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PCB小型化:PCB設(shè)計(jì)中面臨的挑戰(zhàn)

PCB打樣 ? 2020-09-04 10:22 ? 次閱讀

“親愛(ài)的,我把孩子們小了。這是電影中的一句臺(tái)詞,但它也可以描述PCB設(shè)計(jì)中正在進(jìn)行的小型化。

雖然PCB面積在很大程度上保持不變,但在過(guò)去十年中,每單位面積的連接數(shù)量增加了兩倍。

組件的平均數(shù)量在15年內(nèi)翻了兩番,而每個(gè)組件的平均連接數(shù)下降了4到5倍。每種設(shè)計(jì)的引腳數(shù)增加了兩倍,引腳對(duì)引腳的連接數(shù)也增加了一倍。

盡管各個(gè)組件和成品越來(lái)越小,但PCB(印刷電路板)布局的密度和復(fù)雜性卻有所增加。總體而言,PCB的日益小型化和復(fù)雜性給開發(fā)人員帶來(lái)了許多挑戰(zhàn),他們負(fù)責(zé)確保所有組件都能配合在一起并平穩(wěn)運(yùn)行。

在一項(xiàng)調(diào)查中,接受調(diào)查的電子公司中有53%表示,不斷增加的PCB復(fù)雜性是他們努力將最具競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品更快,更低成本地推向市場(chǎng)的主要挑戰(zhàn)。以下是一些最常見(jiàn)的PCB布局問(wèn)題領(lǐng)域的概述:

l具有高引腳數(shù)的球柵陣列(BGA)的布線

l適用于不規(guī)則形狀的小型產(chǎn)品的柔性PCB設(shè)計(jì)

l在不增加層數(shù)的情況下增加PCB布局密度

l避免復(fù)雜的多層PCB設(shè)計(jì)中的電壓降

l確保有效的ECAD-MCAD集成并改善與制造商的溝通

l為密集,復(fù)雜的PCB配備足夠的測(cè)試點(diǎn)

如果使用與最新知識(shí)相對(duì)應(yīng)的一致的PCB布局軟件,則可以克服剛才提到的所有挑戰(zhàn)

球柵陣列的布線

BGA是用于PCB和集成電路(IC)的常見(jiàn)外殼設(shè)計(jì),這些PCB和集成電路具有大量連接或封裝非常密集。PCB設(shè)計(jì)人員之所以依賴BGA,是因?yàn)樗鼈円环矫婢哂谐杀拘б妫硪环矫嬗痔峁┝藵M足微型化和功能性要求所需的靈活性。問(wèn)題在于,隨著連接網(wǎng)格越來(lái)越細(xì),引腳數(shù)會(huì)增加。

“ BGA突破”,即引出和路由BGA的連接,變得越來(lái)越困難。然而,低效率的布線可能意味著需要更多的電路板層。較高的成本,潛在的信號(hào)完整性問(wèn)題,分層以及通過(guò)寬高比問(wèn)題是與此相關(guān)的一些潛在問(wèn)題。

具有1500個(gè)以上連接的BGA代表了布線的特殊挑戰(zhàn)。路由通常分為兩個(gè)步驟。首先,設(shè)計(jì)人員必須在表面的BGA焊盤與PCB的內(nèi)層之間形成連接(扇出)。然后,必須將這些內(nèi)層連接到PCB上的其他組件。通常,僅來(lái)自大型BGA的路由就決定了路由所需的層數(shù)。

BGA突破工序是手工完成的,可以使PCB布局設(shè)計(jì)人員忙幾天。PCB布局軟件可以幫助自動(dòng)執(zhí)行此過(guò)程,通常可以將布線時(shí)間減少到幾分鐘。這樣,先進(jìn)的PCB布局軟件可以降低布局成本,并縮短成品時(shí)間。

除了自動(dòng)布線外,HDI技術(shù)(高密度互連)還可以幫助解決BGA布線問(wèn)題。

電路板應(yīng)適應(yīng)最小的空間

早在電子學(xué)的早期,印刷電路板就一直具有美麗,可預(yù)測(cè)的矩形形狀。然而,與此同時(shí),有可穿戴設(shè)備,電子產(chǎn)品已進(jìn)入幾乎所有可能的行業(yè)。因此,PCB必須經(jīng)常為圓形或其他不規(guī)則形狀,并適應(yīng)最小的空間。但是,由于已知必須具有創(chuàng)造性,因此PCB布局設(shè)計(jì)者已經(jīng)開發(fā)了一種巧妙的布局和布線技術(shù),其中最實(shí)用的是剛撓性PCB,即剛撓性電路板。

剛性-柔性-板是傳統(tǒng)的剛性電路板,其通過(guò)柔性電路板彼此連接,因此可以折疊成最小的空間或通過(guò)狹窄的開口插入。在設(shè)計(jì)剛撓PCB時(shí),設(shè)計(jì)人員需要考慮可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題的幾個(gè)區(qū)域。例如,必須精心設(shè)計(jì)彎曲點(diǎn),以使板正確對(duì)齊,而不會(huì)對(duì)連接點(diǎn)施加壓力。設(shè)計(jì)層結(jié)構(gòu)時(shí)還必須考慮這些彎曲點(diǎn)。

