В сфере современной электроники проектирование интегральных схем (ИС) является основополагающей технологией, играющей ключевую роль в создании огромного множества устройств, которые стали неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. От элегантных смартфонов, которые позволяют нам оставаться на связи с миром, до высокопроизводительных компьютеров, обеспечивающих сложные симуляции и обработку данных, и сложного медицинского оборудования, помогающего диагностировать и лечить заболевания, проектирование ИС является незаметным героем, стоящим за их функциональностью и инновациями.
Эта статья призвана дать исчерпывающее представление о мире проектирования плат интегральных схем. Независимо от того, являетесь ли вы начинающим инженером, стремящимся пробиться в эту область, опытным профессионалом, желающим расширить свои знания, или просто любознательным человеком, интересующимся внутренним устройством электроники, которую мы используем каждый день, вы найдете здесь ценную информацию. Мы углубимся в фундаментальные концепции, пройдемся по сложному жизненному циклу проектирования, разъясним распространенные терминологические неясности и обсудим последние тенденции и перспективы на будущее.
Что такое проектирование печатных плат?
Определение
Проектирование печатных плат, сокращенно IC board design, представляет собой сложный процесс размещения электронных компонентов, в первую очередь интегральных схем, и установления их электрических соединений на печатной плате (PCB). Это проектирование заключается не только в размещении компонентов, но и в создании функциональной электронной системы. Представьте себе, что это архитектурный проект электронных устройств. Так же, как архитектор проектирует здание, учитывая расположение комнат, коридоров и инженерных сетей для обеспечения оптимальной функциональности, разработчик печатных плат IC располагает компоненты, такие как интегральные схемы, резисторы, конденсаторы и индукторы, на печатной плате. Цель состоит в том, чтобы обеспечить беспрепятственную передачу электрических сигналов между компонентами, позволяя устройству выполнять свои функции, будь то смартфон, обрабатывающий сложные алгоритмы, или умные часы, отслеживающие ваши данные о физической форме.
Ключевые компоненты
Интегральные схемы (ИС):
Это сердце и мозг платы IC. IC — это миниатюрная электронная схема, нанесенная на один полупроводниковый чип. Она может содержать миллионы или даже миллиарды транзисторов, конденсаторов и резисторов. Например, в смартфоне центральный процессор (CPU) представляет собой IC, который выполняет все вычислительные задачи, от запуска приложений до обработки протоколов связи. Он действует как центр управления, координируя деятельность всех других компонентов на плате.
Резисторы:
Резисторы используются для управления потоком электрического тока в цепи. Они похожи на диспетчеров движения на плате IC. Оказывая сопротивление, они могут ограничивать количество тока, проходящего через определенную часть цепи. В простой светодиодной цепи на плате IC резистор используется для ограничения тока, протекающего к светодиоду. Без резистора может протекать слишком большой ток, что приведет к перегоранию светодиода.
Конденсаторы:
Конденсаторы способны накапливать и высвобождать электрическую энергию. Они часто используются для фильтрации нежелательных электрических помех в цепи. В блоке питания печатной платы IC конденсаторы используются для сглаживания постоянного напряжения. Они накапливают энергию во время пиков напряжения и высвобождают ее во время провалов, обеспечивая стабильное питание чувствительных компонентов на плате.
Индукторы:
Индукторы представляют собой катушки провода, которые накапливают энергию в магнитном поле при прохождении через них электрического тока. Они обычно используются в цепях для блокирования высокочастотных сигналов, пропуская при этом низкочастотные сигналы. В радиочастотной (РЧ) цепи на плате интегральной схемы индукторы используются для фильтрации нежелательных РЧ-помех, обеспечивая четкость сигналов связи.
Жизненный цикл проектирования печатных плат
Анализ требований
Первым и решающим этапом в проектировании печатных плат является анализ требований. На этом этапе необходимо четко определить функциональные, эксплуатационные, физические и стоимостные характеристики печатной платы. Например, если вы проектируете печатную плату для нового смартфона, вам необходимо учитывать требования к скорости обработки данных (производительности). Для высокопроизводительного смартфона может потребоваться плата, поддерживающая многоядерный процессор с тактовой частотой в несколько гигагерц, чтобы обрабатывать сложные задачи, такие как игры с высоким разрешением и обработка видео в реальном времени.
Здесь важную роль играет исследование рынка. Изучая текущие рыночные тенденции, вы можете понять, какие функции ищут потребители в конкретном продукте. Если растет спрос на более длительный срок службы батареи в носимых устройствах, при проектировании печатной платы IC следует сосредоточиться на компонентах и стратегиях управления питанием, которые могут снизить энергопотребление. Также учитываются требования клиентов. Клиент может иметь определенные ограничения по размеру промышленной платы управления. В таком случае команда разработчиков должна выбрать компоненты и спланировать компоновку таким образом, чтобы она соответствовала этим ограничениям по размеру, но при этом отвечала всем функциональным и эксплуатационным критериям. На основе этих данных команда разработчиков выбирает подходящие компоненты, определяет топологию схемы и интерфейсы модулей. Этот этап закладывает основу для всего процесса проектирования, и любые упущения на этом этапе могут привести к дорогостоящей переделке в дальнейшем.
Эскизный проект
Расположение печатной платы
Маршрутизация
Маршрутизация — это процесс создания медных дорожек для установления электрических соединений между компонентами на печатной плате. Это сложная задача, требующая строгого соблюдения электрических правил и физических ограничений. Контроль целостности сигнала и стабильности питания также являются ключевыми факторами при маршрутизации. Для высокоскоростных сигналов можно изучить передовые методы маршрутизации для высокоскоростных плат ИС, такие как согласование импеданса, минимизация отражений сигнала и уменьшение перекрестных помех.
