstalk, temporizzazione e oscillazione. Si ritiene generalmente che quando il sistema funziona a 50MHz, si verificheranno problemi di integrità del segnale e man mano che le frequenze del sistema e del dispositivo continuano ad aumentare, i problemi di integrità del segnale diventeranno più evidenti. I parametri dei componenti e della scheda PCB, il layout dei componenti sulla scheda PCB e il cablaggio di segnali ad alta velocità possono causare problemi di integrità del segnale, con conseguente funzionamento instabile del sistema o addirittura guasto del normale funzionamento.

Dopo decenni di sviluppo della tecnologia di integrità del segnale, la sua teoria e metodi di analisi sono diventati più maturi. Per quanto riguarda i problemi di integrità del segnale, l'integrità del segnale non è un problema di qualcuno. Coinvolge ogni anello della catena di progettazione. Non solo gli ingegneri di progettazione del sistema, gli ingegneri hardware e gli ingegneri PCB devono considerarlo, ma non può nemmeno essere ignorato durante la produzione. Per risolvere il problema dell'integrità del segnale, dobbiamo affidarci a strumenti di simulazione avanzati.

Relativamente all'integrità del segnale, l'integrità di alimentazione è una tecnologia relativamente nuova ed è considerata una delle maggiori sfide nella progettazione PCB ad alta velocità e ad alta densità. Integrità di potenza significa che in un sistema ad alta velocità, il sistema di erogazione di potenza PDS ha caratteristiche di impedenza diverse a frequenze diverse, in modo che la tensione tra lo strato di potenza e lo strato di terra sul PCB non sia la stessa ovunque sul circuito stampato. Di conseguenza, l'alimentazione elettrica è discontinua, il rumore di alimentazione è generato e il chip non può funzionare normalmente; Allo stesso tempo, a causa delle radiazioni ad alta frequenza, i problemi di integrità dell'alimentazione comporteranno anche problemi EMC/EMI. Se il problema di integrità dell'alimentazione non può essere risolto bene, influenzerà seriamente il normale funzionamento del sistema.

Generalmente, il problema di integrità dell'alimentazione viene risolto principalmente attraverso due approcci: ottimizzare il design dello stack e il layout del circuito stampato e aggiungere condensatori di disaccoppiamento. Quando la frequenza del sistema è inferiore a 300 ~ 400MHz, il condensatore di disaccoppiamento può svolgere un ruolo nella soppressione della frequenza, del filtraggio e del controllo dell'impedenza. Posizionare un condensatore di disaccoppiamento adatto nella giusta posizione aiuterà a ridurre il problema dell'integrità di alimentazione del sistema. Ma quando la frequenza del sistema è più alta, l'effetto del condensatore di disaccoppiamento è piccolo. In questo caso, solo ottimizzando la progettazione e il layout della spaziatura dello strato del circuito o altri metodi per ridurre la potenza e il rumore di terra (come l'abbinamento appropriato per ridurre il problema di riflessione del sistema di trasmissione di potenza), ecc., può risolvere il problema di integrità di potenza e allo stesso tempo sopprimere EMC / EMI.

Per quanto riguarda la relazione tra integrità del segnale e integrità di potenza, “integrità del segnale è un concetto nel dominio del tempo ed è più facile da capire, mentre integrità di potenza è un concetto nel dominio di frequenza, che è più difficile dell integrità del segnale, ma in alcuni aspetti ha somiglianze con l integrità del segnale. L'integrità della potenza richiede competenze più elevate per gli ingegneri ed è una nuova sfida per la progettazione ad alta velocità. Coinvolge non solo il livello della scheda, ma anche il livello del chip e del pacchetto. Si raccomanda di fare gli ingegneri di progettazione di circuiti stampati ad alta velocità eseguono l'integrità di potenza sulla base della risoluzione dell'integrità del segnale. ".

"Ammorbidire" il tuo progetto attraverso la simulazione

La simulazione è un test di un prototipo virtuale che prende in considerazione tutti gli aspetti. Man mano che il progetto diventa sempre più complesso, è impossibile per gli ingegneri implementare ogni schema. In questo momento, possono utilizzare solo la simulazione avanzata invece di sperimentare per fare giudizi.

Nella progettazione di sistemi di oggi, oltre alle sfide poste dai circuiti stampati ad alta velocità e ad alta densità, la pressione dei rapidi lanci di prodotti rende la simulazione uno strumento indispensabile per la progettazione di sistemi. Il progettista spera di utilizzare strumenti di simulazione avanzati per trovare problemi nella fase di progettazione, in modo da completare la progettazione del sistema con alta efficienza e alta qualità.

Nella progettazione tradizionale del circuito stampato, gli ingegneri raramente ricorrono alla simulazione. Più spesso, utilizza progetti di riferimento e linee guida di progettazione (cioè white paper) forniti dai produttori di chip upstream per progettare in combinazione con l'esperienza reale degli ingegneri, e quindi testare e testare i prototipi prodotti dal progetto per scoprire problemi e modificare il progetto. Questo succede più e più volte, finché il problema non è fondamentalmente risolto. Anche se lo strumento di simulazione viene utilizzato occasionalmente per progettare, è limitato solo al circuito parziale. Modificare il circuito significa un ritardo nel tempo. Questo ritardo è inaccettabile sotto la pressione di rapidi lanci di prodotti. Soprattutto per sistemi di grandi dimensioni, una piccola modifica può richiedere il ribaltamento dell'intero progetto. La perdita che porta ai produttori è incommensurabile.

