规则驱动设计应对高速PCB设计问题

转载自：电子系统设计
在电路板设计时存在着高速高密、射频与数模混合的设计需求，电路板设计对信号完整性、电源完整性、EMC性能和散热的要求越来越高。信号完整性、电源完整性和EMC性能要求对电路板的电气性能构成了约束，高密度对可制造性又构成了约束。从设计工程师的角度来讲，需要对电路原理有较深刻的理解，并对不同产品、不同行业的特点有所理解。这所有的一切都构成了电路板设计的挑战。
汉普(Hampoo)公司总经理王驰江表示，电路板设计正向着高速高密和高可靠性方向发展。芯片的主频越来越高，信号的速率越来越快，DDR3的普遍应用、高速串行总线Infiniband、10GBase-KR、RXUAI、USB3.0、SATA3.0、PCI-E 3.0和RAPID IO等的广泛应用，对设计方法、设计工具和设计流程都形成了新的挑战。在消费电子领域，产品的功能越做越强大，设备的厚度也在挑战极限超薄。芯片体积越做越小，0.4mm pin-pitch的BGA在大量的应用设计中，制造加工工艺的要求对设计形成了限制。同时，电路板设计还需要考虑电磁兼容性(EMC)性能、散热性能、信号完整性和电源完整性的性能。产品的设计周期越来越短，电路板也有着需要多人并行开发的大型系统设计需求。
“汉普主要为客户提供高速高密PCB板设计、高速背板设计和封装基板设计。高速背板的设计重点在于信号仿真。大多数高速背板的层数非常地高，3.125G、5G、10G等信号速率已经非常普遍。高速背板的板材、连接器选型、过孔、连接器封装和布线仿真优化起到了决定作用。”他介绍，“国防科大研制的天河一号超级计算机用到的交换背板就是由汉普设计的。对于10Gbps走线的系统，汉普设计了多次基于的Infiniband、10GBASE-KR的10G系统，并且都是一次取得成功。当然目前我们也在高速系统上挑战更高的难度。正在仿真设计的2米系统传输长度的10Gbps系统准备部署和应用在下一代天河巨型机上。高速设计面临的挑战很多，汉普的技术团队也在一次次的挑战中变得越来越强大。PCB设计针对不同的行业(比如通信，工业控制，汽车电子、医疗电子等)，在产品定义的不一样，也会对应在抗干扰、信号完整性、可靠性和可制造性等方面的要求不一样。除了注意常规的设计规则约束，还需要加入一些行业约束的设计规则来完成设计。”
随着信号速度提高，很多常规的制造方法已经不能满足极高速电路板的设计。一些新的制造工艺也对目前的高速设计起到了很大作用——像背钻技术、阶梯孔技术、铜皮表面粗糙度控制以及表面趋肤深度控制工艺等，这些制造技术关系到设计的成败。例如，在设计10Gbps速率的系统时，PCB板的布线层不可随意选择，必须通过仿真来确定最优的布线。否则，一些布线层因为过孔或连接器的stub影响，导致在某些频率发生谐振，从而引起系统的损耗大幅增加。又或者过孔或者连接器的优化工作做得不好，会导致传输系统在过孔处或者连接器处，因寄生容性负载过大而导致阻抗的连续性变坏(例如高速连接器能做到100欧的阻抗，但是如果封装优化做得不好，可能在封装的通孔处只能达到70欧或者更糟)。
他进而谈到，针对高速、高密度等电路板设计挑战，汉普做了很多具体的投入。比如像在高速、EMC和PI等设计上，汉普都投入相应的人力和工具来进行分析和制作。这需要掌握经验并运用工具来解决问题。在高速、高密度、信号完整性、电源完整性、EMC和散热等方面的设计上，都需要由专业工程师来完成。在EMC方面，需要提供相关的对策，应用工具和经验来解决板级EMC抗干扰问题。同时，在高密度设计方面也需要掌握相关技术。
PCB设计商需要了解设计工艺要求并和工厂加强合作，了解工厂条件是否满足高密度的设计要求。例如，汉普去年IIC展会上参展了一款0.4mm球径的POP(package-on-package)封装芯片的板子。汉普通过和工厂(制造厂、贴片厂等)进行深度合作，对生产的工艺要求获得较全面的理解，从而使产品设计的一次成功率大幅提升。时刻关注工厂在工艺、技术能力的提升，对于电路板的设计是非常有帮助的。比方说原来一些工厂PCB设计的最小线宽能力的提升，以及埋阻、埋容和多阶HDI等技术的应用。掌握这方面信息就可以从容地应对高密度电路板的设计。
目前，汉普基于TI的OMAP4460(OMAP4430)方案为客户设计了一款9.7寸的平板电脑。该平板电脑已经做到整机7.6mm的极限厚度，比东芝号称全球最薄的9.7寸平板还要薄0.1mm。而且该产品做到6600mA电池，是一款3G、WIFI、NFC近场通信等全功能的平板电脑。其主板仅使用8层1阶(1+6+1)HDI，完成此PCB设计是一项极大的挑战。另外，目前通过热仿真来优化电路板的设计，达到良好的散热性能已经是解决电路板热设计的一个普遍方法。电源完整性通过仿真优化获得最优去耦电容的搭配和分布以及电源的分割，从而达到良好的电源性能。在可制造性方面，汉普引入了MENTOR公司的VALOR软件。结合汉普公司自主开发的脚本，把不同工厂加工工艺能力制作为设计规则来检查电路板的设计，在电路板设计阶段就能够提前模拟出实际的生产结果，提前发现在生产中可能面临的DFM问题。这样便能优化电路板设计，获得最优的可生产性可制造性，提高产品的性能和良率，从而降低生产成本和减少试产的次数。
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