Электрические правила регулируют такие аспекты, как минимальная ширина дорожки, зазор между дорожками и максимальная длина дорожки. Например, минимальная ширина дорожки может быть определена на основе количества тока, которое должна пропускать дорожка. Трасса, несущая питание, которая должна выдерживать высокий ток, потребует более широкой трассы, чтобы предотвратить перегрев и падение напряжения. Расстояние между трассами важно для предотвращения коротких замыканий. В плотно заселенной плате IC обеспечение достаточного расстояния между соседними трассами имеет решающее значение для надежной работы.
Контроль целостности сигнала и стабильности питания также являются ключевыми факторами при трассировке. Для высокоскоростных сигналов необходимо использовать такие методы, как согласование импеданса, минимизация отражений сигнала и уменьшение перекрестных помех. В зависимости от сложности конструкции могут использоваться различные стратегии трассировки. В простой двухслойной печатной плате трассировка может быть относительно простой, с трассировками на верхнем и нижнем слоях. Однако в многослойной печатной плате, которая часто используется в более сложных конструкциях, трассировка становится более сложной. Конструкторы должны управлять различными слоями сигналов, плоскостями питания и переходными отверстиями (отверстиями, соединяющими различные слои), чтобы обеспечить правильные электрические соединения при оптимизации использования площади печатной платы.
Моделирование и верификация
Перед переходом к этапу производства необходимо тщательно протестировать проект в виртуальной среде с помощью моделирования и верификации. Это помогает выявить и устранить потенциальные проблемы на раннем этапе, что в долгосрочной перспективе позволяет сэкономить время и средства.
Инструменты моделирования используются для анализа различных аспектов конструкции. При электрическом моделировании конструкторы могут анализировать целостность сигнала, целостность питания и электромагнитные помехи. При моделировании целостности сигнала они могут проверять такие проблемы, как затухание сигнала, задержка и отражения. Если высокоскоростной сигнал данных подвергается чрезмерному затуханию или отражениям, это может привести к ошибкам данных в конечном продукте. Тепловые симуляции также имеют решающее значение, особенно для компонентов, которые генерируют значительное количество тепла. Симулируя распределение тепла на плате интегральной схемы, проектировщики могут убедиться, что компоненты не работают при температурах, которые могут ухудшить их производительность или надежность. Механические симуляции могут проводиться для оценки физической нагрузки на плату и ее компоненты, чтобы убедиться, что конструкция может выдерживать вибрации, удары и другие механические воздействия во время использования по назначению.
Проверка правил проектирования (DRC) является важной частью процесса верификации. Эти проверки гарантируют, что конструкция соответствует установленным правилам проектирования, таким как правильная ширина дорожек, зазоры и размеры переходных отверстий. Любые нарушения, обнаруженные во время DRC, должны быть устранены перед продолжением работы. Благодаря тщательному моделированию и верификации конструкции, проектировщики могут быть более уверены в функциональности и надежности конечного продукта — платы интегральной схемы.
Производство и испытания
Заключительным этапом жизненного цикла проектирования печатных плат является производство и тестирование. На этом этапе цифровой проект преобразуется в физический продукт и проходит строгие испытания для обеспечения его качества.
Процесс производства начинается с создания производственных файлов, таких как файлы Gerber. Эти файлы содержат всю информацию, необходимую производителю печатных плат для изготовления платы, включая расположение медных дорожек, расположение переходных отверстий, а также слои паяльной маски и шелкографии. Затем печатная плата проходит несколько этапов обработки, включая создание пленки, травление (удаление ненужной меди с платы), сверление отверстий для компонентов и переходных отверстий, покрытие отверстий гальваническим покрытием для обеспечения их электропроводности, нанесение паяльной маски для предотвращения образования перемычек между дорожками и добавление слоя шелкографии для идентификации компонентов и других маркировок.
После изготовления печатной платы на нее монтируются компоненты. Для большинства современных плат с интегральными схемами это можно сделать с помощью технологии поверхностного монтажа (SMT), при которой компоненты размещаются непосредственно на поверхности платы и припаиваются на месте. Компоненты с сквозными отверстиями, хотя и менее распространенные в современных конструкциях, также используются в некоторых случаях, особенно для более крупных компонентов, требующих большей механической поддержки.
После сборки платы она проходит различные испытания. Проводится электрическое тестирование, чтобы убедиться, что все компоненты функционируют правильно и что на плате нет коротких замыканий или разрывов цепей. Это можно сделать с помощью таких методов, как тестирование летающим зондом, при котором зонд используется для установления контакта с различными точками на плате для измерения электрических параметров. Также очень важное значение имеет функциональное тестирование, в ходе которого плата тестируется на выполнение своих предназначенных функций. Например, плата IC, предназначенная для цифровой камеры, тестируется на способность правильно снимать изображения, обрабатывать их и сохранять данные. Только после прохождения всех этих испытаний плата IC может считаться готовым высококачественным продуктом, готовым к использованию в конечном электронном устройстве.
Основные принципы проектирования печатных плат IC
Целостность сигнала
Целостность сигнала является важным аспектом проектирования печатных плат, особенно в высокоскоростных схемах. Она определяется как способность сигнала проходить по линии передачи без значительных искажений, затухания или помех. Проще говоря, она гарантирует, что электрические сигналы на печатной плате могут точно передавать нужную информацию от источника к месту назначения.
На целостность сигнала могут влиять несколько факторов. Одним из основных виновников является несоответствие импеданса. Когда импеданс источника, линии передачи (например, медной дорожки на печатной плате) и нагрузки не соответствуют друг другу, возникают отражения сигнала. Например, если импеданс дорожки составляет 50 Ом, а импеданс нагрузки — 100 Ом, часть сигнала будет отражаться обратно к источнику. Это отражение может вызвать перерегулирование, недорегулирование и колебания в форме сигнала, как показано на рисунке ниже. Перерегулирование — это когда напряжение сигнала превышает нормальное высокое напряжение, а недорегулирование — когда оно опускается ниже нормального низкого напряжения. Колебания — это колебания сигнала вокруг желаемого уровня. Эти проблемы могут привести к некорректной передаче данных и ненадежной работе схемы.
