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高速高密度PCB設計面臨新挑戰
2014/09/16
Greta
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隨著電子產品功能的日益復雜和性能的提高，印刷電路板的密度和其相關器件的頻率都不斷攀升，工程師面臨的高速高密度PCB設計所帶來的各種挑戰也不斷增加。除大家熟知的信號完整性（SI）問題，高速PCB技術的下一個熱點應該是電源完整性（PI）、EMC/EMI以及熱分析。
而隨著競爭的日益加劇，廠商面臨的產品面世時間的壓力也越來越大，如何利用先進的EDA工具以及最優化的方法和流程，高質量、高效率的完成設計，已經成為系統廠商和設計工程師不得不面對的問題。
熱點：從信號完整性向電源完整性轉移
談到高速設計，人們首先想到的就是信號完整性問題。信號完整性主要是指信號在信號線上傳輸的質量，當電路中信號能以要求的時序、持續時間和電壓幅度到達接收芯片管腳時，該電路就有很好的信號完整性。當信號不能正常響應或者信號質量不能使系統長期穩定工作時，就出現了信號完整性問題，信號完整性主要表現在延遲、反射、串擾、時序、振蕩等幾個方面。一般認為，當系統工作在50MHz時，就會產生信號完整性問題，而隨著系統和器件頻率的不斷攀升，信號完整性的問題也就愈發突出。元器件和PCB板的參數、元器件在PCB板上的布局、高速信號的布線等這些問題都會引起信號完整性問題，導致系統工作不穩定，甚至完全不能正常工作。
信號完整性技術經過幾十年的發展，其理論和分析方法都已經較為成熟。對于信號完整性問題，信號完整性不是某個人的問題，它涉及到設計鏈的每一個環節，不但系統設計工程師、硬件工程師、PCB工程師要考慮，甚至在制造時也不能忽視。解決信號完整性問題，必須借助先進的仿真工具。
相對于信號完整性，電源完整性是一種較新的技術，它被認為是高速高密度PCB設計目前最大的挑戰之一。電源完整性是指在高速系統中，電源傳輸系統（PDS power deliver system）在不同頻率上，阻抗特性不同，使PCB板上電源層與地層間的電壓在電路板的各處不盡相同，從而造成供電不連續，產生電源噪聲，使芯片不能正常工作；同時由于高頻輻射，電源完整性問題還會帶來EMC/EMI問題。如果不能很好地解決電源完整性問題，會嚴重影響系統的正常工作。
通常，電源完整性問題主要通過兩個途徑來解決：優化電路板的疊層設計及布局布線，以及增加退耦電容。退耦電容在系統頻率小于300 ~ 400MHz時，可以起到抑止頻率、濾波和阻抗控制的作用，在恰當的位置放置合適的退耦電容有助于減小系統電源完整性的問題。但是當系統頻率更高時，退耦電容的作用很小。在這種情況下，只有通過優化電路板的層間距設計以及布局布線或者其他的降低電源、地噪聲的方法（如適當匹配降低電源傳輸系統的反射問題）等來解決電源完整性問題，同時抑止EMC/EMI。
對于信號完整性和電源完整性之間的關系，“信號完整性是時域的概念，比較好理解，而電源完整性卻是頻域的概念，難度比信號完整性大，但在某些方面和信號完整性又有相通之處。電源完整性對工程師的技能要求更高，對于高速設計而言，是一個新的挑戰。它不但涉及到板級，同時涉及到芯片和封裝級。建議從事高速電路板設計的工程師在解決了信號完整性的基礎上再做電源完整性。”。
通過仿真 “軟”化你的設計
仿真是對把各方面問題都考慮進去的虛擬原型的測試。由于設計越來越復雜，工程師不可能把每一種方案都拿來實施，此時只能借助先進的仿真代替試驗進行判斷。
今天的系統設計，除了面臨高速高密度電路板所帶來的挑戰外，產品快速面世的壓力更是使仿真成為系統設計必不可少的手段。設計者希望利用先進的仿真工具，在設計階段即找出問題，從而高效率、高質量地完成系統設計。
傳統的電路板設計，工程師很少借助仿真的手段。更多的時候是利用上游芯片廠商提供的參考設計和設計指導規則（即白皮書），結合工程師的實際經驗進行設計，然后將設計生產出來的原型機進行反復測試試驗、找出問題、修改設計，這樣周而復始，直至問題基本全部解決。即時偶爾采用仿真工具進行設計，也只局限于局部電路。修改電路意味著時間上的延遲，這種延遲在產品快速面世的壓力下是無法接受的，尤其對于大型系統，一處小小的修改也許需要將整個設計推翻重來，正所謂“牽一發而動全身”，它給廠商帶來的損失是無法估量的。
產品質量的難以保證、開發周期的不可控、對工程師經驗的過分依賴……這些因素使上述設計方法難以應對越來越復雜的高速高密度PCB設計所帶來的挑戰，因而必須借助先進的仿真工具加以解決。“上游芯片廠商給的設計方案是建立在他們自己樣板的基礎上的，而系統廠商的產品和上游廠商的樣板不可能完全一樣；同時，一個芯片的設計要求可能和另一個的相互矛盾，這時必須通過仿真來確定設計方案。”。
從某種意義上講，仿真就是讓軟件在虛擬原型上完成以前需要通過對物理原型的測試才能夠完成的功能評價，是一種更為“軟”化和更加經濟的方案。
然而高速高密度電路板的仿真和傳統的仿真又有所不同。Mentor Graphics公司技術工程師尤立夫介紹：“傳統的仿真是針對原理圖而做的，它只是加激勵，看輸出，由此來判斷功能是否正確；而高速仿真是在功能正確的前提下，看設計的性能如何，它既針對原理圖，同時針對PCB設計。”利用仿真工具，可以判斷哪一個方案更貼近實際需求，在滿足性能要求的基礎上，判斷哪一個的成本更低，在性能設