過(guò)去,PCB設(shè)計(jì)人員制作紙模型來(lái)模擬和測(cè)試剛?cè)嵩O(shè)計(jì)。另一方面,如今,一流的PCB布局軟件甚至可以對(duì)不規(guī)則形狀的三維柔性剛體組件進(jìn)行三維建模,從而可以更快地設(shè)計(jì)并顯著提高精度

在越來(lái)越少的空間中越來(lái)越復(fù)雜

如前所述,自動(dòng)布線可以幫助優(yōu)化PCB布局并最大程度地減少所需的層數(shù)。在不增加層數(shù)的情況下增加電路板密度的另一種可能性是已經(jīng)提到的HDI布局技術(shù),該技術(shù)使用非常精細(xì)的導(dǎo)體路徑,盲孔,掩埋過(guò)孔和微孔。如果計(jì)劃合理,HDI可以降低成本,提高性能。

HDI具有幾種用于路由拓?fù)浜蚉CB布局的靈活選項(xiàng)。但是,盡管它解決了一些布線和密度問(wèn)題,但它也帶來(lái)了一些自身的問(wèn)題,下面列出了其中的一些問(wèn)題:

l電路板上的工作區(qū)有限

l組件更小,間距更小

l板子兩側(cè)都有更多組件

l較長(zhǎng)的路線增加了信號(hào)傳輸時(shí)間

l需要更多的走線路徑才能完成PCB

PCB設(shè)計(jì)人員可以使用PCB布局軟件來(lái)幫助解決這些問(wèn)題并潛在地減少所需的層數(shù)

避免電壓降

早期的印刷電路板具有非常簡(jiǎn)單的配電網(wǎng)(PDN),該配電網(wǎng)由大接地層和內(nèi)層的電源層組成。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是接地阻抗非常低,而且這種龐大的銅結(jié)構(gòu)可以滿足每個(gè)IC的功率要求。但是現(xiàn)代PCB不再那么簡(jiǎn)單。它們通常使用多個(gè)電壓工作,通常用于一個(gè)和同一IC,因此需要多個(gè)接地和電源表面。這可能會(huì)引起各種問(wèn)題,例如由于電源面積變窄(導(dǎo)致電流密度增加)或電磁干擾而引起的熱量和分層問(wèn)題。

最重要的是,由于電源區(qū)域的細(xì)分,減少了銅的含量,這不可避免地降低了載流能力。如果電流在切換時(shí)達(dá)到峰值,則開發(fā)不足的設(shè)計(jì)可能無(wú)法提供足夠的電流,這可能導(dǎo)致IC兩端的電壓下降。但是,電壓不足會(huì)導(dǎo)致故障,在某些情況下,其后果可能是災(zāi)難性的(例如,在用于變速器,電機(jī)或制動(dòng)功能的控件中)。另外,這種電壓下降的事實(shí)使情況變得復(fù)雜。通常只間歇性地發(fā)生,并且只能在某些開關(guān)狀態(tài)下觀察到。這使得很難使用手動(dòng)方法來(lái)記錄和診斷這些影響。

幸運(yùn)的是,好的PCB布局軟件可以執(zhí)行PDN分析,有時(shí)也稱為IR分析或電源完整性DC模擬(PI-DC)。這可以驗(yàn)證電路板上區(qū)域,導(dǎo)體走線和過(guò)孔的尺寸和屬性是否足以滿足電路板上組件的功耗要求。通過(guò)確定設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)問(wèn)題的電壓降的區(qū)域,此類分析使設(shè)計(jì)人員能夠創(chuàng)建可靠而有效的PCB設(shè)計(jì)。

改善溝通與協(xié)作

電子和機(jī)械設(shè)計(jì)人員經(jīng)常在各自的領(lǐng)域中孤立工作。缺乏溝通和協(xié)作可能意味著設(shè)計(jì)不能按時(shí)完成,因?yàn)槊總€(gè)變更請(qǐng)求都會(huì)增加產(chǎn)品開發(fā)的時(shí)間和成本,并降低公司的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。即使設(shè)計(jì)已經(jīng)完成,將設(shè)計(jì)傳達(dá)給制造商也可能導(dǎo)致挫敗感和不準(zhǔn)確性,再次使開發(fā)變得更加昂貴和耗時(shí)。

因此,在你將PCB設(shè)計(jì)文檔發(fā)給制造商之前,使用華秋DFM軟件進(jìn)行檢測(cè)是一項(xiàng)非常重要的步驟,通過(guò)一鍵檢測(cè)直接分析你的設(shè)計(jì)中所存在的隱患。你可以根據(jù)軟件給出的建議對(duì)你的PCB設(shè)計(jì)進(jìn)行修改,從而避免PCB制造中可能出現(xiàn)的失敗風(fēng)險(xiǎn)并提升你的PCB性能。并且通過(guò)華秋DFM進(jìn)行估價(jià),減少與制造商的溝通成本。

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