Еще одним фактором, влияющим на целостность сигнала, является перекрестная интерференция. Перекрестная интерференция возникает, когда электромагнитные поля от одной сигнальной дорожки соединяются с соседней дорожкой, вызывая появление нежелательных сигналов. На плотно заселенной плате интегральной схемы, где дорожки находятся близко друг к другу, перекрестная интерференция может стать серьезной проблемой. Например, в высокоскоростной шине данных, если трасса тактового сигнала проходит слишком близко к трассам сигналов данных, высокочастотные компоненты тактового сигнала могут создавать помехи сигналам данных, вызывая битовые ошибки при передаче данных.
Для поддержания хорошей целостности сигнала разработчики используют несколько методов. Ключевым моментом является контроль импеданса. Этого можно достичь путем тщательного расчета и регулировки ширины медных трасс, расстояния между трассами и толщины слоев печатной платы. В высокоскоростных конструкциях компоненты, согласующие импеданс, такие как резисторы, могут быть добавлены на исходном или нагрузочном концах, чтобы обеспечить согласованность импеданса всего сигнального пути. Например, резистор 50 Ом может быть размещен на нагрузочном конце дорожки с импедансом 50 Ом для предотвращения отражения сигнала.
Также важно минимизировать задержку сигнала. Это можно сделать, сохраняя длину сигнальных дорожек как можно более короткой, особенно для высокоскоростных сигналов. Использование таких методов, как дифференциальная передача сигналов, при которой два комплементарных сигнала передаются по соседним дорожкам, также может помочь уменьшить влияние шума и помех, улучшая целостность сигнала. В высокоскоростном интерфейсе последовательной связи дифференциальная передача сигналов часто используется для передачи данных на большие расстояния с высокой надежностью.
Целостность питания
Целостность питания имеет важное значение для правильного функционирования платы интегральной схемы, поскольку она обеспечивает стабильное и чистое питание всех компонентов на плате. В современных электронных устройствах, особенно в тех, которые содержат высокоскоростные и высокомощные компоненты, поддержание целостности питания становится все более сложной задачей.
Важность целостности питания можно увидеть в ее влиянии на производительность компонентов. Например, в высокопроизводительном микропроцессоре даже небольшие колебания напряжения питания могут привести к ошибкам в обработке данных, снижению тактовой частоты или даже сбоям в системе. Стабильное питание также имеет решающее значение для правильной работы чувствительных аналоговых компонентов. В схеме аудиоусилителя шумы питания могут вызывать нежелательный гул или искажения в аудиовыходе.
Одним из основных аспектов целостности питания является проектирование надежной сети распределения питания (PDN). Это включает в себя создание сети плоскостей питания (таких как плоскости VCC и GND в печатной плате) и соединительных дорожек, которые могут эффективно подавать питание на все компоненты на плате. PDN должна быть спроектирована так, чтобы иметь низкий импеданс, особенно на высоких частотах, для минимизации падений напряжения и потерь мощности. Например, использование нескольких плоскостей питания и добавление переходных отверстий для соединения разных слоев может помочь уменьшить сопротивление и индуктивность в пути подачи питания.
Еще одной важной задачей является снижение шума питания и колебаний напряжения. Шум питания может быть вызван различными факторами, такими как переключение компонентов с высоким энергопотреблением, например преобразователей постоянного тока в постоянный, или одновременное переключение нескольких цифровых компонентов. Для уменьшения шума питания разработчики используют такие методы, как добавление развязывающих конденсаторов. Развязывающие конденсаторы действуют как локальные резервуары энергии, обеспечивая дополнительный ток при внезапном увеличении потребления энергии компонентом. Небольшие керамические конденсаторы (в диапазоне пикофарад) обычно размещаются очень близко к выводам питания компонентов для фильтрации высокочастотных помех, а более крупные электролитические конденсаторы (в диапазоне микрофарад) используются для устранения низкочастотных колебаний питания.
Кроме того, для обеспечения целостности питания необходимо правильное заземление. Хорошая заземляющая плоскость служит эталоном для источника питания и помогает уменьшить электромагнитные помехи. Она также обеспечивает низкоимпедансный путь для обратного тока, что имеет решающее значение для поддержания стабильной подачи питания. Применяя эти стратегии, разработчики могут обеспечить надежное питание платы интегральной схемы, что позволяет всем компонентам работать с оптимальной производительностью.
Управление тепловым режимом
Управление тепловым режимом является важным фактором при проектировании печатных плат, поскольку компоненты выделяют тепло во время работы, а чрезмерное нагревание может привести к снижению производительности, сокращению срока службы и даже выходу компонентов из строя. В современных электронных устройствах, которые становятся все более компактными и мощными, эффективное управление тепловым режимом становится все более сложной задачей.
Такие компоненты, как высокомощные интегральные схемы, силовые транзисторы и высокопроизводительные процессоры, генерируют значительное количество тепла. Например, высокопроизводительный графический процессор (GPU) в игровом компьютере может рассеивать несколько сотен ватт энергии в виде тепла. Если это тепло не регулируется должным образом, температура компонентов может подняться до уровня, при котором изменяются электрические характеристики полупроводниковых материалов, что приводит к увеличению сопротивления, снижению подвижности носителей заряда и, в конечном итоге, к снижению производительности компонента.
