Konzepte des PCB-Designprozesses

Haben Sie jemals ein architektonisches Meisterwerk wie die Golden Gate Brücke oder vielleicht ein historisches Gebäude wie die Kathedrale Notre Dame in Paris gesehen? Und sich dann gefragt, wie sie auf diese Idee gekommen sind und wie sie diese umgesetzt haben? Ein paar Worte kommen in den Sinn: Planung, Planung und Anpassung.

Das Design von PCBs und SOC-Paketen ist in gewisser Weise ähnlich, was bedeutet, dass es wirklich ein Puzzle aus Teilen, Schaltungsschnittstellen, Stromebenen, Tausenden von Signalen, Via-Übergängen und vielen Designregeln ist, die zusammenkommen und elektrisch einwandfrei funktionieren müssen, die erforderliche Leistung erbringen und auch mit den Einschränkungen und Begrenzungen mechanischer Formfaktoren arbeiten können.

Die Bausteine des PCB-Designs

Die Bedeutung einer guten Eingabe-Checkliste

Eine Eingangskontrollliste zu haben, bringt den Ingenieur zum Nachdenken und schafft eine Form der Kommunikation, die dokumentiert ist und im Grunde den Ball ins Rollen bringt. Die Checkliste kann viele Dinge definieren und gibt uns einen Ausgangspunkt, um unsere PCB-Design-Reise zu beginnen. Es ist auch ein Moment, in dem der Ingenieur darüber reflektieren kann, was er im Design sucht. Bis zu diesem Punkt denkt der Ingenieur in den meisten Fällen elektrisch, da er hoffentlich in Schaltplänen und bei der Teilesuche vertieft war. Jetzt ist es an der Zeit, physisch zu werden, LOL. Das bedeutet, anfangen darüber nachzudenken, wie Elektronen auf einer PCB fließen werden und was benötigt wird.

Ich habe eine Checkliste, die ich verwende, und sie enthält die Grundlagen. Je mehr Designs man macht, desto mehr wird dies zur Muskelgedächtnis. Wenn Sie der Ingenieur sind, der das Layout macht, wird Ihr Geist sich mehr und mehr darauf einstellen, wie ein PCB-Designer zu denken. Zum Beispiel könnten Sie jetzt eher in Begriffen von Referenzdesignatoren als von Teilenummern denken. Frühzeitig würde man eine Machbarkeitsstudie durchführen, und die Eingangskontrollliste leitet diese Phase ein. Die grundlegenden benötigten Elemente sind BOM, mechanische Eingaben, Routing-/Designregeln, Gesamtdicke, Impedanzanforderungen und die kleinsten zu berücksichtigenden Pitch-Teile, um die erforderlichen Via-Strukturen zu definieren, machen Sie die BGA-Mathematik.

Mechanische Zusammenarbeit – Aussparungen und Höhenbeschränkungen

Die Zusammenarbeit mit MCAD ist essentiell, um ein Projekt zu starten. Es ist wichtig, von Anfang an auf derselben Seite bezüglich der mechanischen Anforderungen zu sein. Die Gesamtdicke der Platine, die Positionierung/Drehung von Anschlüssen, Platzierungsausschlüsse und Befestigungslöcher müssen präzise definiert und früh im PCB-Design berücksichtigt werden. Dies ist das Fundament des Gebäudes, das Sie gerade errichten. Das Gerüst sind die physischen Einschränkungen und Dimensionen, die verfügbar sind, um das Design anzupassen, sodass Sie sehen können, dass die Genauigkeit entscheidend für den Erfolg des Designs ist. Ich habe in der Vergangenheit gesehen, wie ein mechanischer Platinenumriss von MCAD kam, der die Unteransicht zeigte und als Oberansicht in ECad einging. Dies wird die Bauteilplatzierung beeinflussen, machen Sie das nicht. Stellen Sie sicher, dass Ihre Ansichten korrekt sind und teilen Sie, wann immer möglich, .idf- oder .idx-Dateien und schließen Sie dieselben Schrittmodell-Dateien ein, wenn Sie diese Möglichkeit haben. Dies wird eine erfolgreiche MCAD-Zusammenarbeit gewährleisten. Außerdem könnte es an der Zeit sein, zu verhandeln, wo die Befestigungslöcher für Kühlkörper verschoben werden können, aber die Bauteilplatzierung wird auch Einschränkungen diktieren. Wenn beispielsweise vorgeschlagen wird, Ihr BGA mit hoher Pinanzahl in die Ecke zu setzen, und es vollständig mit Signalen belegt ist, ist jetzt der Zeitpunkt, Widerstand zu leisten, denn Sie werden feststecken, versuchen, aus einer Ecke herauszukommen und benötigen mehr Signallagen.

