让工作更智能的六大PCB设计技术策略

　　电子行业正在努力从经济危机中复苏，为从设计到制造的流程提供全面支持的压力也日益增加。世界各地的电子公司不得不将差异化的产品以更快的速度和更低的成本推向市场，并且由于经济的疲软该趋势还将持续下去。即使在中国的PCB市场，系统设计和制造支持工具也亟待利用最新技术以提高生产率。
　　在Aberdeen集团的一次调查中，众多一流电子公司确认了能积极满足业务目标的6种设计技术最佳实践。随着经济形势的缓慢复苏，这些基本的PCB技术实践将成为各公司在2012年发展的必要组成部分。
　　以下是对这6种使公司工作更智能化的关键策略的概述，我们相信这些策略将成为2012年发展的关键。
　　技术策略1：产品协同开发流程
　　协同通常是指将串行操作变成并行的能力，并具有两种模式。首先是让多名设计师同时在同一个设计流程中工作的能力。这一做法并非新生事物，但新技术在效力上与原来相比有巨大的差异。设计师始终能够操作PCB设计数据库，并将其进行拆分。然后每个设计师都在设计环节工作——但最后数据库必须重新合并起来。合并过程非常耗时，并且容易出错，但最终结果可以缩短设计周期。
　　“未来的方案就是在软件中进行模拟，如虚拟样机。”
　　目前，我们有能力让多名设计师同时在同一个数据库中工作，无需数据库分拆。这适合于PCB设计中的许多流程，包括原理图输入、约束（高速和制造规则）输入和管理，以及物理布局。另外，每个设计师都能看到同事实时操作的结果。这不仅显著缩短了设计周期时间，而且提高了设计师的生产率和产品的质量。该技术的部分用户报告节省了30~70%的设计时间。为了在2012年保持竞争力，各公司都必须达到相似的设计周期方面的改进(图1)。

　　图1：协同设计通常要求PCB设计数据库分拆后再重组，而现在则可以在多名设计师操作时保持完整

　　协同的第二种模式是以不同于序列的并行方式，运行几个不同流程的能力。原理图、约束、布局和分析都可以并行化，从而进一步提高设计师的生产力，并缩短设计周期。但是，该模式需要带有版本管理、同步校准、权限和更新控制的复杂设计数据管理，稍后本文会对此进行阐述。
　　技术策略2：虚拟样机
　　通常各公司通过建立和测试多个原型来验证他们的产品。设计一个PCB，构建物理原型，在实验室中测试，确定需要做出哪些改变，重新设计，然后重复相关流程。
　　这种方法存在几个问题。首先，建立并调试样机非常耗时和昂贵。如果上市时间很紧迫，就很可能错过市场时机。其次，在实验室中测试可能无法发现所有潜在问题。例如，你希望产品在剧烈震动等恶劣环境中使用多年，但是“震动和热处理”实验室可能无法运行足够长的时间以发现长周期性的问题。同样，信号完整性也存在这一问题。极端的临界条件很有可能无法在实验室中获得。
　　未来的解决方案是在软件中进行模拟，如：虚拟样机。该操作可以在PCB设计流程中执行，并且会覆盖许多可能的领域：信号（数字、模拟、射频）和电源网络完整性；集成电路、封装、PCB和全系统模拟中的热管理；振动和冲击(图2)；PCB制造和组装实践；3D 机械接口等等。在整个设计流程中执行可以确保设计持续进行，无需备份和校正。此外，软件可以探测极端临界条件，并且可以在数小时内模拟实验室中数周和数月出现的问题。虽然设计师喜欢手中尽快拿到实物，而执行广泛的虚拟样机可能有所延迟，但后者可以缩短周期，减少成本，并且提高设计师的生产力和产品质量/可靠性。

　　图2:振动虚拟样机可以用几个小时的软件模拟来代替实验室内数周和数月的操作，并突出显示各个部件的潜在失效问题（红、黄、蓝）

　　技术策略3：从设计到制造的流程支持
　　上市时间和产品成本是许多行业的关键。即使军事/航空和汽车等行业，在过去也面临较长开发时间和/或高成本的限制，现在对此问题也有更加积极的目标。此外，PCB设计师决不能忘记，即使数据进入制造流程，他们的责任也还没有结束。同时，从EDA供应商的角度来看，重要的是支持不是到设计阶段结束，不是让设计者轻松履行对可制造产品的责任，而要和制造商一起优化他们的生产线，实现最低成本的产品交付。
　　图3 表明流程是不断发展的。从帮助制造商定义规则和实践能力的支持开始，对制造和组装流程中的产量和可靠性产生积极影响。这些DFM（可制造性设计）规则将被PCB设计师用于设计流程。DFM软件可在设计环境中找出问题，然后由设计师进行纠正。巧合的是，大多数制造商也使用相同的规则和软件来检查接收的设计数据。这样可以确保一旦设计进入制造流程，就可以持续执行，无需设计返工。