Для предотвращения перегрева используются несколько методов управления тепловым режимом. Первым шагом является стратегическое размещение компонентов. Компоненты, которые генерируют много тепла, должны размещаться в местах с хорошей вентиляцией или рядом с радиаторами. Радиаторы — это металлические конструкции с ребрами, которые увеличивают площадь поверхности, доступную для отвода тепла. Они часто изготавливаются из материалов с высокой теплопроводностью, таких как алюминий или медь. Например, в материнской плате компьютера процессор обычно размещается рядом с большим радиатором, а между процессором и радиатором наносится термопаста для улучшения теплового контакта.
Использование тепловых перемычек — еще один эффективный метод. Тепловые перемычки — это отверстия в печатной плате, заполненные проводящим материалом, таким как медь. Они соединяют разные слои печатной платы и помогают переносить тепло от компонентов одного слоя к другим слоям, где оно может рассеиваться более эффективно. В многослойной печатной плате тепловые перемычки могут создавать тепловой путь, который позволяет теплу распространяться по всей плате, снижая температурный градиент и предотвращая появление горячих точек.
Медные заливки также используются для управления тепловым режимом. Медная заливка — это область из твердой меди на печатной плате, которая может действовать как тепловой рассеиватель. Увеличивая количество меди на плате, можно отвести больше тепла от компонентов. Медь имеет высокую теплопроводность, что делает ее идеальным материалом для рассеивания тепла. Кроме того, правильная вентиляция и использование вентиляторов могут помочь в отводе тепла от платы интегральной схемы. В корпусе сервера часто используются несколько вентиляторов для циркуляции воздуха и охлаждения компонентов.
Электромагнитная совместимость (ЭМС)
Электромагнитная совместимость (ЭМС) означает способность печатной платы правильно функционировать в предполагаемой электромагнитной среде, не вызывая и не подвергаясь воздействию электромагнитных помех (ЭМП). В современном мире, характеризующемся высокой степенью взаимосвязанности и плотностью электронных устройств, ЭМС стала критически важным аспектом проектирования печатных плат. Для получения более подробных рекомендаций по обеспечению соответствия ЭМС в сложных схемах печатных плат проектировщики могут использовать несколько конструктивных мер.
Если печатная плата не соответствует требованиям ЭМС, это может вызвать ряд проблем. Например, она может создавать помехи для других электронных устройств, находящихся поблизости. В автомобиле, если печатная плата в информационно-развлекательной системе не имеет надлежащего дизайна EMC, она может создавать помехи радиоприемнику, вызывая статические помехи или искажения в звуке. С другой стороны, печатная плата также может подвергаться воздействию внешних источников электромагнитных помех, таких как радиочастотные сигналы от мобильных телефонов или электромагнитные поля, генерируемые линиями электропередачи. Это может привести к неисправностям печатной платы, таким как неверная обработка данных, ложное срабатывание компонентов или даже сбои системы.
Для обеспечения ЭМС можно принять ряд конструктивных мер. Одним из наиболее распространенных методов является экранирование. Экранирование заключается в размещении печатной платы или чувствительных компонентов в проводящем корпусе, например, в металлическом ящике или пластиковом корпусе с металлическим покрытием. Экранирующий материал действует как барьер, блокирующий проникновение электромагнитных волн в закрытое пространство или их выход из него. Например, в высокочастотном коммуникационном модуле печатная плата часто экранируется для предотвращения помех от внешних радиочастотных сигналов.
Правильное заземление также имеет решающее значение для ЭМС. Хорошее заземление обеспечивает низкоимпедансный путь для возврата электромагнитных токов, снижая вероятность электромагнитного излучения. Оно также помогает предотвратить накопление статического заряда, который может вызвать электростатический разряд (ESD). ESD может повредить компоненты на плате IC, особенно чувствительные полупроводниковые устройства. Кроме того, для удаления нежелательных электромагнитных сигналов можно использовать фильтрацию. Фильтры — это электронные компоненты, такие как конденсаторы и индукторы, которые предназначены для блокирования или ослабления определенных частот электромагнитных волн. Например, фильтр низких частот можно использовать для блокирования проникновения высокочастотных помех в линии питания платы IC.
Проектирование с учетом технологичности (DFM)
Проектирование с учетом технологичности (DFM) — это подход, при котором на этапе проектирования печатной платы интегральной схемы уделяется особое внимание производственному процессу и возможностям производства. Это очень важно, поскольку может существенно повлиять на стоимость, качество и эффективность производства конечного продукта.
Несоблюдение принципов DFM может привести к различным проблемам в процессе производства. Например, если ширина дорожек на печатной плате слишком мала, производственному оборудованию может быть сложно точно протравить медные дорожки, что приведет к размыканию цепей или неравномерной ширине дорожек. Аналогично, если зазор между компонентами слишком мал, это может вызвать проблемы во время процесса пайки, такие как паяные мостики между соседними компонентами. Эти производственные дефекты могут увеличить стоимость производства, поскольку дефектные платы необходимо переделывать или выбрасывать. Они также могут привести к проблемам с надежностью конечного продукта.
Для реализации DFM проектировщики должны соблюдать производственные допуски. Это означает, что все параметры конструкции, такие как ширина дорожек, размер отверстий и расстояние между компонентами, должны находиться в допустимом диапазоне, указанном производителем. Например, если производитель устанавливает минимальный допуск по ширине дорожек в 0,1 мм, проектировщик должен обеспечить, чтобы все дорожки имели ширину не менее 0,1 мм, чтобы избежать сложностей при производстве.
Оптимизация размещения компонентов — еще один важный аспект DFM. Компоненты должны быть размещены таким образом, чтобы оптимизировать производственный процесс. Например, размещение компонентов в виде сетки может упростить автоматизированным машинам для подбора и размещения компонентов точное размещение компонентов на печатной плате. Кроме того, компоненты, которые часто используются или могут быть заменены, должны быть размещены в легкодоступных местах.
