高速高密度PCB设计的关键技术与进展

热分析

广泛应用的CMOS数字芯片的动态功耗随工作速度的提高而变大, 如CMOS反相器的动态功耗Pdyn = CLV2DDf0→1 。由于集肤效应,连接导线的有效导电截面积随频率的升高而减小,导致连接导线的电阻随频率的升高而变大(Rac∝ f)。连接导线还有电感,感抗(2πfL )也随频率的升高而变大。连接导线的阻抗可视为二者的串联。可见连接导线的功耗也随工作速度的提高而变大。功耗变大即热量增多。元器件的高密度引脚封装和小型化封装,以及PCB上元器件密度增大,都使散热条件变差。这些因素可导致PCB温度过高。

电子元器件都有规定的工作温度范围,温度升高会引起元器件性能下降和过早失效,温度过高会烧坏元器件、PCB线路( PCB traces) 、过孔( vias)等。因此,高速高密度PCB的热分析也是很重要的。通过热分析,确定PCB的热场分布、元器件和焊点的温度,确定PCB设计中潜在的散热和可靠性问题,以便有针对性地采取必要的措施。

高速高密度PCB的热分析涉及传热理论、元器件的热模型、元器件的布局、电路的工作模式(如静态与动态) 、自然与人工散热措施等多种复杂因素,所以这一工作很难由人工完成。有些EDA工具虽有热分析功能,但远不能满足高速高密度PCB设计的需要。

顺便指出,高速高密度PCB 中的信号完整性、电源完整性、EMC/EM I等问题,相互影响,相互制约。在PCB 设计过程中,需要综合考虑这些问题。

相关EDA技术的新进展

从高速高密度PCB的关键技术问题可见,传统的PCB设计方法已不能适应高速高密度PCB设计的需要，据专家介绍:“要进行高速系统设计,首先要有较强的高速设计概念及高速设计理论,规范的设计流程,利用先进的高速设计工具,进行充分的预分析,获得一定的约束规则,严格按照规则驱动布局布线,严格进行后仿真验证,确保设计的准确性,反复通过这种设计流程实践,可以不断提高速设计领域的设计技能。”可见,对高速高密度PCB设计而言,除了要具备必要的理论知识和实际经验外,先进的EDA工具的帮助是至关重要的。利用EDA工具的仿真功能,可以判断功能是否正确、性能如何;可以判断改进的方向是否正确、效果如何;可以对不同的方案进行比较与选择。

对高速高密度PCB设计,从原理图设计到PCB设计一般都是在EDA工具的帮助下完成的。目前盛行的EDA工具有Protel、PADS、OrCAD、Cadence、Mentor等。这些EDA工具各有特点,其功能与用法从很多文献和网站上都可以查到。一些EDA工具都不同程度地支持PCB仿真,包括信号完整性仿真、电磁干扰仿真、热仿真等。对PCB信号完整性和电磁干扰仿真较成功的有Cadence、Mentor等; 对PCB热仿真较成功的有FLOTHERM、Auto Therm、BETAsoft、Quick Thermal等。下面主要介绍这些仿真功能的新进展。

对信号完整性仿真, Cadence的SpectraQuest是一个较好的仿真工具,利用它可以在设计前期进行建模、仿真,从而形成约束规则指导后期的布局布线,提高设计效率。Cadence在2004年6 月推出了专门针对千MHz的仿真器MGH,可以在几秒之内完成数万B IT千MHz信号的仿真,使仿真功能更加强大。

由于电源完整性是一个新挑战,目前仿真工具相对较少。据介绍, Cadence的电源完整性工具P I已推向市场,并已成功应用到一些客户的设计中。

目前EMC /EM I的仿真效果是最差的, 主要是因为EMC /EM I的复杂性。目前主要采用专家检查的方式,即按照国际通用标准将EMC/EM I问题变成PCB上布局布线的规则。Cadence的EMControl就是这样一个类似于专家系统的规则检查工具,同时还提供客户化的接口,方便客户编写适合于本公司的EMC /EM I检查规则。Mentor Graphics的Quiet Expert可以检查引起EM I问题的不正确的布线结构,找出问题,并给出导致EM I问题的原因和建议的解决方案。在三维分析方面, Ansoft、Ap sim等可提供专门的工具和方法,且这些工具可与Cadence和Mentor Graphics的系统工具配合使用。

FLOTHERM是一个电子行业热分析的标准软件,是基于计算流体力学(CFD)的热分析软件。全球范围内有数以千计的公司用FLOTHERM来交换热模型。领先的电子部件生产商向他们的客户提供其产品的FLOTHERM 模型。

Auto Therm板级热分析工具将PCB 的热分析移至设计过程的早期,实现PCB设计的一次成功和改善PCB的可靠性。Auto Therm自动从LAYOUT或Fablink数据库中生成完整的热模型,加快电路板、元器件和环境的热定义,减少热分析的执行时间。分析结果可以定制以图形、图表和报告的方式。采用what-if分析方式,通过改变边界条件、放置器件和增加散热器或风扇,快速分析并提出在不同条件下板级热分布状况。Auto Therm可进行稳态和瞬态的传导、对流和辐射分析,进而研究冷却失效和循环过程的瞬态效应。

BETAsoft通过确定PCB的温度及其梯度、元器件和焊点的温度,可以方便地确定设计中潜在的散热和可靠性问题。由于采用了局部变步长的有限元微分法,与传统的有限元算法相比,其计算速度大大提高。针对热传导、对流和辐射情况,BETAsoft可建立复杂的三维气流与热场模型,并考虑元器件上是否加装了散热片、芯片风扇、导热垫等散热装置。BETAsoft的分析结果与实际测量结果的误差可达到10%以下。

Quick Thermal能实现PCB设计的在线实时热分析,可快速、灵活、方便地评估PCB的热状态。具有灵活的热分析环境设定、元器件属性设定功能,以便快速折衷。具有直观的实时等温图结果显示、报警显示等功能。此外,Altium的Protel 2004在仿真功能方面也有明显增强。