Rozwiązywanie współczesnych wyzwań projektowania PCB

Postępy w technologii PCB to miecz obosieczny. Zwiększyły moc i zastosowanie elektroniki. Ale również sprawiają, że układanie PCB staje się trudniejsze, co zwiększa ryzyko dłuższych cykli wprowadzania produktów na rynek i wyższych kosztów produktu. Projektanci mogą zmniejszyć te ryzyka, korzystając z zintegrowanego pakietu oprogramowania do układania PCB, który zapewnia automatyzację niezbędną do szybkiego i zgodnego z budżetem wprowadzania produktów na rynek.

WPROWADZENIE

„Kochanie, zmniejszyłem dzieciaki.” „To jest mały świat.” To dobrze znane frazy dla fanów Disneya – ale mogłyby one równie dobrze opisywać trwającą miniaturyzację projektów płytek drukowanych (PCB) (Rysunek 1).

Powierzchnia płyty pozostała stosunkowo stała, podczas gdy liczba wyprowadzeń na cal kwadratowy potroiła się w ciągu ostatnich 10 lat.

Średnia liczba komponentów wzrosła czterokrotnie w ciągu 15 lat, podczas gdy średnia liczba wyprowadzeń na część zmniejszyła się o czynnik 4 do 5x.

Liczba pinów w projekcie potroiła się, a liczba połączeń pin-do-pin podwoiła.

W rezultacie, ponieważ komponenty i gotowe produkty stały się mniejsze, układy PCB stały się bardziej zwarte i skomplikowane. Wzrastająca miniaturyzacja i złożoność PCB stawiają przed projektantami PCB szereg wyzwań, polegających na zapewnieniu, aby wszystko pasowało i działało niezawodnie. W jednym z badań, 53 procent respondentów z firm elektronicznych stwierdziło, że rosnąca złożoność PCB jest ich głównym wyzwaniem, gdy próbują szybciej i taniej wprowadzić na rynek najbardziej konkurencyjny produkt.(2) Do najczęstszych problemów związanych z układem PCB należą:

Trasowanie dla układów z dużą liczbą pinów w technologii ball grid array (BGA). Projektowanie elastycznych PCB, które będą pasować do małych, nieregularnie kształtowanych produktów. Zwiększanie gęstości układu PCB bez zwiększania liczby warstw. Unikanie spadku napięcia w skomplikowanych, wielowarstwowych projektach PCB. Zapewnienie skutecznej integracji ECAD-MCAD i lepszej komunikacji z producentami. Włączenie wystarczającej liczby punktów testowych na gęstym, skomplikowanym PCB

Wszystkie te wyzwania mogą być złagodzone dzięki nowoczesnemu, zintegrowanemu pakietowi oprogramowania do projektowania układów PCB.

Rysunek 1. Od szczoteczek do zębów po tostery, od zaawansowanych systemów wspomagania kierowcy (ADAS) po zaawansowany sprzęt chirurgiczny, coraz bardziej skomplikowane, ale małe PCB są mózgiem niemal każdego aspektu naszego życia.

ROZWIĄZYWANIE WYZWAŃ ZWIĄZANYCH Z TRASOWANIEM BGA

BGAs są powszechną metodą pakowania PCB oraz układów scalonych (IC), które mają dużą liczbę pinów lub są wyjątkowo gęste. Projektanci PCB wybierają BGAs, ponieważ mogą one być kosztowo efektywne, jednocześnie zapewniając elastyczność niezbędną do spełnienia wymagań miniaturyzacji i funkcjonalności. Problem pojawia się, gdy liczba pinów wzrasta, a rozstawy stają się mniejsze, co sprawia, że "wyprowadzenie BGA", czyli trasowanie BGA, staje się trudniejsze. Nieefektywne trasowanie może prowadzić do zwiększenia liczby warstw, co z kolei podnosi koszty i może wprowadzać problemy z integralnością sygnału, delaminację oraz problemy z proporcją otworów przelotowych.

