Решение современных задач проектирования печатных плат

Прогресс в технологии печатных плат является двуострым мечом. Он увеличил мощность и применимость электроники. Но он также усложнил разработку печатных плат, увеличивая риск удлинения циклов вывода продукта на рынок и повышения стоимости продукции. Дизайнеры могут снизить эти риски, используя единый пакет программного обеспечения для разработки печатных плат, который предоставляет необходимую автоматизацию для быстрого и бюджетного вывода продуктов на рынок.

ВВЕДЕНИЕ

«Дорогая, я уменьшил детей». «Это маленький мир, в конце концов». Эти известные фразы для фанатов Диснея – но они могли бы так же легко описать продолжающееся уменьшение размеров конструкций печатных плат (PCB) (Рисунок 1).

Площадь платы осталась относительно постоянной, в то время как количество выводов на квадратный дюйм утроилось за последние 10 лет.

Среднее количество компонентов увеличилось в четыре раза за 15 лет, в то время как среднее количество выводов на деталь уменьшилось в 4-5 раз.

Количество контактов в конструкции утроилось, а количество соединений контакт-к-контакту удвоилось.

Следовательно, поскольку компоненты и готовые изделия становятся всё меньше, размещение на печатных платах (PCB) становится более плотным и сложным. Вместе с тем, растущая миниатюризация и сложность печатных плат представляют несколько вызовов для дизайнеров печатных плат, которые отвечают за то, чтобы всё разместилось и работало надёжно. В одном исследовании 53 процента респондентов из электронных компаний заявили, что увеличение сложности PCB является их основной проблемой, поскольку они пытаются быстрее и с меньшими затратами вывести на рынок наиболее конкурентоспособный продукт. Некоторые из наиболее распространённых проблем при размещении на печатных платах включают следующее:

Прокладка для микросхем с большим количеством контактов в корпусе типа ball grid array (BGA). Разработка гибких печатных плат, которые подойдут для маленьких продуктов нестандартной формы. Увеличение плотности размещения на печатной плате без увеличения количества слоёв. Избежание падения напряжения в сложных многослойных конструкциях печатных плат. Обеспечение эффективной интеграции ECAD-MCAD и улучшение коммуникации с производителями. Размещение достаточного количества тестовых точек на плотной, сложной печатной плате

Все эти вызовы могут быть преодолены с помощью современного, единого программного комплекса для размещения на печатных платах.

Рисунок 1. От зубных щёток до тостеров, от систем помощи водителю (ADAS) до передового хирургического оборудования, всё более сложные, но маленькие печатные платы являются мозгом практически каждого аспекта нашей жизни.

РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМ С ПРОКЛАДКОЙ BGA

BGA являются распространенным методом упаковки печатных плат (PCB) и интегральных схем (IC), которые имеют большое количество выводов или очень плотно упакованы. Дизайнеры печатных плат выбирают BGA, поскольку они могут быть экономически выгодными, сохраняя при этом необходимую гибкость для удовлетворения требований к миниатюризации и функциональности. Проблема заключается в том, что с увеличением количества выводов и уменьшением шага между ними, "выведение BGA", то есть трассировка BGA, становится более сложной. Неэффективная трассировка может привести к увеличению количества слоев, что, в свою очередь, приводит к увеличению стоимости и может вызвать проблемы с целостностью сигнала, разделение слоев и проблемы с соотношением сторон переходных отверстий.

Термины, которые нужно знать

В частности, BGA с более чем 1500 выводами представляют собой уникальную задачу для трассировки (Рисунок 2). Как правило, трассировка делится на два этапа. Сначала дизайнер должен соединить поверхностные контактные площадки BGA с внутренними слоями печатной платы – то есть выполнить фанаут. Затем дизайнер должен соединить эти внутренние переходные отверстия с остальными компонентами на печатной плате.

Часто просто прокладка маршрутов из большого BGA является основным фактором, определяющим количество слоев, необходимых для маршрутизации. Когда процесс выхода из BGA выполняется вручную, он может занять у дизайнера печатных плат несколько дней – но программное обеспечение для проектирования печатных плат может помочь автоматизировать этот процесс, часто сокращая время маршрутизации до нескольких минут. Таким образом, передовое программное обеспечение для проектирования печатных плат может снизить стоимость разработки печатных плат и также уменьшить время выхода на рынок.

В дополнение к автоматической трассировке, технология высокоплотного интерконнекта (HDI) также может помочь с проблемами маршрутизации BGA. Смотрите обсуждение HDI далее в этой статье для получения дополнительной информации.

Рисунок 2. Маршрутизация большого BGA может быть затратной по времени; инструменты программного обеспечения для проектирования печатных плат, предлагающие автоматизированную помощь в выходе из BGA, могут сократить время маршрутизации с дней до минут. Предоставлено Engenious Designs

Инструменты программного обеспечения для проектирования печатных плат, предлагающие автоматизированную помощь в выходе из BGA, могут сократить время маршрутизации с дней до минут

ВЫ ХОТИТЕ, ЧТОБЫ ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА ПОМЕСТИЛАСЬ ГДЕ?