Выбор правильного производственного процесса также имеет решающее значение. Различные производственные процессы имеют разные возможности и ограничения. Например, технология поверхностного монтажа (SMT) более подходит для производства с высокой плотностью и большим объемом, поскольку она позволяет использовать компоненты меньшего размера и ускорить сборку. С другой стороны, технология сквозных отверстий может быть более подходящей для компонентов, требующих механической поддержки, или для приложений, в которых плата должна быть более прочной. Учитывая эти факторы на этапе проектирования, разработчики могут обеспечить эффективное и экономичное производство печатных плат, что приведет к получению высококачественного конечного продукта.
Необходимые инструменты для проектирования печатных плат
Программное обеспечение для автоматизации проектирования электронных устройств (EDA)
Программное обеспечение для автоматизации электронного проектирования (EDA) является основой современного проектирования печатных плат и играет незаменимую роль на протяжении всего процесса проектирования. Эти мощные инструменты революционизировали подход инженеров к проектированию печатных плат, заменив ручные и трудоемкие методы проектирования высокоэффективными цифровыми рабочими процессами. Чтобы узнать больше о выборе подходящих инструментов для вашего проекта, рассмотрите возможность выбора подходящего программного обеспечения EDA с учетом ваших конкретных потребностей. Вот некоторые из наиболее часто используемых в отрасли программ EDA: Altium Designer, Cadence Allegro, OrCAD и KiCad.
Altium Designer:
Altium Designer — это комплексное и высокоинтегрированное программное обеспечение для автоматизированного проектирования электроники, которое приобрело широкую популярность среди инженеров. Оно предлагает унифицированную среду проектирования, которая плавно интегрирует схематическое проектирование, компоновку печатных плат и анализ целостности сигнала. Такая интеграция позволяет проектировщикам легко переключаться между различными этапами проектирования, обеспечивая плавный и эффективный процесс проектирования. Например, при внесении изменений в схему компоновка печатной платы автоматически обновляется, что снижает риск ошибок и экономит время.
Altium Designer также может похвастаться обширной и настраиваемой пользователем библиотекой компонентов, предоставляющей проектировщикам доступ к широкому спектру электронных компонентов. Эта библиотека может быть дополнительно расширена за счет импорта компонентов, созданных пользователями, или сторонних библиотек, что дает проектировщикам гибкость в работе с компонентами, необходимыми для их конкретных проектов. Кроме того, его расширенные возможности 3D-проектирования позволяют проектировщикам визуализировать физическую компоновку печатной платы в трех измерениях, помогая им выявлять потенциальные проблемы, связанные с размещением компонентов и механическими помехами, на ранних этапах процесса проектирования.
Темп Allegro:
Cadence Allegro — это профессиональное программное обеспечение EDA, известное своими исключительными возможностями в области проектирования сложных и высокотехнологичных печатных плат. Оно особенно хорошо подходит для проектов, связанных с высокоскоростными сигналами, таких как высокопроизводительные вычисления, телекоммуникации и аэрокосмические приложения. Allegro предлагает передовые методы трассировки, включая трассировку дифференциальных пар и трассировку с контролем импеданса, которые имеют решающее значение для обеспечения целостности сигнала в высокоскоростных схемах.
Его мощная система управления ограничениями позволяет проектировщикам определять и применять строгие электрические, физические и тепловые ограничения, гарантируя, что конечный проект соответствует всем требуемым спецификациям. Кроме того, Cadence Allegro превосходит другие программы в области совместного проектирования, позволяя нескольким проектировщикам работать над одним проектом одновременно. Эта функция необходима для крупномасштабных проектов, где командная работа и эффективная коммуникация являются ключом к успеху.
OrCAD:
OrCAD — широко используемое программное обеспечение EDA, известное своими мощными возможностями моделирования и удобным интерфейсом. Оно предоставляет комплексный набор инструментов для проектирования, моделирования и анализа схем. На этапе проектирования схем OrCAD предлагает широкий выбор компонентов и символов, что упрощает создание точных и подробных схем. Особенно впечатляют возможности моделирования, которые позволяют проектировщикам моделировать поведение схем в различных условиях.
Например, они могут выполнять анализ переменного тока, анализ постоянного тока, анализ переходных процессов и многое другое для оценки производительности своих проектов. Это помогает выявить потенциальные проблемы и оптимизировать проектирование схем перед переходом к этапу компоновки печатных плат. OrCAD также имеет тесную интеграцию с другими инструментами Cadence, обеспечивая бесперебойный рабочий процесс для проектировщиков, которым требуется более комплексное решение для проектирования.
KiCad:
KiCad — это программное обеспечение EDA с открытым исходным кодом, которое в последние годы приобрело значительную популярность, особенно среди любителей, студентов и мелких разработчиков. Одной из его наиболее привлекательных особенностей является полная бесплатность, что делает его доступным вариантом для тех, кто имеет ограниченный бюджет. Несмотря на то, что KiCad является программным обеспечением с открытым исходным кодом, оно предлагает комплексный набор функций, которые могут удовлетворить потребности многих проектов по разработке печатных плат. Оно включает в себя редактор схем, редактор макетов печатных плат и возможности 3D-просмотра.
Программное обеспечение имеет растущее и активное сообщество, которое вносит вклад в его развитие и предоставляет поддержку пользователям. Эта модель развития, основанная на сообществе, гарантирует, что KiCad постоянно развивается, и регулярно добавляются новые функции и улучшения. Пользователи также могут воспользоваться общими знаниями и опытом сообщества, получив доступ к учебным материалам, форумам и библиотекам, созданным пользователями, чтобы улучшить свой процесс проектирования.
Другие инструменты
Помимо программного обеспечения EDA, для проектирования и тестирования плат интегральных схем необходимы несколько других инструментов. Эти инструменты помогают инженерам проверять функциональность и производительность своих проектов, выявлять и устранять проблемы, а также обеспечивать соответствие конечного продукта требуемым стандартам.