Terminy, które warto znać

W szczególności, BGAs z ponad 1500 pinami stanowią unikalne wyzwanie dla trasowania (Rysunek 2). Zazwyczaj trasowanie dzieli się na dwa etapy. Najpierw projektant musi połączyć powierzchniowe pady BGA z wewnętrznymi warstwami PCB – czyli wykonanie fanoutu. Następnie projektant musi połączyć te wewnętrzne otwory przelotowe z resztą komponentów na PCB.

Często samo wytyczanie ścieżek z dużego BGA jest głównym czynnikiem wpływającym na liczbę warstw potrzebnych do routingu. Wykonywane ręcznie, proces wyłamywania BGA może zająć projektantowi układu PCB kilka dni – ale oprogramowanie do projektowania układów PCB może pomóc zautomatyzować ten proces, często redukując czas routingu do zaledwie kilku minut. W ten sposób zaawansowane oprogramowanie do projektowania układów PCB może obniżyć koszty projektowania PCB oraz skrócić czas wprowadzenia na rynek.

Oprócz autoroutingu, High Density Interconnect (HDI) może również pomóc w rozwiązaniu problemów z routingiem BGA. Więcej informacji na temat HDI znajduje się w dalszej części tego dokumentu.

Rysunek 2. Routing dużego BGA może być czasochłonny; narzędzia oprogramowania do projektowania PCB, które oferują pomoc w automatycznym wyłamywaniu BGA, mogą skrócić czas routingu z dni do minut. Zdjęcie dzięki uprzejmości Engenious Designs

Narzędzia oprogramowania do projektowania PCB, które oferują pomoc w automatycznym wyłamywaniu BGA, mogą skrócić czas routingu z dni do minut

CHCESZ, ABY PCB PASOWAŁO GDZIE?

W prostszych, wczesnych czasach elektroniki, PCB zawsze miały ładny, przewidywalny prostokątny kształt. Jednak z nadejściem noszonych urządzeń medycznych i wprowadzeniem elektroniki do niemal każdej wyobrażalnej branży, PCB często muszą mieć kształt okrągły lub jakiś nieregularny, oraz pasować do trudnych przestrzeni (Rysunek 3). Dowodząc, że konieczność jest rzeczywiście matką wynalazku, projektanci układów PCB wymyślili sprytne techniki umieszczania i trasowania – z których najbardziej przydatna nazywa się projektowanie sztywno-elastyczne.

Płyty sztywno-elastyczne to tradycyjne sztywne płyty PCB połączone z elastycznym obwodem drukowanym, który może być złożony w małe przestrzenie lub wprowadzony przez małe otwory. Projektując płytę sztywno-elastyczną, projektanci muszą wziąć pod uwagę kilka obszarów, gdzie mogą pojawić się problemy. Na przykład, zgięcia muszą być precyzyjnie zaprojektowane tak, aby płyty prawidłowo się układały bez wywierania stresu na punkty połączeń, a układ warstw (mapa warstw PCB) musi być zaprojektowany z uwzględnieniem tych zgięć.

Przypominając papierowe lalki, projektanci PCB wcześniej używali modeli papierowych do symulacji i testowania projektów sztywno-elastycznych. Obecnie, najnowocześniejsze oprogramowanie do projektowania układów PCB oferuje trójwymiarowe (3D) modelowanie zespołów sztywno-elastycznych – w tym kształtów niekonwencjonalnych – co umożliwia szybsze projektowanie i znacząco poprawia dokładność.

Rysunek 3. Ta sztywno-elastyczna montażowa płyta obwodu Bluetooth mieści się wewnątrz złącza samokoagulującego skalpela. Z uprzejmości Engenious Designs.

PAKOWANIE WIĘKSZEJ ZŁOŻONOŚCI W MNIEJSZE PRZESTRZENIE

Jak wspomniano wcześniej, autoruting może pomóc zoptymalizować układ PCB i zminimalizować liczbę warstw. Innym sposobem na zwiększenie gęstości na PCB bez zwiększania liczby warstw jest użycie HDI – techniki układu, która wykorzystuje bardzo cienkie ścieżki oraz ślepe i zakopane via oraz mikrovia (Rysunek 4). HDI może zapewnić niższe koszty przy wyższej wydajności, jeśli jest odpowiednio zaprojektowane.(3)

