PCB设计：简化设计
来源：世展网
分类：电子/网络/照明/能源行业资讯
2024-03-12 10:05
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详情请登录可以毫不夸张地说，每年因为过度约束或过度复杂的PCB设计会浪费数百万美元，更不用说浪费的人力成本了。在很大程度上，这是由于信号速度和上升时间的加快，即使在“技术成熟”的PCB中，预算也不得不纳入额外成本。本期I-Connect007编辑团队与IPC讲师Kris Moyer探讨了设计师如何避免过度约束其设计，使设计变得不必要的复杂。正如Kris所说，简化设计归根结底还是要对PCB制造及组装工艺有深入的了解，同时还需要了解如何在简化或过度复杂化设计之间做出权衡，并且在设计初期阶段就开始与制造商合作。Andy Shaughnessy：Kris，据你了解，设计师在过度复杂化设计时都出现过哪些典型的混乱和失误？Kris Moyer：我们经常遇到的情况是，假设电路板上需要有一个容差较小的连接器。但设计师将会对整个尺寸标注系统的数据进行严格的公差标注，而不是仅对连接器进行局部尺寸标注，导致整个电路板都受限于这个参数。或者是设计师为了完好地安装BGA需要在BGA部件上获得完美的共面性，他们会对整个电路板都标注需要具有共面性，但有些地方是不需要的，因为常规片式元器件、鸥翼型器件等并不需要具有与BGA相同的共面性。或者他们会对板层的容差做出要求，“我需要2mil±10%的板层”，因为他们知道这个10%是正常的容差范围，但他们却忘记规定±10%或1mil（以较大者为准）。当板层间距低于一定的数值时，制造商无法保持那么严格的层间容差。比如说加工10mil厚度的电路板，最好的制造商也只能加工出所谓的1mil层间间距；如果想让容差更小，制造出5块电路板就需要支付100块电路板的价钱。另一个例子是过严的孔公差，比如设计师会说：“我想要直径为150±1 mil的孔。”这样的要求就太不合理。在我工作过或提供过咨询服务的几家公司中，他们仍然指定机械工程师为电路板编写文档。也就是说，电路板设计师在设计好电路板之后，将其交给机械工程师，让工程师按照他们提供的模板来制作文档。但设计师没有意识到，能够铣削铝块的机械车间绝对可以保证±1或±2mil的容差。设计师对制造能力的了解并不多。他们试图保留着在机械工程中习惯应用的那些细致入微的要求，将这些要求应用到电路板设计和制造中，于是就施加了过多约束条件。Shaughnessy：机械工程师是怎么走到这一步的？Moyer：回顾早期的CAD工具，MCAD工具从一开始就是用来创建文档包的。ECAD工具可以输出文档，但它没有像GDT控制框架那样良好的文档记录功能。在早期的ECAD工具中，即使有3D模型，也只能是简单地去拉伸矩形。设计师只能说：“在电路板上部件被挤压的位置放一个方框，这样你就知道厚度是多少了。”方框表示部件，而机械工程师有完整的3D建模来构建非常复杂、逼真的结构，所以他们可以完成所有这些工作。很多公司只是说：“你知道吗，你要做的只是把电路板发送给机械工程师就好。”他们已经有定义好的模板，机械工程师可以完善所有这些具体的细节。Shaughnessy：有什么解决方案？Moyer：解决方案就是学习标准和制造流程。尽可能参加所有IPC培训课程，了解制造商具备哪些加工能力以及受到哪些限制。然后，电路板设计师可以与其他相关方（电气工程师、机械工程师、管理者等）在信息知识完备的前提下展开讨论。设计师必须要有底气说：“我知道你这样考虑是为什么，但这属于制造方面的限制因素。如果要求这样做，会大幅增加电路板的制造成本。但如果我们用其它参数，不仅可以获得相同的效果，简化电路板设计，还可以恰到好处地规定约束条件。”Happy Holden：Andy，我认为简化设计的想法之所以会变得复杂，是因为BGA和其他部件的微型化，各个连接之间的间距也在不断缩小，这些因素都会悄悄地影响着设计师。