高速高密度PCB设计的关键技术与进展

若干发展趋势

芯片设计、封装设计和PCB板级设计密不可分

对于硅片上的设计流程,需要考虑采用一个合适的封装与PCB匹配,芯片设计的总体布局不仅受到工艺的限制,同时也要兼顾PCB板级的许多制约因素。必须考虑哪里将出现信号的不连续性,哪里会出现匹配问题。对芯片的封装而言,与PCB匹配是一个方面,更重要是合适的封装选择对解决PCB板级的信号完整性、EMC/EM I等问题大有帮助。例如,有些在PCB 上很难解决的时序问题,在封装中很容易解决。新的封装设计在于减小芯片的寄生参数,进而削弱寄生效应。芯片的寄生效应包括接地反弹和噪声、传播延迟、边缘速率、频率响应、输出引线时滞、天线效应等。新的封装设计主要包括多重接地和电源引脚、短引线以及使引脚之间电容耦合最小的布局。新的封装设计对提高EMC性能效果显著。例如,DQFN封装有更小的引线框架并且利用封装焊接端子来代替外部引线,极大地减小了封装连接线长度和相关的寄生参数。与TSSOP封装相比,DQFN封装连线长度减小大于50%。

因此,对高速高密度PCB设计而言,芯片设计、封装设计和PCB板级设计越来越密不可分,需要设计人员同时考虑Silicon-Package-Board的设计,并协调它们之间的相互关系。这也是EDA厂商需要长期面对的一大难题。

Cadence是系统级流程设计的领先者,其Allegro平台即涵盖了板级设计和封装级设计,且可以和Cadence的其他几个芯片设计平台串接起来,形成完整的设计链,实现数据的有效交换和沟通。此外, Cadence的VSIC ( virtual system interconnect) 设计方法是一种新的Silicon-Package-Board协同设计方法,它使得设计人员在设计早期就可以考虑整个系统引起的时序或信号完整性问题,解决了千MHz信号设计的一大难题。

EDA工具的作用越来越重要

一方面,就高速高密度PCB 的关键技术问题而言,其中任何一个的完善解决都离不开EDA工具的帮助。另一方面,对高速高密度PCB 越来越高的要求,反过来促使EDA厂商不断研发更优秀的EDA工具。二者形成良性循环,关系越来越密切。可以肯定,在高速高密度PCB设计中, EDA工具的作用越来越重要。对设计人员来说,及时掌握并恰当应用先进的EDA工具,将成为必须具备的素质之一。

目前, EDA所涉及的领域很广泛,包括网络、通信、计算机、航空航天等。产品则涉及系统板级设计、系统数字/中频模拟/数模混合/射频仿真设计、系统IC /ASIC /FPGA的设计/仿真/验证、软硬件协同设计等。有许多厂商从事EDA工具的研发,最具代表性的有Cadence、Mentor Graphics、Synop sis等。各厂商都有自己的强项产品。从市场占有看, Cadence的强项产品为IC板图设计和服务,MentorGraphics的强项产品为PCB设计和深亚微米IC设计验证和测试, Synop sis的强项产品为逻辑综合。任何一家厂商都很难提供满足各种不同设计需要的最强的设计流程。厂商采用产品标准化的方法来解决这一难题,即允许设计人员在其设计流程中使用多家公司的强项产品,组成最佳的设计流程。

并行设计会得到广泛应用

随着电子产品竞争的日益激烈,尽量缩短产品的设计周期,尽快将产品推向市场,是十分重要的。新近推出的并行设计方法,对缩短大型电子系统的设计周期,是一条重要途径。并行设计也称为协同设计,就是把一大块电路板分割成几个部分,有几个人同时进行设计。目前,有的并行设计工具已能实现各部分设计之间的对接与整合,能“看见”其他设计人员的设计,甚至能实现完全实时的并行设。Mentor Graphics的EDA 工具在并行设计方面具有优势,2004年底推出的全动态并行设计工具ExtremePCB功能更强,能实现完全实时的并行设计。Cadence的并行设计工具也将在下一版本中推出。

结束语

高速高密度是许多电子产品的显著发展趋势之一,研究高速高密度PCB设计技术具有重要的实际意义。高速高密度PCB 设计技术十分复杂, 受元器件、PCB 板材、EMC、EDA等技术水平的制约,与之相关的研究工作都在大力推进,新材料、新工艺、新产品、新技术等不断出现,使高速高密度PCB设计不断面临新的问题,同时也推动高速高密度PCB设计技术不断向前发展。本文的讨论对高速高密度PCB设计技术的研究与应用具有指导作用。