計和系統成本之間找到一個平衡點。尤立夫說：“利用仿真工具，可以判斷系統改進的方向是否正確，為設計指明方向，提高一板成功率，使產品更快走向市場。但是，無論仿真的結果多么接近測試結果，它都不能代替實際的測試系統。”
測試是對包含所有現實環境因素的系統性能的一種真實判斷，然而仿真卻是對虛擬原型的“測試”，是針對某種特定條件的，沒有一種工具可以將所有現實條件全部考慮進去同時仿真。然而，隨著技術的發展和工具的不斷完善，仿真結果和實際測試結果的逼近度越來越高，對設計的指導意義也越來越大，但同時對工程師也提出了更高的要求——雖然工具越來越易用，但對仿真結果的判斷和改進方法都依賴于工程師的技術水平和理論基礎。
目前在高速PCB仿真中，效果最不理想的是EMC/EMI。這是因為對于高速系統，由于過孔效應的影響，需要對系統進行三維建模才能有效模擬真實環境。然而對于PCB這樣一個龐大且復雜的系統，對其進行三維建模非常困難。據尤立夫介紹，目前主要采用專家檢查的方式，既按照國際通用標準將EMC/EMI問題變換成PCB上布局布線的規則。
此外，在三維分析方面，Ansoft、Apsim等公司可以提供專門的工具和方法，并且這些工具可以與Cadence和Mentor Graphics的系統工具配合使用。
效率之選：自動布線與并行設計
原理圖設計不止是把電路“描”進去，還有很多其它要求，原理圖設計工具應該能將這些要求帶到下一個環節，支持自動布線、功能仿真等。
為了找到一條更富效率的設計路徑，解決產品面世時間壓力，將產品快速推向市場，自動布線和并行設計技術應運而生。
“如果能很好地利用自動布線技術，可以減少畫板時間，將PCB的設計效率提高一倍以上。” 然而要想實現自動布線，必須借助電氣化的規則管理器，將系統設計工程師和硬件設計工程師對電路的設計要求傳遞給PCB工程師。
對于早期較為簡單的系統，通常的做法是硬件工程師把設計要求一條條手寫下來，告訴PCB設計工程師如何去做。但對于復雜的系統，面對成千上萬的連線、無數的要求，硬件工程師無法將這些規則一一記錄下來，PCB設計工程師更無法一條條去檢查和實施。這時，就需要電氣化的規則管理器將各種設計要求管理起來，硬件工程師和PCB設計工程師可以在同一個規則管理器的基礎上協同工作。
對于自動布線技術，“如果一個公司技術沒有掌握好，信號完整性問題不能很好解決，建議不要采用自動布線。因為如果不能定義很好的規則，將無法正確驅動自動布線。”無論工具如何發達，計算機都不可能完全取代人的大腦行為，因而也就不可能有100％的自動布線。前面我們所說的自動布線其實是一種交互式的自動布線，需要人的參與：自動布線以 前有些規則還需要手工進一步確定；自動布線完成以后需要工程師驗證和修改。
對于傳統的、較為低速的系統設計，很多工程師可能都有過這樣的經驗，用Cadence的OrCAD畫原理圖，再用Mentor的PowerPCB做布局布線。但這種方法在高速設計領域不再適合。“數據在不同廠商的工具之間不能實現完全轉換，例如：傳統的讀網表的方法，不可能把原理圖中的一些電氣屬性和要求帶到PCB設計中，因而不適合高速設計。”
除自動布線，對大型系統，并行設計也是提高設計效率的有效途徑。并行設計即協同設計，就是將一塊電路板分割成幾部分，由幾個人同時進行設計。據尤立夫介紹，目前Mentor Graphics的工具在并行設計方面已經可以做到，如果將一臺機器上的設計存盤后，另一臺機器立刻可以看見，并且兩邊的連線可以自動連到一起，這樣可以減輕不同設計之間整合的任務。尤立夫說：“到今年晚些時候，Mentor Graphics公司完全動態的并行設計工具extremePCB就可以推向市場，到時候，工程師就可以像聯網打CS一樣進行完全實時的并行設計，即彼此的設計可以實時被對方看見，這樣可以方便異地工程師之間的合作。”對于并行設計，它不但需要好的設計工具，更需要好的設計方法。并行設計不要分得太細、太廣，2~3人比較合理，否則思路太分散，反而不利于設計。
超越PCB：高速問題的系統級考慮
當系統從幾百兆發展到數十吉時，芯片設計、封裝設計、系統設計已經不可能再分開考慮。對于高端產品，在設計芯片時，就應該考慮封裝設計和系統設計。
在去除軟件本身的問題之后，如何精簡流程，從流程上減少工程師的失誤，使工程師把更多的精力投入到設計之中，使產品盡快進入市場，也已經成為EDA廠商正在考慮的內容。
通常，一個系統上的連接線，始于芯片（Silicon）的I/O，經過封裝（Package）的bump和substrate，到達封裝的pin，然后經過PCB，到另一封裝的pin、substrate、bump和芯片的I/O。芯片、封裝、電路板，這是三個不同的領域，以前的工程師在設計的時候不會去綜合考慮，也無從知道其他工程師的想法。但是隨著設計頻率的提高、芯片面積的減小、設計周期的縮短，廠商在做芯片設計時就應該考慮到封裝設計和PCB設計，使三者有效地結合起來。“這時無論從信號完整性上來說，還是從設計周期上來說，我們都應該同時考慮Silicon-Package-Board的設計，并協調它們之間的互相聯系。比如說，有時在PCB中會有很難解決的時序問題，在Package中卻可以很容易地解決。”
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