HDI oferuje kilka elastycznych opcji dla topologii trasowania i układu PCB. Jednak podczas gdy HDI rozwiązuje niektóre problemy z trasowaniem i gęstością, stwarza również własny zestaw problemów, w tym następujące (4):

Ograniczona przestrzeń robocza płyty

Mniejsze komponenty i gęstsze rozmieszczenie

Większa liczba komponentów po obu stronach PCB

Dłuższe trasy ścieżek tworzące dłuższe czasy przelotu sygnału

Więcej tras ścieżek wymaganych do ukończenia płyty

Projektanci PCB mogą używać oprogramowania do układu PCB, aby pomóc rozwiązać te problemy i potencjalnie zmniejszyć potrzebną liczbę warstw.

Rysunek 4. Przykład modelu HDI dla dużych, gęstych płyt z wieloma BGA o wysokiej liczbie pinów.

---

OCHRONA PRZED SPADKAMI NAPIĘCIA

Wczesne PCB charakteryzowały się bardzo prostymi maszynami i siecią dystrybucji energii (PDN), składającą się z dużej płaszczyzny masy i komponentów płaszczyzny zasilania na wewnętrznych warstwach. Zalety takiego projektu to niska impedancja ścieżki masy i duża ilość prądu z tej masy miedzi, aby napędzać dowolne potrzeby układu scalonego (IC). Jednak rozwiązanie współczesnych wyzwań układu PCB nie jest takie proste. Często działają one na wielu napięciach, nawet dla tego samego układu scalonego, co wymaga wielu płaszczyzn masy i zasilania. Może to potencjalnie stworzyć szereg problemów, takich jak kwestie termiczne i delaminacji spowodowane zwężeniem płaszczyzny zasilania (co zwiększa gęstość prądu) oraz zakłócenia elektromagnetyczne spowodowane nieciągłościami w płaszczyźnie masy.

Ale co najważniejsze, podział płaszczyzny zasilania skutkuje mniejszą ilością miedzi w płaszczyźnie zasilającej, a co za tym idzie, mniejszą zdolnością do przenoszenia prądu. Podczas przełączania, gdy prąd osiąga swoje maksimum, słaba konstrukcja może nie być w stanie dostarczyć wystarczającej ilości prądu, co skutkuje spadkiem napięcia (nazywanym również spadkiem DC lub spadkiem IR) na układzie scalonym (Rysunek 5). Niewystarczające napięcie może powodować awarie, które w niektórych przypadkach (takich jak aplikacje samochodowe kontrolujące funkcje transmisji, silnika lub hamowania) mogą być katastrofalne. Co komplikuje sprawę, takie spadki napięcia są często przerywane, występując tylko w określonych warunkach przełączania. To sprawia, że są trudne do przetestowania lub zdiagnozowania za pomocą manualnych technik.

Na szczęście, dobra paczka oprogramowania do projektowania PCB może przeprowadzić analizę PDN, czasami nazywaną analizą IR lub symulacją integralności zasilania DC (PI-DC), która weryfikuje, czy płaszczyzny, ścieżki i przelotki na płytce mają wystarczającą wielkość i cechy, aby spełnić wymagania dotyczące zużycia energii przez urządzenia na płytce. Poprzez identyfikację obszarów projektu, które mogą prowadzić do problematycznych spadków napięcia, taka analiza umożliwia projektantom tworzenie niezawodnych, a jednocześnie wydajnych projektów PCB.

Rysunek 5. Mimo że każdy kształt miedziany ma stosunkowo mały opór wynoszący tylko 0,25Ω, spowodowały one spadek napięcia na obciążeniu z 5V do 4,5V.

POPRAWA KOMUNIKACJI I WSPÓŁPRACY

Zbyt często inżynierowie elektrycy i mechanicy pracują w izolacji. Brak komunikacji i współpracy może skutkować projektami, które nie są zakończone w terminie; każde zamówienie zmiany inżynieryjnej (ECO) dodaje czasu i kosztów do rozwoju produktu i tępi konkurencyjną krawędź Twojej firmy. Nawet gdy projekt jest zakończony, komunikowanie tego projektu producentowi może powodować frustrację i nieścisłości – ponownie zwiększając czas i koszty rozwoju.

