针对PCB设计挑战 Mentor阐述3D PCB系统设计技术

在Mentor2013中国PCB技术论坛上， Mentor针对复杂PCB设计面临的挑战，阐述了三维(3D)PCB系统设计技术、多板系统设计、先进的封装与外形协同设计方法、通过重用提高设计效率的理念，及电源完整性等设计方法。

PCB设计的挑战

在汽车电子、计算机、消费类电子、工业、军事/航天航空和通信领域，PCB设计的复杂度一直在不断增加，信号完整性、电源完整性、可制造性、成本及可靠性等因素，随着应用领域的不同呈现出较大差异。

Mentor市场开发经理Jamie Metcalfe指出，设计复杂度的增加还体现在，PCB板的金属层数从2007年的16层减少到了2012年的14层，降了12%;面积从90平方英寸减到58平方英寸，少了35%;单位面积的引线数量从212增加到244条，上升了15%。

设计复杂度增加促使劳动力格局也发生了很大变化，包括工程师职位和数量。设计团队原来基本只有设计、布局布线工程师和项目管理者，现在则增加了FPGA、机械、系统架构、SERDES、电源完整性、热管理、信号完整性等工程师，而且他们需要协同工作。

此外，原来以PCB为中心的设计格局，也转向了基于IC/FPGA、PCB、系统模块之上的系统工程设计方式。

三维PCB系统设计技术

电子产品体积更小、功能更多、设计约束更严格、布线密度和可靠性更高等因素，加剧了PCB设计的复杂性。

Mentor业务开发经理David Wiens表示：“当面临PCB板更厚，多次样机制作的成本更高、时间更多，制造良率更低等问题时，设计者就应该考虑采用三维PCB系统设计技术，这也将是PCB系统设计的下一个主要趋势。”

Wiens重点介绍了三维PCB系统设计的流程。首先，要创建一个支持各种应用的统一的三维器件库，这个库要能够支持简化和网格(Mesh)设定。目前，Mentor的三维器件库含有400多万个器件型号。

当然，用户也可创建新的器件。这样，可以为电子元件建立三维模型，增加企业的器件型号，并将其映射为制造商的器件型号，用户只需简单地输入元件数据表里的参数即可。

第二步是三维设计和DRC(设计规则检查)。通过Expedition三维解决方案，三维和二维图像可在同一个窗口中显示，并能实现元件的一一对应。三维编译和分析包括布线的三维编译，及动态与静态检测的三维约束分析，并可选择详细或简化的三维建模。这种技术可以及早发现可能存在的多种问题，例如，元器件间、元器件与外壳及散热器间，在三维空间内是否存在干扰。

然后是三维振动测试。在由设计草图引起的可靠性问题中，振动是在温度之后排名第二的失效因素。据美国空军公布的国防电子系统因环境问题引起失效的一份报告，温度问题引发的失效高达50%，振动因素占20%。

Wiens援引美国Qualmark公司Edmond L.Kyser博士的调查数据指出，在发货后第一年，由于设计缺陷造成现场退货(field returns)的全部直接成本，每项新设计最高达到44万美元。

接下来是更高的加速生命周期测试(HALT);三维建模与解决;强大的前、后处理器可创建一个虚拟样机。

Wiens在谈到三维设计中的多GHz互连模拟分析时表示，三维结构对信号完整性会造成很大影响，而现有的三维仿真器对工程师的专业既能要求很高，Mentor的方案则不然。具体地，分析三维结构并建立s参数模型;将其加进完整的互连描述中;分析互联;采用HyperLynx工具进行布局前、后的信号完整性仿真与分析。对于多GHz完整的SERDES通道设计，二维和三维混合仿真与建模可提供精确的加速。

再之后是升级的电子与机械设计(ECAD/MCAD)。设计与制造部门沟通后，数据库可根据情况变化自动升级。

最后是三维热分析(FloTHERM XT)。专注于PCB设计从概念到验证/原型的所有阶段。

设计重用可提高效率

在电子设计界，不少工程师或设计师对设计重用常常缺乏动力，他们不想通过修改别人的成果来完成设计，因为他们认为重用别人的设计无法显示出自己的能力和价值，而且管理重用模块可能很麻烦，如存储及找出可重用数据等。因此，设计师总是想按自己的思路“独创”出设计成果。

但设计主管们考虑的是如何缩短设计周期，降低成本，提高良率和产品质量，减少元件差异，提升采购优势，以较低的设计风险，满足客户的需求。

设计师有必要认识到，实际上，绝大部分板上元件都是通过重用模块设计的，这主要是出于提高设计效率方面的考虑。

Mentor中国区应用工程部经理刘雪峰指出，为了改变设计师重独创、轻重用的想法，企业文化必须鼓励设计重用，EDA工具也需消除设计中的一些技术障碍，如从经过验证的设计中提取重用对象;把逻辑、约束和布局打包到重用对象中;支持非正式和正式的重用;使设计师可快速找到重用模块;并提供完整的全局分析能力。

他表示，采用Expedition Enterprise设计流程的设计重用、变体管理、约束管理和库管理等技术，就能通过重用提高设计效率。