Осциллографы:
Осциллографы являются основными инструментами в области электроники для наблюдения и анализа электрических сигналов. Они отображают форму напряжения электрического сигнала во времени, позволяя инженерам измерять различные параметры, такие как амплитуда, частота и фаза. При проектировании печатных плат осциллографы используются для отладки схем, проверки целостности сигналов и анализа характеристик компонентов. Например, при тестировании высокоскоростного последовательного интерфейса на печатной плате осциллограф можно использовать для измерения времени нарастания и спада сигнала, джиттера и уровней сигнала. Эта информация имеет решающее значение для обеспечения работы интерфейса в пределах заданных параметров и точной передачи данных.
Логические анализаторы:
Логические анализаторы — это специализированные инструменты для захвата и анализа цифровых сигналов. Они могут одновременно захватывать несколько цифровых сигналов и отображать их в логическом формате, что упрощает анализ временных взаимосвязей между различными сигналами. При проектировании печатных плат логические анализаторы часто используются для отладки цифровых схем, таких как микроконтроллеры, ПЛИС и цифровые интерфейсы связи. Например, при разработке нового прошивка для системы на базе микроконтроллера на печатной плате логический анализатор можно использовать для мониторинга связи между микроконтроллером и другими компонентами, такими как датчики или микросхемы памяти. Это помогает выявлять такие проблемы, как неверная передача данных, ошибки синхронизации и конфликты шины.
Тепловизионные камеры:
Тепловизоры — это устройства, которые обнаруживают инфракрасное излучение и преобразуют его в видимое изображение, позволяя пользователям визуализировать распределение температуры объекта или поверхности. При проектировании печатных плат тепловизоры используются для анализа тепловых характеристик компонентов и всей платы в целом. Они могут помочь в выявлении перегревающихся компонентов, обнаружении горячих точек на печатной плате и оценке эффективности решений по управлению тепловым режимом. Например, в высокомощной печатной плате тепловизионная камера может использоваться для проверки эффективности отвода тепла от компонентов радиаторами. Если компонент работает при температуре, превышающей ожидаемую, это может привести к снижению производительности или даже к выходу из строя, и тепловизионная камера может помочь в точном определении источника проблемы.
Сравнение: проектирование печатных плат и систем в корпусе (SiP)
Определения
Как мы уже подробно рассмотрели, проектирование печатных плат — это процесс размещения компонентов на печатной плате с целью создания функциональной электронной системы. Основное внимание уделяется расположению и соединению различных компонентов, причем центральную роль играют интегральные схемы.
Система в корпусе (SiP), с другой стороны, представляет собой передовую технологию упаковки. Она объединяет несколько интегральных схем (IC) и их вспомогательные пассивные компоненты, такие как резисторы, конденсаторы и индукторы, в один компактный корпус. Вместо того, чтобы размещать отдельные компоненты на печатной плате, SiP объединяет их в одном корпусе микросхемы. Например, в умных часах SiP может объединять микроконтроллер, чип Bluetooth и микросхему управления питанием, а также некоторые пассивные компоненты в одном небольшом корпусе. Такая интеграция позволяет создать более компактное и эффективное решение по сравнению с традиционной конструкцией печатной платы, где эти компоненты размещаются отдельно на печатной плате.
Преимущества и недостатки
Преимущества SiP:
- Высокая степень интеграции: SiP может интегрировать несколько чипов с различными функциями, что значительно уменьшает общий размер и сложность электронной системы. Например, в смартфоне интеграция аудиоусилителя, блока управления питанием и некоторых чипов обработки сигналов в SiP может освободить большое количество места на основной печатной плате, что позволяет создавать более тонкие устройства.
- Улучшенная производительность: благодаря более коротким сигнальным путям между интегрированными чипами SiP может обеспечить лучшую электрическую производительность. Сигналы могут передаваться быстрее и с меньшими помехами, что имеет решающее значение для высокоскоростных приложений. В высокопроизводительных вычислениях SiP может обеспечить более быструю передачу данных между различными компонентами внутри корпуса, повышая общую скорость системы.
- Более быстрый вывод на рынок: поскольку SiP упрощает общую конструкцию системы, предоставляя единый, предварительно интегрированный модуль, он может сократить время разработки конечного продукта. Компании могут быстро интегрировать SiP в конструкцию своих продуктов, не тратя много времени на сложную компоновку печатных плат и интеграцию компонентов.
Недостатки SiP:
- Более высокая стоимость: Процесс производства SiP более сложен и включает в себя такие передовые технологии, как укладка матриц, склеивание флип-чипов и проволочное склеивание. Эта сложность приводит к более высоким производственным затратам. Для мелкосерийного производства или приложений, чувствительных к стоимости, стоимость SiP может быть сдерживающим фактором.
- Ограниченная гибкость дизайна: после интеграции компонентов в SiP становится сложно вносить изменения в отдельные компоненты. Если какой-либо компонент в SiP необходимо обновить или заменить, может потребоваться перепроектирование всего SiP, что может быть трудоемким и дорогостоящим.
Преимущества проектирования печатных плат:
- Гибкость: Конструкция печатной платы IC обеспечивает высокую гибкость. Разработчики могут выбирать из широкого спектра компонентов и легко вносить изменения в конструкцию в процессе разработки. Например, если на рынке появляется новый компонент, его можно легко интегрировать в конструкцию печатной платы IC без серьезных переделок.
- Экономичность при мелкосерийном производстве: для мелкосерийных или изготовленных на заказ продуктов конструкция печатных плат может быть более экономичной. Стоимость изготовления печатной платы на заказ относительно ниже по сравнению с крупносерийным производством, необходимым для SiP.
Недостатки конструкции печатной платы:
- Больший размер: как правило, конструкции плат IC имеют больший размер по сравнению с решениями на основе SiP. Раздельное размещение компонентов на печатной плате занимает больше места, что может не подходить для приложений, в которых миниатюризация является ключевым требованием, например, в носимых устройствах.