　　图3: 全面的设计到制造流程支持，能够确保高产量、高产品可靠性和低生产成本。

　　一旦设计通过智能化接口，如ODB++，进入制造流程，制造商可以利用软件进行生产线建模，并优化其利用。在生产线运行时，软件将持续监控零件按时交付、机器停工以及产品可追溯性等问题。即使发生质量缺陷，也可以确保跟踪并突显低于可接受故障率的设备或流程。
　　技术策略4：复杂性管理
　　对于击败竞争对手的差异化产品，公司必须利用最新和最先进的技术，将更多功能压缩到更小空间内，同时仍能满足积极的市场时机，这在2012年将变得更为重要。集成电路技术在高密度、高速度、在更小的空间中更多的针脚、和更高的功耗等方面持续提高。PCB（印刷电路板）制造技术，如HDI/微孔技术，可以增加密度，但设计也更加复杂。面对这种不断提高的复杂性，我们该如何保持并提高设计师的生产力呢？答案是同样增加设计工具的功能。
　　例如：不久前，一个典型的设计可能包含一些必须遵守长度和邻近规则的高速网络。这些网络可由设计师轻松管理。现在，大读数设计都拥有超过50%的高速网络，甚至有些高达90%.另外一个例子是BGA针数和密度的增加。这将成为PCB扇出时的一个挑战。这类情况提出了一个复杂性问题，没有先进的设计工具，将导致生产力严重下降，上市时间显着延长。
　　策略优势 - 可靠性至关重要。
　　多年来关键任务应用取决于Rogers的微波材料。Rogers的军用级层压板能经受时间和温度的考验而保持稳定一致的性能，这对航空和国防应用而言是至关重要的。
　　Rogers微波材料的稳定性能提供了大多数关键任务应用所需的高性能和高可靠性。你能承受减少材料的应用吗？

　　图4:遵循规则的自动高速互连路由来满足性能目标

　　如果我们查看增加高速网络内容的第一个示例，现存的工具有助于设计师遵守所有的延迟和信号完整性规则。工程师在约束条款中设置这些规则，然后CAD设计师按规定路线发送个体互联或总线结构，自动调整高速网络，然后匹配最低/最高限制的长度，以及匹配差异化配对等网络。这样的任务显然是无法靠手动完成的。
　　技术策略 5：跨学科合作
　　产品研发和交付需要跨学科合作。在电子领域，我们拥有集成电路、封装、FPGA、RF、模拟和数字化方面的专家；而在机械领域，我们拥有设计外壳和执行CAE分析的工程师；我们拥有采购、供应链和制造人员；我们拥有嵌入式软件研发。所有这些都需要在开发过程中有效合作。过去是通过纸张和电子邮件进行，现在主要通过电子媒介，但团队成员之间的大量数据转存依然存在问题。如何有效地确定发生了何种改变，在你的领域内该如何应对，以及你实际采用了何种控制？此类问题在不久的将来必须得到处理。
　　实际上，大多数交互是一种协商。例如，如果一名机械工程师发现PCB上的一个组件将会干涉物理产品外壳，则该工程师可以提议更换该组件的位置。这将采取一种渐进（仅在更换时）提议的形式传达给PCB设计师--不同于大量数据转存，PCB设计师必须经过排序来确定提议。最近渐进式变化性能已经由Mentor Graphics、PTC和用户发展成为标准（"EDMD"），并获得了ProSTEP的批准。
　　该提议将以图形的形式展示给PCB设计师，后者将根据PCB的实际情况接受、拒绝或提出一个更适合此PCB的提议。协商过程将持续到达成一致为止，届时机械和电气数据库都将进行更新。 这个完全电子化的合作仅仅是目前许多实际操作的示例之一。
　　技术策略 6：知识产权（IP）管理
　　最后一流电子公司确定未来成功的关键在于他们的工作进程和数据库的管理。
　　设计团队成员，无论位于本地还是分散在世界各地，都需要创建一个有效的权限，并严格管理公司认为最重要的资产。公司数据库管理员将合格组件的信息输入经过批准的管理基础设施内，可由设计师进行评估。预先设计的全部或部分PCB可以增加到库中，便于日后项目的重新使用。
　　随着PCB设计的进展，团队创建了原理图、约束和PCB布局数据。该工作进程数据管理非常复杂，需要专门创建用于管理电子版知识产权（IP）的基础设施系统。不同团队成员编辑的数据将面临版本管理和同步化的问题。公司可以聘用服务机构来设计部分产品，并希望仅共享部分IP.这就是排除使用标准PLM系统的复杂性（图5）。也就是说，随着产品的成熟开发，最终的设计数据必须上传到公司的PLM、ERP等系统内，进行生命周期管理。因此，ECAD供应商必须不仅提供PCB特别IP管理，而且要提供与企业基础设施系统对接的支持标准。

　　图5:电子产品IP的管理极其复杂，需要ECAD的专业软件。标准的PLM系统无法保持内部关系和同步

　　2012，让工作更智能
　　如果我们回顾2011年，会发现电子公司面对经济危机以及复苏缓慢的状况，为了努力保持在竞争中领先，发展需求出现显著增加。这在Mentor的“技术领先奖”项目中表现得尤为明显。每年我们都会邀请世界各地的公司提交他们最先进的设计，然后交由一批独立的行业专家进行评比。2011年入围的设计更加复杂，设计流程中使用的方法和工具也更加先进。在未来使用本文描述的技术推动要素将不再是一种奢侈品，而是发展的必需品。