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针对PCB设计挑战 Mentor阐述3D PCB系统设计技术

来源:上元教育   【上元教育:技能改变命运,上元成就未来】   2013-7-9 13:03:01
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在Mentor2013中国PCB技术论坛上,Mentor针对复杂PCB设计面临的挑战,阐述了三维(3D)PCB系统设计技术、多板系统设计、先进的封装与外形协同设计方法、通过重用提高设计效率的理念,及电源完整性等设计方法。

    PCB设计的挑战

    在汽车电子、计算机、消费类电子、工业、军事/航天航空和通信领域,PCB设计的复杂度一直在不断增加,信号完整性、电源完整性、可制造性、成本及可靠性等因素,随着应用领域的不同呈现出较大差异。

    Mentor市场开发经理JamieMetcalfe指出,设计复杂度的增加还体现在,PCB板的金属层数从2007年的16层减少到了2012年的14层,降了12%;面积从90平方英寸减到58平方英寸,少了35%;单位面积的引线数量从212增加到244条,上升了15%。

    设计复杂度增加促使劳动力格局也发生了很大变化,包括工程师职位和数量。设计团队原来基本只有设计、布局布线工程师和项目管理者,现在则增加了FPGA、机械、系统架构、SERDES、电源完整性、热管理、信号完整性等工程师,而且他们需要协同工作。

    此外,原来以PCB为中心的设计格局,也转向了基于IC/FPGA、PCB、系统模块之上的系统工程设计方式。

    三维PCB系统设计技术

    电子产品体积更小、功能更多、设计约束更严格、布线密度和可靠性更高等因素,加剧了PCB设计的复杂性。

    Mentor业务开发经理DavidWiens表示:“当面临PCB板更厚,多次样机制作的成本更高、时间更多,制造良率更低等问题时,设计者就应该考虑采用三维PCB系统设计技术,这也将是PCB系统设计的下一个主要趋势。”

    Wiens重点介绍了三维PCB系统设计的流程。首先,要创建一个支持各种应用的统一的三维器件库,这个库要能够支持简化和网格(Mesh)设定。目前,Mentor的三维器件库含有400多万个器件型号。

    当然,用户也可创建新的器件。这样,可以为电子元件建立三维模型,增加企业的器件型号,并将其映射为制造商的器件型号,用户只需简单地输入元件数据表里的参数即可。

    第二步是三维设计和DRC(设计规则检查)。通过Expedition三维解决方案,三维和二维图像可在同一个窗口中显示,并能实现元件的一一对应。三维编译和分析包括布线的三维编译,及动态与静态检测的三维约束分析,并可选择详细或简化的三维建模。这种技术可以及早发现可能存在的多种问题,例如,元器件间、元器件与外壳及散热器间,在三维空间内是否存在干扰。

    然后是三维振动测试。在由设计草图引起的可靠性问题中,振动是在温度之后排名第二的失效因素。据美国空军公布的国防电子系统因环境问题引起失效的一份报告,温度问题引发的失效高达50%,振动因素占20%。

    Wiens援引美国Qualmark公司EdmondL.Kyser博士的调查数据指出,在发货后第一年,由于设计缺陷造成现场退货(fieldreturns)的全部直接成本,每项新设计最高达到44万美元。

    接下来是更高的加速生命周期测试(HALT);三维建模与解决;强大的前、后处理器可创建一个虚拟样机。

    Wiens在谈到三维设计中的多GHz互连模拟分析时表示,三维结构对信号完整性会造成很大影响,而现有的三维仿真器对工程师的专业既能要求很高,Mentor的方案则不然。具体地,分析三维结构并建立s参数模型;将其加进完整的互连描述中;分析互联;采用HyperLynx工具进行布局前、后的信号完整性仿真与分析。对于多GHz完整的SERDES通道设计,二维和三维混合仿真与建模可提供精确的加速。

    再之后是升级的电子与机械设计(ECAD/MCAD)。设计与制造部门沟通后,数据库可根据情况变化自动升级。

    最后是三维热分析(FloTHERMXT)。专注于PCB设计从概念到验证/原型的所有阶段。

    设计重用可提高效率

    在电子设计界,不少工程师或设计师对设计重用常常缺乏动力,他们不想通过修改别人的成果来完成设计,因为他们认为重用别人的设计无法显示出自己的能力和价值,而且管理重用模块可能很麻烦,如存储及找出可重用数据等。因此,设计师总是想按自己的思路“独创”出设计成果。

    但设计主管们考虑的是如何缩短设计周期,降低成本,提高良率和产品质量,减少元件差异,提升采购优势,以较低的设计风险,满足客户的需求。

    设计师有必要认识到,实际上,绝大部分板上元件都是通过重用模块设计的,这主要是出于提高设计效率方面的考虑。

    Mentor中国区应用工程部经理刘雪峰指出,为了改变设计师重独创、轻重用的想法,企业文化必须鼓励设计重用,EDA工具也需消除设计中的一些技术障碍,如从经过验证的设计中提取重用对象;把逻辑、约束和布局打包到重用对象中;支持非正式和正式的重用;使设计师可快速找到重用模块;并提供完整的全局分析能力。

    他表示,采用ExpeditionEnterprise设计流程的设计重用、变体管理、约束管理和库管理等技术,就能通过重用提高设计效率。

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