La qualità del prodotto è difficile da garantire, il ciclo di sviluppo è incontrollabile e l'eccessiva dipendenza dall'esperienza degli ingegneri... Questi fattori rendono difficile per i metodi di progettazione di cui sopra far fronte alle sfide poste dalla progettazione PCB ad alta velocità e ad alta densità sempre più complessa, quindi è necessario utilizzare simulazioni avanzate. Strumenti per risolverlo. "Gli schemi di progettazione forniti dai produttori di chip upstream si basano sui loro prototipi, e i prodotti dei produttori di sistemi non possono essere esattamente gli stessi di quelli dei produttori upstream; allo stesso tempo, i requisiti di progettazione di un chip possono essere contraddittori con l'altro e devono essere simulati per determinare il piano di progettazione.".

In un certo senso, la simulazione permette al software di completare la valutazione funzionale sul prototipo virtuale, che può essere completata solo testando il prototipo fisico. Si tratta di una soluzione più "morbida" ed economica.

Tuttavia, la simulazione di circuiti stampati ad alta velocità e ad alta densità è diversa dalla simulazione tradizionale. L'ingegnere tecnico grafico Yulifu ha detto: "La simulazione tradizionale è fatta per gli schemi. Aggiunge solo incentivi e guarda l'output per determinare se la funzione è corretta; mentre la simulazione ad alta velocità si basa sulla premessa che la funzione è corretta, a seconda del disegno. Qual è la prestazione? Non è solo per il diagramma schematico, ma anche per il disegno PCB. Lo schema ch è più vicino alla domanda effettiva e, sulla base del soddisfacimento dei requisiti di prestazione, giudicare quale ha il costo più basso.

Trovare un equilibrio tra pianificazione e costo del sistema. Yulifu ha detto: "Utilizzando strumenti di simulazione, è possibile giudicare se la direzione del miglioramento del sistema è corretta, indicare la direzione per la progettazione, aumentare il tasso di successo della prima scheda e rendere il prodotto andare sul mercato più veloce. Tuttavia, non importa quanto sia vicino il risultato della simulazione al risultato del test, non può sostituire il sistema di test effettivo."

Il test è un vero giudizio sulle prestazioni del sistema che include tutti i fattori ambientali reali. Tuttavia, la simulazione è un "test" di prototipi virtuali. Si tratta di determinate condizioni specifiche. Non esiste uno strumento che possa prendere in considerazione tutte le condizioni reali allo stesso tempo. simulazione. Tuttavia, con lo sviluppo della tecnologia e il continuo miglioramento degli strumenti, l'approssimazione dei risultati della simulazione e dei risultati effettivi dei test sta diventando sempre più elevata, e il significato guida per la progettazione sta anche aumentando, ma allo stesso tempo, requisiti più elevati sono posti agli ingegneri - i metodi di giudizio e miglioramento dei risultati della simulazione dipendono tutti dal livello tecnico e dalle basi teoriche dell'ingegnere.

Attualmente, nella simulazione PCB ad alta velocità, l'effetto più insoddisfacente è EMC / EMI. Questo perché per i sistemi ad alta velocità, a causa dell'influenza dell'effetto via, è necessaria la modellazione tridimensionale del sistema per simulare efficacemente l'ambiente reale. Tuttavia, per un sistema grande e complesso come PCB, è molto difficile modellarlo in tre dimensioni. Secondo Yulifu, attualmente, viene adottato principalmente il metodo di ispezione degli esperti, che converte le questioni EMC/EMI in regole di layout e cablaggio sui PCB in conformità con le norme generali internazionali.

Inoltre, in termini di analisi tridimensionale, aziende come Ansoft e Apsim possono fornire strumenti e metodi specializzati, e questi strumenti possono essere utilizzati in combinazione con strumenti di sistema Cadence e Mentor Graphics.

La scelta dell'efficienza: routing automatico e progettazione parallela

La progettazione schematica non riguarda solo il "tracciamento" del circuito, ma ha anche molti altri requisiti. Gli strumenti di progettazione schematica dovrebbero essere in grado di portare questi requisiti al passo successivo, supportando il routing automatico, la simulazione funzionale e così via.

Al fine di trovare un percorso di progettazione più efficiente, risolvere la pressione temporale del lancio del prodotto e portare rapidamente il prodotto sul mercato, sono nati cablaggi automatici e tecnologie di progettazione concorrente.

"Se è possibile fare buon uso della tecnologia di routing automatico, è possibile ridurre il tempo di disegno e più del doppio l'efficienza di progettazione del PCB." Tuttavia, se si desidera realizzare il routing automatico, è necessario utilizzare il gestore di regole elettrificato per integrare gli ingegneri di progettazione del sistema e gli ingegneri di progettazione hardware. I requisiti di progettazione per il circuito sono passati all'ingegnere PCB.