- Сложность конструкций с высокой плотностью: по мере увеличения количества компонентов и сложности схемы конструкция печатных плат с интегральными схемами может стать очень сложной задачей. Управление целостностью сигнала, распределением питания и тепловым режимом в печатных платах с высокой плотностью может быть затруднительным и требует передовых технологий проектирования.
Сценарии применения
- Применение SiP:
- Носимые устройства: SiP широко используется в умных часах, фитнес-трекерах и наушниках. Эти устройства требуют высокой степени миниатюризации, и SiP может удовлетворить это требование, интегрируя несколько функций в небольшой корпус. Например, умные часы должны иметь микроконтроллер, модуль Bluetooth, интерфейс датчика сердечного ритма и систему управления питанием, и все это в компактном корпусе. SiP может интегрировать эти компоненты, обеспечивая элегантный и легкий дизайн.
- Устройства связи 5G: Устройства 5G требуют высокоскоростной передачи данных и низкой задержки. SiP может интегрировать несколько коммуникационных чипов, таких как РЧ-трансиверы, усилители мощности и процессоры основной полосы, для достижения лучшей производительности. В смартфонах 5G SiP помогает уменьшить размер коммуникационного модуля, одновременно улучшая его производительность.
- Носимые устройства: SiP широко используется в умных часах, фитнес-трекерах и наушниках. Эти устройства требуют высокой степени миниатюризации, и SiP может удовлетворить это требование, интегрируя несколько функций в небольшой корпус. Например, умные часы должны иметь микроконтроллер, модуль Bluetooth, интерфейс датчика сердечного ритма и систему управления питанием, и все это в компактном корпусе. SiP может интегрировать эти компоненты, обеспечивая элегантный и легкий дизайн.
- Применение плат IC:
- Промышленные системы управления: Промышленные системы управления часто требуют высокой степени настройки и гибкости. Проектирование плат IC позволяет инженерам выбирать компоненты в соответствии с конкретными требованиями системы. Например, в системе автоматизации завода плата IC может быть спроектирована для взаимодействия с различными типами датчиков, исполнительных механизмов и протоколов связи. Возможность легко вносить изменения в проект также делает его подходящим для промышленных применений, где система может потребовать обновления или модификации с течением времени.
- Прототипирование и мелкосерийное производство: При разработке нового продукта на начальных этапах или для мелкосерийного производства проектирование IC-плат является экономически эффективным выбором. Стартапы или исследовательские институты могут быстро создать прототип, используя методы проектирования IC-плат, без необходимости инвестировать в дорогостоящие производственные процессы, требуемые для SiP.
- Промышленные системы управления: Промышленные системы управления часто требуют высокой степени настройки и гибкости. Проектирование плат IC позволяет инженерам выбирать компоненты в соответствии с конкретными требованиями системы. Например, в системе автоматизации завода плата IC может быть спроектирована для взаимодействия с различными типами датчиков, исполнительных механизмов и протоколов связи. Возможность легко вносить изменения в проект также делает его подходящим для промышленных применений, где система может потребовать обновления или модификации с течением времени.
Примеры из практики
Пример 1: Проектирование высокоскоростной печатной платы для сервера центра обработки данных
В мире центров обработки данных высокоскоростная разработка печатных плат имеет решающее значение для обеспечения эффективной работы серверов. Один из таких случаев касался ведущего производителя оборудования для центров обработки данных, который разрабатывал серверы нового поколения для удовлетворения постоянно растущих потребностей в обработке и хранении данных.
- Целостность высокоскоростного сигнала: сервер был разработан для обработки высокоскоростной передачи данных, с шинами данных, работающими на скорости до 10 Гбит/с. Обеспечение целостности сигнала при таких высоких скоростях было серьезной проблемой. Длинные сигнальные трассы на крупногабаритной печатной плате, а также наличие множества компонентов и переходных отверстий могли вызвать затухание сигнала, отражения и перекрестные помехи.
- Управление питанием: высокопроизводительные компоненты сервера, такие как многоядерные процессоры и модули памяти большой емкости, требовали значительного количества энергии. Было необходимо спроектировать сеть распределения питания, которая могла бы обеспечивать стабильное питание всех компонентов при минимальных потерях энергии и колебаниях напряжения.
- Управление тепловыделением: При непрерывной работе высокомощных компонентов тепловыделение было серьезной проблемой. В условиях центра обработки данных, где часто несколько серверов расположены в непосредственной близости друг от друга, проблема тепловыделения усугубляется.
- Целостность сигнала: команда разработчиков использовала передовые инструменты EDA для моделирования поведения сигнала на плате интегральной схемы. Они тщательно рассчитали и отрегулировали импеданс сигнальных трасс, обеспечив их правильное согласование с источником и нагрузкой. Например, они использовали микрополосковые и полосковые трассы с контролируемым импедансом. Чтобы уменьшить перекрестные помехи, они увеличили расстояние между критическими сигнальными трассами и использовали заземляющие плоскости в качестве экранов. Они также оптимизировали расположение компонентов и переходных отверстий, чтобы минимизировать длину сигнального пути.
- Управление питанием: была разработана многослойная сеть распределения питания с выделенными плоскостями питания для разных уровней напряжения. Развязывающие конденсаторы были стратегически размещены рядом с выводами питания компонентов для фильтрации высокочастотных помех питания. Кроме того, команда разработчиков реализовала механизм последовательного включения питания, чтобы обеспечить правильный порядок подачи питания на компоненты и предотвратить проблемы, связанные с питанием, во время запуска.
- Управление тепловым режимом: Плата ИС была спроектирована с большим количеством тепловых переходных отверстий для отвода тепла от компонентов к различным слоям печатной платы. На критически важных компонентах, таких как процессоры и модули памяти, были установлены высокоэффективные радиаторы. Система охлаждения центра обработки данных также была оптимизирована за счет улучшения циркуляции воздуха и контроля температуры.