В более простые, ранние времена электроники, печатные платы (PCB) всегда представляли собой аккуратный, предсказуемый прямоугольник. Но с появлением носимых медицинских устройств и внедрением электроники практически во все мыслимые отрасли, теперь часто требуется, чтобы печатные платы имели круглую или какую-либо неправильную форму и помещались в сложные пространства (Рисунок 3). Доказывая, что необходимость действительно является матерью изобретений, дизайнеры печатных плат разработали умные методы размещения и трассировки – наиболее удобным из которых является так называемый жестко-гибкий дизайн.

Жестко-гибкие платы представляют собой традиционные жесткие печатные платы, соединенные с гибкой печатной схемой, которую можно сложить в маленькие пространства или вставить через маленькие отверстия. При проектировании жестко-гибкой платы дизайнеры должны учитывать несколько областей, где могут возникнуть проблемы. Например, изгибы должны быть точно спроектированы так, чтобы платы правильно выравнивались без создания напряжения на точках соединения, и стек (карта слоев PCB) должен быть спроектирован с учетом этих изгибов.

Напоминая бумажных кукол, ранее дизайнеры печатных плат использовали бумажные модели для симуляции и тестирования жестко-гибких конструкций. В настоящее время передовое программное обеспечение для проектирования печатных плат предоставляет трехмерное (3D) моделирование жестко-гибких сборок – включая нестандартные формы – что позволяет ускорить проектирование и значительно повысить точность.

Рисунок 3. Эта жёстко-гибкая сборка Bluetooth-схемы помещается внутри соединителя самокаутеризующегося скальпеля. Предоставлено Engenious Designs.

УВЕЛИЧЕНИЕ СЛОЖНОСТИ В МЕНЬШИХ ПРОСТРАНСТВАХ

Как было упомянуто ранее, автоматическое трассирование может помочь оптимизировать компоновку печатной платы и минимизировать количество слоёв. Другой способ увеличить плотность на печатной плате без увеличения числа слоёв – использование HDI – техники компоновки, которая использует очень тонкие дорожки и скрытые переходы, зарытые переходы и микропереходы (Рисунок 4). HDI может обеспечить более низкую стоимость при более высокой производительности, если она спроектирована правильно.(3)

HDI предлагает несколько гибких вариантов для топологии трассировки и компоновки печатной платы. Но, хотя HDI решает некоторые проблемы трассировки и плотности, оно создаёт свой собственный набор проблем, включая следующие (4):

Ограниченная рабочая область платы

Меньшие компоненты и более плотное расположение

Большее количество компонентов с обеих сторон печатной платы

Более длинные трассы создают более длинные времена прохождения сигнала

Требуется больше трасс для завершения платы

Дизайнеры печатных плат могут использовать программное обеспечение для компоновки печатных плат, чтобы помочь решить эти проблемы и потенциально сократить необходимое количество слоёв.

Рисунок 4. Пример модели HDI для больших, плотных плат с несколькими BGA с большим количеством контактов.

---

ЗАЩИТА ОТ ПАДЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ

Ранние печатные платы (PCB) имели очень простую конструкцию и сеть распределения питания (PDN), состоящую из большой земляной плоскости и компонентов плоскости питания на внутренних слоях. Преимущества такого дизайна включают в себя низкое сопротивление земляного пути и обильный ток от этой массы меди для питания любой интегральной схемы (IC). Но решение современных задач размещения элементов на печатной плате не так просто. Они часто работают на нескольких напряжениях, даже для одной и той же IC, что требует наличия нескольких земляных и плоскостей питания. Это потенциально создает множество проблем, таких как тепловые и проблемы расслоения, вызванные сужением плоскости питания (что увеличивает плотность тока) и электромагнитные помехи, вызванные разрывами в земляной плоскости.

Но самое главное, разделение питающей плоскости приводит к уменьшению количества меди в плоскости питания, а следовательно, к снижению способности проводить ток. Во время коммутации, когда ток достигает максимума, плохой дизайн может не обеспечить достаточный ток, что приводит к падению напряжения (также называемому DC падением или IR падением) на интегральной схеме (Рисунок 5). Недостаточное напряжение может вызвать сбои в работе, которые в некоторых случаях (например, в автомобильных приложениях, контролирующих функции трансмиссии, двигателя или торможения) могут быть катастрофическими. Чтобы усложнить ситуацию, такие падения напряжения часто бывают прерывистыми, возникая только при определенных условиях коммутации. Это делает их трудными для тестирования или диагностики с помощью ручных методов.