很多时候，他们设计了完整电路板后将所有部分都连接了起来，但就差最后的5%无法连接。然后他们就会遇到通孔紧缺的情况，被迫采用激光钻取盲孔。我可以很笃定地说，如果一块复杂的电路板上有127个激光钻盲孔，就能很清楚地表明设计师从未打算把它设计为HDI电路板。他不知道有简单模型可以使用，而使用了这些模型以后，他就能提前知道电路板的尺寸、间距以及网表都能说明这块电路板要设计为HDI。应该使用5000个微通孔而不是127个通孔，因为这样做可以减少层数和其他结构。但现在，他已经完成了整个设计，然后才发现通孔不够用。人们错误地认为HDI成本过高。但HDI成本太高是因为设计师不知道如何使用它，而且他们从未接受过适当的培训，如果他们想使用盲孔或埋孔，就必须从一开始就使用其中一种模型来弄清楚需要多少个信号层。Shaughnessy：IPC标准中有相关规定，所以说熟悉这些标准肯定会有很大帮助。Holden：没错，绝对是这样。所以我们编写了第一版《HDI 设计指南》，但它并不是一项标准。我们提供了一些不同的密度建模方程式，便于设计师在开始工作之前先做一些计算，弄清楚自己是否需要盲孔和埋孔。如果设计师认为不需要这些孔就可以设计出HDI，那么到最后就会举步维艰，需要付出昂贵的代价。Moyer：我这里有一个完美的案例。我最近为一家公司提供了咨询服务，他们的产品方向非常明确，并且行动速度很快。他们用自己的Magnetics软件为电路板设计了刚挠结合共面变压器。软件规定了某个位置的弧宽和两个弧之间的间距等。一切都很好，软件还根据电流大小确定了板层厚度。从纯理论物理的角度来看，他们做的一切都是正确的。他们提出了一种线圈变压器设计，设置为相邻层，这样就有了主板层和副板层。走线的宽度是5mil，间距是4mil，用的是3盎司的铜。但在实际生产中，这种产品是不可能制造出来的。如果使用3盎司的铜，那么走线之间至少需要10~15mil的间距。大多数制造商会接触到的铜走线宽度是10mil，但他们更喜欢使用3盎司的铜来制造12mil宽的走线。工程师使用的软件提供了一些参数，他们根据这些参数设计了整个电路板，但却找不到任何工厂车间来制造出他们设计的产品。我告诉他们需要做出哪些改动，但他们不听我的，所以我也就不再给他们提供咨询服务了。Shaughnessy：所以说可能有数百种方法导致电路板设计得过于复杂。Moyer：PCB的有趣之处在于，不论是过度设计还是施加了过多约束条件，电路板仍然可以正常使用。但我最喜欢的问题是，“最佳设计的定义是什么？”这确实很难回答，因为就算是给定物料清单和原理图，但电路板实际的设计方式是无限多的。在电路板方面，我们往往会施加过多约束条件，而在组装方面，我们施加的约束条件却不够多，因此我们需要找到折中方案。在组装过程中我观察到的一点是，电路板设计师通常不会考虑设计的机械制造——组装需要用到各种工具。幸运的是，如果设计师真正阅读了6012等IPC标准，他们会发现这些标准涵盖了PCB制造及组装两方面。Shaughnessy：我听信号完整性工程师半开玩笑地说，信号应该尽可能保持在可容忍范围内的最低质量，因为过度施加的所有约束条件都是针对高速信号。Moyer：没错，可惜在这方面有一个阻力。我同意这个保持在最低质量的说法，但问题不在于电路板设计师，而是芯片设计师不断缩小芯片的结构和尺寸。现在新款芯片的边缘速率约为100皮秒甚至更快。为了让方形边缘传递时序，甚至是数字走线，现在的频率组成甚至达到了千兆赫范围，接近射频的几何结构。我不得不担心插入损耗、发射率、磁化率以及所有这些射频电平问题，而之前这些从来都不是问题。真是太疯狂了，可是PCB设计师完全无法把控这些问题。本文节选刊登，更多内容可点击下方阅读原文查看，文章发表于《PCB007中国线上杂志》23年12月号，更多精彩原创内容，欢迎关注“PCB007中文线上杂志”公众号。往期精彩文章
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