針對PCB設計挑戰(zhàn) Mentor闡述3D PCB系統(tǒng)設計技術

　　在Mentor2013中國PCB技術論壇上，Mentor針對復雜PCB設計面臨的挑戰(zhàn)，闡述了三維(3D)PCB系統(tǒng)設計技術、多板系統(tǒng)設計、先進的封裝與外形協(xié)同設計方法、通過重用提高設計效率的理念，及電源完整性等設計方法。

　　PCB設計的挑戰(zhàn)

　　在汽車電子、計算機、消費類電子、工業(yè)、軍事/航天航空和通信領域，PCB設計的復雜度一直在不斷增加，信號完整性、電源完整性、可制造性、成本及可靠性等因素，隨著應用領域的不同呈現(xiàn)出較大差異。

　　Mentor市場開發(fā)經(jīng)理JamieMetcalfe指出，設計復雜度的增加還體現(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%。

　　設計復雜度增加促使勞動力格局也發(fā)生了很大變化，包括工程師職位和數(shù)量。設計團隊原來基本只有設計、布局布線工程師和項目管理者，現(xiàn)在則增加了FPGA、機械、系統(tǒng)架構(gòu)、SERDES、電源完整性、熱管理、信號完整性等工程師，而且他們需要協(xié)同工作。

　　此外，原來以PCB為中心的設計格局，也轉(zhuǎn)向了基于IC/FPGA、PCB、系統(tǒng)模塊之上的系統(tǒng)工程設計方式。

　　三維PCB系統(tǒng)設計技術

　　電子產(chǎn)品體積更小、功能更多、設計約束更嚴格、布線密度和可靠性更高等因素，加劇了PCB設計的復雜性。

　　Mentor業(yè)務開發(fā)經(jīng)理DavidWiens表示：“當面臨PCB板更厚，多次樣機制作的成本更高、時間更多，制造良率更低等問題時，設計者就應該考慮采用三維PCB系統(tǒng)設計技術，這也將是PCB系統(tǒng)設計的下一個主要趨勢。”

　　Wiens重點介紹了三維PCB系統(tǒng)設計的流程。首先，要創(chuàng)建一個支持各種應用的統(tǒng)一的三維器件庫，這個庫要能夠支持簡化和網(wǎng)格(Mesh)設定。目前，Mentor的三維器件庫含有400多萬個器件型號。

　　當然，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，并將其映射為制造商的器件型號，用戶只需簡單地輸入元件數(shù)據(jù)表里的參數(shù)即可。

　　第二步是三維設計和DRC(設計規(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窗口中顯示，并能實現(xiàn)元件的一一對應。三維編譯和分析包括布線的三維編譯，及動態(tài)與靜態(tài)檢測的三維約束分析，并可選擇詳細或簡化的三維建模。這種技術可以及早發(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。

　　然后是三維振動測試。在由設計草圖引起的可靠性問題中，振動是在溫度之后排名第二的失效因素。據(jù)美國空軍公布的國防電子系統(tǒng)因環(huán)境問題引起失效的一份報告，溫度問題引發(fā)的失效高達50%，振動因素占20%。

　　Wiens援引美國Qualmark公司EdmondL.Kyser博士的調(diào)查數(shù)據(jù)指出，在發(fā)貨后第一年，由于設計缺陷造成現(xiàn)場退貨(fieldreturns)的全部直接成本，每項新設計最高達到44萬美元。

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

　　Wiens在談到三維設計中的多GHz互連模擬分析時表示，三維結(jié)構(gòu)對信號完整性會造成很大影響，而現(xiàn)有的三維仿真器對工程師的專業(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;將其加進完整的互連描述中;分析互聯(lián);采用HyperLynx工具進行布局前、后的信號完整性仿真與分析。對于多GHz完整的SERDES通道設計，二維和三維混合仿真與建模可提供精確的加速。

　　再之后是升級的電子與機械設計(ECAD/MCAD)。設計與制造部門溝通后，數(shù)據(jù)庫可根據(jù)情況變化自動升級。

　　最后是三維熱分析(FloTHERMXT)。專注于PCB設計從概念到驗證/原型的所有階段。

　　設計重用可提高效率

　　在電子設計界，不少工程師或設計師對設計重用常常缺乏動力，他們不想通過修改別人的成果來完成設計，因為他們認為重用別人的設計無法顯示出自己的能力和價值，而且管理重用模塊可能很麻煩，如存儲及找出可重用數(shù)據(jù)等。因此，設計師總是想按自己的思路“獨創(chuàng)”出設計成果。

　　但設計主管們考慮的是如何縮短設計周期，降低成本，提高良率和產(chǎn)品質(zhì)量，減少元件差異，提升采購優(yōu)勢，以較低的設計風險，滿足客戶的需求。

　　設計師有必要認識到，實際上，絕大部分板上元件都是通過重用模塊設計的，這主要是出于提高設計效率方面的考慮。

　　Mentor中國區(qū)應用工程部經(jīng)理劉雪峰指出，為了改變設計師重獨創(chuàng)、輕重用的想法，企業(yè)文化必須鼓勵設計重用，EDA工具也需消除設計中的一些技術障礙，如從經(jīng)過驗證的設計中提取重用對象;把邏輯、約束和布局打包到重用對象中;支持非正式和正式的重用;使設計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ExpeditionEnterprise設計流程的設計重用、變體管理、約束管理和庫管理等技術，就能通過重用提高設計效率。