Najlepsze oprogramowanie do układania PCB rozwiązuje wyzwania integracji ECAD-MCAD, robiąc to następująco:

Bezproblemowo integrując przepływy pracy projektowania mechanicznego z Twoim narzędziem do projektowania elektrycznego

Udostępnianie informacji o zarządzaniu projektem w różnych dziedzinach

Umożliwianie wizualizacji 3D projektu PCB

Wsparcie dla sprawdzania w czasie rzeczywistym odstępów dla komponentów i obudów mechanicznych

Umożliwianie wirtualnych prototypów skomplikowanych elementów projektu, takich jak sekcje sztywno-elastyczne

Funkcje takie jak te zapobiegają przerwom w komunikacji i skutkują projektami, które są zakończone na czas i w budżecie.

Gdy projekt jest zakończony, równie ważne jest, aby oprogramowanie do projektowania układów PCB wspierało tworzenie dokumentacji, która dokładnie informuje producenta, czego oczekujesz. Na przykład, producent musi wiedzieć, jak Twoja płyta PCB i komponenty wpasowują się w ogólny projekt produktu oraz które komponenty muszą mieć pod ręką. Najlepiej osiągnąć to za pomocą wydruków 3D i filmów, które jasno komunikują skomplikowane szczegóły projektu.

WPROWADZANIE PUNKTÓW TESTOWYCH NAWET NA GĘSTYCH UKŁADACH PCB

W miarę jak przestrzeń na PCB kurczy się z powodu zwiększonej gęstości komponentów i miniaturyzacji, stają się one bardziej wrażliwe na jitter, przeplot i zakłócenia elektromagnetyczne. Oznacza to, że testowanie PCB jest ważniejsze niż kiedykolwiek; jednak paradoksalnie oznacza to również, że dostępna przestrzeń na punkty testowe jest minimalizowana. Projektanci układów PCB mogą używać oprogramowania do projektowania PCB, aby „projektować pod kątem testowania”, włączając punkty kontaktowe dla sond latających, dzięki czemu inżynierowie mogą testować układy (Rysunek 6).

Wysokoczęstotliwościowe, gęste układy PCB często utrudniają zarezerwowanie miejsca na płycie dla punktów testowych. Jednak PCB, które nie zapewniają krytycznych punktów dostępu dla produkcji, ryzykują bardzo niskie pokrycie testowe (30 procent lub mniej) i pomijają potrzebne krytyczne testy. Adekwatne pokrycie sondowania testowego powinno być dostępne w 70 do 80 procentach. (5)

Następujące techniki mogą pomóc uzyskać dodatkową przestrzeń na punkty testowe (6):

Zostaw pasek maski lutowniczej na końcu pola lutowniczego komponentu.

Nie pokrywaj całej powierzchni pady via maską lutowniczą.

Używaj tylko odsłoniętej części miedzi, która pozostała otwarta, jako punktu dla sondy testowej.

Eksperymentowanie z tymi technikami ręcznie może zająć sporo czasu. Jednak odpowiednie oprogramowanie do projektowania PCB może pomóc łatwo i szybko zaprojektować układ pod kątem testowania, co skutkuje wyższą jakością projektu i wydajnością PCB.

Rysunek 6. Ważne jest, aby projektować z myślą o testowaniu, zapewniając odpowiednią ilość punktów testowych w układzie PCB.

Ważne jest, aby projektować z myślą o testowaniu, zapewniając odpowiednią ilość punktów testowych w układzie PCB

UTRZYMAJ PRZEWAGĘ KONKURENCYJNĄ, UŻYWAJĄC ZINTEGROWANEGO ZESTAWU OPROGRAMOWANIA DO UKŁADÓW PCB

Dodatkowe korzyści z używania zintegrowanego zestawu oprogramowania do układów PCB to spójny interfejs użytkownika dla projektowania, testowania, zarządzania projektami i współpracy; jedno repozytorium danych, które pomaga zwiększyć dokładność i bezpieczeństwo; oraz zwiększona efektywność wynikająca z wykonywania wszystkich zadań związanych z projektowaniem PCB w jednym, spójnym środowisku.

Pobierz PDF