К счастью, хороший комплект программного обеспечения для разработки печатных плат может выполнять анализ PDN, иногда называемый анализом IR или симуляцией целостности питания DC (PI-DC), который проверяет, имеют ли плоскости, дорожки и переходные отверстия на плате достаточный размер и характеристики для удовлетворения требований к потреблению энергии устройств на плате. Определяя участки дизайна, которые могут привести к проблемным падениям напряжения, такой анализ позволяет разработчикам создавать надежные, но эффективные конструкции печатных плат.

Рисунок 5. Несмотря на то, что каждая медная фигура имеет относительно небольшое сопротивление всего 0,25 Ом, они вызвали падение напряжения на нагрузке с 5 В до 4,5 В.

УЛУЧШЕНИЕ КОММУНИКАЦИИ И СОТРУДНИЧЕСТВА

Слишком часто электрические и механические инженеры работают в изоляции друг от друга. Этот недостаток коммуникации и сотрудничества может привести к тому, что проекты не выполняются в срок; каждый приказ об изменении конструкции (ECO) добавляет время и стоимость к разработке продукта и снижает конкурентоспособность вашей компании. И даже когда дизайн завершен, передача этого дизайна производителю может вызвать разочарование и неточности – снова увеличивая время разработки и стоимость.

Лучшее программное обеспечение для размещения печатных плат решает проблемы интеграции ECAD-MCAD, делая следующее:

Бесшовное интегрирование рабочих процессов механического дизайна в ваш инструмент электрического проектирования

Обмен информацией управления проектами между доменами

Включение 3D визуализации дизайна печатной платы

Поддержка проверки наличия свободного пространства в реальном времени для компонентов и механических корпусов

Возможность создания виртуальных прототипов сложных элементов дизайна, таких как жестко-гибкие секции

Такие функции предотвращают сбои в коммуникации и приводят к тому, что дизайны выполняются в срок и в рамках бюджета.

Когда дизайн завершен, не менее важно, чтобы ваш комплект программного обеспечения для разработки печатных плат поддерживал создание документации, которая точно сообщит вашему производителю, что вы хотите. Например, производителю необходимо знать, как ваша печатная плата и компоненты вписываются в общий дизайн продукта и какие компоненты ему нужно иметь в наличии. Это лучше всего достигается с помощью 3D-принтов и видео, которые четко передают сложные детали дизайна.

ВКЛЮЧЕНИЕ ТОЧЕК ДЛЯ ТЕСТИРОВАНИЯ ДАЖЕ НА ПЛОТНЫХ РАСКЛАДКАХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

По мере того как место на печатной плате продолжает уменьшаться из-за увеличения плотности компонентов и миниатюризации, они становятся более чувствительными к джиттеру, перекрестным помехам и электромагнитным помехам. Это означает, что тестирование печатной платы становится важнее, чем когда-либо; однако, ирония заключается в том, что доступное пространство для точек тестирования минимизируется. Дизайнеры раскладок печатных плат могут использовать программное обеспечение для разработки печатных плат, чтобы «разрабатывать с учетом тестирования», включая контактные точки для летающих зондов, чтобы инженеры по тестированию могли проверять схемотехнику (Рисунок 6).

Высокочастотные, плотные раскладки печатных плат часто затрудняют резервирование места на плате для точек тестирования. Но печатные платы, которые не предоставляют производству критические точки доступа, рискуют очень низким охватом тестирования (30 процентов или меньше) и упускают необходимое критическое тестирование. Адекватное покрытие тестированием должно быть доступно на 70 до 80 процентов. (5)

Следующие техники могут помочь освободить дополнительное пространство для тестовых точек (6):

Оставьте полосу защитного лака на конце площадки компонента.

Не покрывайте всю площадку переходного отверстия (виа) защитным лаком.

Используйте только открытую часть меди как точку для тестового щупа.

Экспериментирование с этими техниками вручную может занять довольно много времени. Однако подходящее программное обеспечение для разработки печатных плат может помочь вам легко и быстро спроектировать плату с учетом тестирования, что приведет к более высокому качеству дизайна и производительности печатных плат.

Рисунок 6. Важно проектировать с учетом тестирования, предоставляя достаточное количество тестовых точек на макете печатной платы.

Важно проектировать с учетом тестирования, предоставляя достаточное количество тестовых точек на макете печатной платы.

СОХРАНЯЙТЕ КОНКУРЕНТНОЕ ПРЕИМУЩЕСТВО, ИСПОЛЬЗУЯ ЕДИНУЮ СУИТУ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Дополнительные преимущества использования единой среды программного обеспечения для разработки печатных плат включают в себя единый пользовательский интерфейс для дизайна, тестирования, управления проектами и сотрудничества; единое хранилище данных для повышения точности и безопасности; и повышенная эффективность за счет выполнения всех задач по дизайну печатных плат в единой, согласованной среде.

Загрузить PDF