Per i primi sistemi più semplici, la prassi abituale è per gli ingegneri hardware di scrivere i requisiti di progettazione uno per uno e dire all'ingegnere di progettazione PCB come farlo. Ma per i sistemi complessi, di fronte a migliaia di connessioni e innumerevoli requisiti, gli ingegneri hardware non possono registrare queste regole uno per uno, e gli ingegneri di progettazione PCB non possono controllarle e implementarle uno per uno. In questo momento, è necessario un gestore di regole elettrificato per gestire vari requisiti di progettazione. Gli ingegneri hardware e i progettisti PCB possono lavorare insieme sulla base dello stesso gestore di regole.

Per la tecnologia di cablaggio automatico, "Se un'azienda non ha padroneggiato bene la tecnologia e il problema dell'integrità del segnale non può essere risolto bene, si consiglia di non utilizzare il cablaggio automatico. quindi è impossibile avere cablaggio automatico al 100%. Il routing automatico di cui sopra è in realtà una sorta di routing automatico interattivo, che richiede la partecipazione umana: alcune regole prima del routing automatico devono essere ulteriormente determinate manualmente; Una volta completato il routing automatico, deve essere verificato e modificato da un ingegnere.

Per la progettazione di sistemi tradizionali, relativamente a bassa velocità, molti ingegneri possono avere tale esperienza, utilizzando OrCAD di Cadence per disegnare schemi, e quindi utilizzare PowerPCB di Mentor per il layout. Ma questo metodo non è più adatto nel campo della progettazione ad alta velocità. "I dati non possono essere completamente convertiti tra strumenti di diversi produttori. Ad esempio, il metodo tradizionale di lettura delle netlist non può portare alcune proprietà elettriche e requisiti nello schema schematico al progetto PCB, quindi non è adatto per la progettazione ad alta velocità."

Oltre al cablaggio automatico, la progettazione parallela è anche un modo efficace per migliorare l'efficienza di progettazione per sistemi di grandi dimensioni. La progettazione contemporanea è progettazione collaborativa, il che significa che un circuito stampato è diviso in più parti e diverse persone progettano contemporaneamente. Secondo Yulif, gli attuali strumenti Mentor Graphics possono già essere utilizzati nella progettazione parallela. Se si salva la progettazione su una macchina, l'altra macchina può vederlo immediatamente e le linee su entrambi i lati possono essere collegate automaticamente insieme. Può alleviare il compito di integrazione tra diversi disegni. Yulif ha dichiarato: "Entro la fine di quest'anno, lo strumento di progettazione parallela estremamente dinamico di Mentor Graphics sarà disponibile sul mercato. In quel momento, gli ingegneri saranno in grado di eseguire la progettazione parallela completamente in tempo reale proprio come giocare CS su una rete. Essere visto dall'altra parte in tempo reale può facilitare la cooperazione tra ingegneri in luoghi diversi." Non solo richiede buoni strumenti di progettazione, ma anche buoni metodi di progettazione. La progettazione contemporanea non dovrebbe essere divisa troppo finemente o troppo ampiamente. Due o tre persone sono più ragionevoli, altrimenti le idee sono troppo sparse, il che non è favorevole al design.

Oltre il PCB: considerazioni a livello di sistema per problemi ad alta velocità

Quando il sistema si sviluppa da centinaia di megabyte a decine di gigabyte, il design del chip, il design del packaging e il design del sistema non possono più essere considerati separatamente. Per i prodotti di fascia alta, la progettazione dell'imballaggio e la progettazione del sistema dovrebbero essere considerati quando si progettano chip.

Dopo aver rimosso i problemi del software stesso, come semplificare il processo, ridurre l'errore dell'ingegnere dal processo e consentire all'ingegnere di dedicare più energia alla progettazione, in modo che il prodotto entri sul mercato il prima possibile, è diventato anche il contenuto che i produttori di EDA stanno considerando.

Generalmente, la linea di collegamento su un sistema parte dall'I/O del chip (Silicone), passa attraverso il dosso e il substrato del pacchetto, raggiunge il perno del pacchetto e quindi passa attraverso il PCB al perno, substrato, urto e pin di un altro pacchetto. Chip I/O. Chips, imballaggi e circuiti stampati sono tre aree diverse. Gli ingegneri precedenti non li consideravano in modo completo durante la progettazione, né potevano conoscere le idee di altri ingegneri. Tuttavia, man mano che la frequenza di progettazione aumenta, l'area del chip diminuisce e il ciclo di progettazione si accorcia, i produttori dovrebbero considerare la progettazione del pacchetto e la progettazione del PCB durante la progettazione dei chip, in modo che i tre possano essere combinati efficacemente. "In questo momento, non importa dal punto di vista dell'integrità del segnale o del ciclo di progettazione, dovremmo considerare la progettazione del Silicon-Package-Board allo stesso tempo, e coordinare la relazione tra di loro. Ad esempio, a volte ci saranno molti problemi di tempistica difficile può essere facilmente risolto nel pacchetto."