- Производительность: новый сервер продемонстрировал значительное улучшение скорости обработки данных. Высокоскоростная передача данных была надежной, с низким уровнем битовых ошибок. Сервер был способен обрабатывать большое количество одновременных запросов данных, удовлетворяя требования современных приложений с интенсивным использованием данных, таких как аналитика больших данных и облачные вычисления.
- Надежность: система управления питанием сервера обеспечила стабильную работу с минимальным количеством сбоев, связанных с питанием. Эффективное управление тепловым режимом снизило рабочую температуру компонентов, увеличив их срок службы и надежность. Среднее время между отказами (MTBF) сервера было значительно увеличено, что снизило потребность в обслуживании и время простоя в центре обработки данных.
Пример 2: Миниатюрная плата интегральной схемы для носимого устройства
Проблемы:
- Миниатюризация: цель состояла в создании элегантных и легких умных часов. Для этого необходимо было разместить все необходимые компоненты, включая микроконтроллер, модуль Bluetooth, датчик сердечного ритма и блок управления питанием, на небольшой печатной плате. Задача состояла в том, чтобы найти способ уменьшить размер платы без ущерба для функциональности.
- Энергоэффективность: носимые устройства работают от батарей, и пользователи ожидают от них длительного срока службы. Компоненты на плате IC должны были быть энергоэффективными, а общее энергопотребление платы должно было быть минимальным.
- Интеграция датчиков: в умные часы необходимо было интегрировать несколько датчиков, таких как акселерометр, гироскоп и датчик сердечного ритма. Обеспечение точной работы этих датчиков и эффективной связи с другими компонентами на плате было сложной задачей.
- Миниатюризация: команда разработчиков использовала передовые технологии упаковки, такие как System-in-Package (SiP) и Chip-Scale Packaging (CSP). Технология SiP позволила им интегрировать несколько компонентов, таких как микроконтроллер и модуль Bluetooth, в один компактный корпус. Они также оптимизировали компоновку печатной платы, используя технологию высокоплотного соединения (HDI) в миниатюрном дизайне печатной платы, чтобы увеличить плотность проводки и уменьшить размер платы.
- Энергоэффективность: для печатной платы были выбраны компоненты с низким энергопотреблением. Например, был выбран микроконтроллер с низким энергопотреблением, который мог работать в различных режимах энергосбережения. Блок управления питанием был разработан для эффективного управления питанием всех компонентов, снижая энергопотребление в периоды простоя. Был реализован интеллектуальный механизм включения/выключения питания, чтобы компоненты получали питание только при необходимости.
- Интеграция датчиков: команда разработчиков использовала комбинацию аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и схем подготовки сигналов для соединения датчиков с микроконтроллером. Они также разработали специальную прошивку для управления сбором и обработкой данных с датчиков. Для уменьшения помех между датчиками и другими компонентами были использованы надлежащие методы экранирования и заземления.
- Компактный дизайн: новые умные часы были значительно меньше и легче своих предшественников. Изящный дизайн сделал их более удобными для ношения, а также придал им более привлекательный внешний вид.
- Длительный срок службы батареи: энергоэффективная конструкция платы IC обеспечила более длительный срок службы батареи. Теперь пользователи могли использовать смарт-часы в течение нескольких дней без подзарядки, что улучшило общее впечатление от использования.
- Точные данные датчиков: встроенные датчики предоставляли точные данные для различных функций, таких как отслеживание физической формы и мониторинг активности. Умные часы могли точно измерять частоту сердечных сокращений, количество шагов и режим сна, оправдывая ожидания пользователей, заботящихся о своей физической форме.
Будущие тенденции в проектировании плат интегральных схем
Роль ИИ в EDA
Передовые технологии упаковки
Разработка передовых технологий упаковки постоянно развивается, и они оказывают глубокое влияние на дизайн плат интегральных схем. Эти технологии позволяют создавать более компактные, мощные и эффективные платы интегральных схем, которые необходимы для разработки современных электронных устройств. Одной из наиболее перспективных передовых технологий упаковки является 3D-упаковка. Фан-аут упаковка — еще одна передовая технология, которая набирает популярность.
Разработка гибких и растяжимых печатных плат
Заключение
Проектирование печатных плат является основой современной электроники и влияет на все аспекты устройств, которые мы используем ежедневно. Каждый этап жизненного цикла проектирования, от первоначального анализа требований до окончательного производства и тестирования, имеет решающее значение. Понимание таких фундаментальных принципов, как целостность сигнала, целостность питания, управление тепловым режимом, ЭМС и DFM, необходимо для создания высокопроизводительных и надежных печатных плат.
Инструменты, используемые в этой области, особенно программное обеспечение EDA, эволюционировали, чтобы поддерживать сложные процессы проектирования. Сравнение проектирования плат интегральных схем с SiP показывает различные подходы к проектированию, каждый из которых имеет свои преимущества и сценарии применения. Примеры из практики демонстрируют, как в проектировании плат интегральных схем преодолеваются реальные проблемы, чтобы удовлетворить требования высокоскоростной передачи данных и миниатюризации.
В перспективе такие тенденции, как интеграция ИИ в EDA, развитие передовых технологий упаковки и появление гибких и растяжимых печатных плат, обещают революцию в этой области. По мере развития технологий в области проектирования плат интегральных схем всегда есть чему поучиться и что исследовать. Независимо от того, являетесь ли вы профессионалом в этой области или только начинаете интересоваться ею, у вас есть бесчисленные возможности углубить свои знания и внести вклад в постоянно развивающийся мир электроники. Так что продолжайте учиться, продолжайте вводить новшества и станьте частью увлекательного путешествия по миру проектирования плат интегральных схем!