Die Bedeutung von Routing-Regeln

Routing- oder Entwurfsregeln sind das, was das PCB-Design im Zaum hält. Ich bezeichne dokumentierte Regeln oft als die Gleise, auf denen ein Zug rollen muss. Mit in einem Dokument definierten Regeln im Gegensatz zu vielen E-Mails, die sich täglich oder stündlich ändern und schwer zu verfolgen sind, ist es sehr leicht, vom Weg abzukommen und Elemente zu übersehen oder zu vergessen, die für die Leistung des Designs kritisch sind, und ermöglicht es dem PCB-Designer, als Einheit zu kommunizieren und bietet eine Dokumentation für die Nachwelt. Die Idee von Regeln in Dokumentenform ist das, was verwendet wird, um Regeln in CAD-Tools zu bevölkern, oft als Beschränkungen oder Entwurfsregeln bezeichnet, an die sich das Design halten muss. Dies umfasst physische und elektrische Regeln, denen das Design folgen muss, um Timing-, Geräusch- und Fertigungsanforderungen zu erfüllen.

Hochgeschwindigkeitsrouting und Simulationen - Konzepte der Stromversorgung

Nun, da das Design Form annimmt, Regeln festgelegt sind und die Platzierung sowie die Stromebenen definiert werden, ist es ein guter Zeitpunkt, die kritischsten Schnittstellen und die anspruchsvollsten Hochgeschwindigkeitsschaltungen zu layouten, falls diese in Ihrem Design vorhanden sind. Es ist eine gute Idee, einen Stackup im Sinn zu haben, der für das gesamte Design funktioniert. Unter Verwendung der Standard-Via-Größe und dem Versuch, ein gutes Ausbeute-Aspektverhältnis zu erreichen, ist es nun an der Zeit, diesen Schaltkreis zu testen, zu platzieren und zu routen, dann zu simulieren. Ja, simulieren Sie jetzt, sobald kritische Netze geroutet sind, nur um zu sehen, ob Sie die Anforderungen für optimale Leistung erfüllen. An diesem Punkt könnten Sie feststellen, dass Sie einen anderen Stackup oder Via-Konfigurationen benötigen. Wenn Sie beispielsweise 12GBPS erreichen möchten und Sie ein Durchgangsloch-Via auf einer 18-Lagen-Platine mit 0,093 Zoll Dicke verwenden, stellen Sie möglicherweise fest, dass die Via-Stubs zu viel Reflexion verursachen, um die Leistung zu erreichen. Sie müssen vielleicht eine andere Option wie blinde und vergrabene Vias oder Rückbohrungen oder einen anderen Platinen-Stackup und Schnittstellenoptionen in Betracht ziehen.

Diese vier Schritte, die ich oben beschrieben habe, sollten die Grundsteine für den Aufbau eines erfolgreichen Rahmens für ein erfolgreiches PCB-Design darstellen. Meine Erfahrung, diesen Schritten zu folgen, hat zu konsistenten Ergebnissen geführt. Ich glaube, es ist wichtig, zuerst das Gerüst zu legen. Was sind die nächsten Schritte? War die Simulation erfolgreich? Mussten Sie die PCB-Design-Platinenkonfiguration ändern oder vielleicht die Strukturen oder Größen der Vias oder die Fertigungsmaterialien mit niedrigerem Dk und geringeren Verlusten? Man kann viel aus Simulationen lernen, und das wird den Weg nach vorne ebnen.

All diese Punkte sollten sich ergeben, sobald Simulationen oder Berechnungen stattgefunden haben und nach der ersten kritischen Verlegung/Abstimmung von Hochgeschwindigkeitsschnittstellen. Also, wenn alles funktioniert, was kommt als Nächstes im Prozess? Wo gehen wir von hier aus hin? Stackup bestätigen? Organisation des Designs?

Das werde ich in Teil 2 besprechen:

• Stackup-Definition pro Technologie - Zielvorgaben für Leiterbahnbreiten
• Organisieren Ihrer Netze und Einschränkungen sowie Regeln von Klasse zu Klasse und Überbeschränkungen.
• Floorplanning nach Designregeln
• Die Verwendung von Via-Mustern/-Platzierungen für Übergänge und die Planung der Verlegung
• Fortgeschrittenes SOC-Chipdesign und wie man die PCB-Designplanung mit einem SIP oder SOC angeht.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Ich werde hier enden und bin offen für Ihre Kommentare und Rückmeldungen.

Fröhliches PCB-Design…