高速高密度已逐步成為許多現代電子產品的顯著發展趨勢之一,高速高密度PCB設計技術即成為一個重要的研究領域。

與傳統的PCB設計相比,高速高密度PCB設計有若干關鍵技術問題,需要開發新的設計技術,有很多理論問題和技術問題尚待深入研究。同時,對高速高密度PCB要求越來越高,使高速高密度PCB設計不斷面臨新的問題;大量相關研究成果的不斷出現,推動高速高密度PCB設計技術不斷發展。本文介紹高速高密度PCB設計的關鍵技術問題(信號完整性、電源完整性、EMC /EM I和熱分析)和相關EDA技術的新進展,討論高速高密度PCB設計的幾種重要趨勢。

關鍵技術問題

高速高密度PCB設計的關鍵技術問題主要有信號完整性( signal integrity, SI) 、電源完整性(power integrity, P I) 、EMC /EM I和熱分析。

信號完整性

信號完整性主要指信號在信號線上傳輸的質量1當電路信號能以要求的時序( timing) 、持續時間和電壓幅值到達接收芯片的引腳時,該電路就有好的信號完整性。當信號不能正常響應或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。信號完整性問題主要表現為:延遲、反射、過沖、振鈴、串擾、時序、同步切換噪聲、EM I等。

信號完整性問題將直接導致信號失真、時序錯誤,以及產生錯誤的數據、地址和控制信號,從而造成系統出錯甚至癱瘓。通常,對數字芯片而言,高于V IH的電平是邏輯1,低于V IL的電平是邏輯0,在VIL ～VIH之間的電平是不確定狀態。對于有振鈴的數字信號,當振蕩電平進入VIL ～VIH的不確定區時,就可能引起邏輯錯誤。數字信號的傳輸必須有正確的時序。一般的數字芯片都要求數據必須在時鐘觸發沿的tsetup前就要穩定,才能保證邏輯的時序正確。信號傳輸延遲的時間太長,則可能在時鐘的上升沿或下降沿處接收不到正確的邏輯,從而引起時序錯誤。

引起信號完整性問題的原因較復雜,元器件的參數、PCB的參數、元器件在PCB上的布局、高速信號的布線等都是影響信號完整性的重要因素。信號完整性是個系統問題,研究和解決信號完整性問題必須用系統的觀點。

相對而言,人們對信號完整性問題的研究經歷了幾十年,取得了很多重要的理論與技術成果,積累了豐富的經驗。很多信號完整性技術已比較成熟,已得到廣泛應用。

電源完整性

電源完整性主要指高速系統中,電源分配系統(powerdistribution system, PDS)在不同頻率上,阻抗特性不同,使PCB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 /EM I問題。在高速度、低工作電壓的電路中,電源噪聲的危害尤為嚴重。

電源完整性的提出,源于在不考慮電源的影響下基于布線和器件模型而進行信號完整性分析時所帶來的巨大誤差。

相對而言,對電源完整性的研究起步較晚,理論研究和技術手段尚不夠成熟,是目前高速高密度PCB設計最大的挑戰之一。目前主要是采取一些通行的措施,在一定程度上,盡量減小由電源完整性問題帶來的不利影響。所采取的主要措施,一是優化PCB的疊層、布局和布線設計;二是適當增加退耦電容。當系統頻率小于300～400 MHz時,在適當的位置設置合適的電容,有助于減小電源完整性問題的影響。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PCB設計來減小電源完整性問題的影響。

EMC

EMC ( electro-magnetic compatibility)通常定義為:“設備或系統在其電磁環境中能正常工作且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。”也有的定義為:“是研究在有限的空間、有限的時間和有限的頻譜資源條件下,各種用電設備(分系統、系統,廣義的還包括生物體)可以共存并不至引起降級的一門科學。”

EMC主要研究EM I ( electro-magnetic interference) 和EMS( electro-magnetic suscep tibility)兩方面的內容。EM I的產生是由于電磁干擾源通過耦合路徑將能量傳遞給敏感系統造成的。它包括由導線和公共地線的傳導、通過空間輻射或通過近場耦合三種基本形式。

電子產品的EMC非常重要,目前許多國家和地區都有嚴格的、齊全的EMC標準,越來越多的電子產品必須通過相關的EMC測試認證才能進入市場。而且,隨著電磁環境的日益惡化,對電子產品的EMC要求會越來越高。

相對而言, EMC問題最為復雜。當上升(下降)時間( rise time or fall time)由5 ns減小為2.5 ns, EM I將提高約4倍。EM I的頻譜寬度與上升時間成反比1EM I的輻射強度與頻率的平方成正比1這類EM I輻射的頻率范圍約為數十MHz至數GHz。這些高頻對應的波長很短, PCB上很短的連接線甚至芯片內的互連線都可能成為高效的發射或接收天線,進而引起嚴重的EMC問題。Henry Ott咨詢公司總裁Henry W Ott在東部PCB 設計研討會( PCB Design Conference-East)上的主題演講中強調:“在高速設計的時代, PCB設計人員如果不更多地了解EMC問題,將會面臨許多意想不到的問題。”“由于設計速度更快,且無線設計已越來越普遍, EMC將成為一個更為巨大的挑戰。”

由于EMC的復雜性,加上現代電子產品對EMC的要求越來越高, EMC技術將是一個需要長期研究的重要領域。目前預防和解決EMC問題,主要是遵循一些通行的PCB設計約束規則,但具體采用那些規則,效果如何,則必須具體問題具體分析,在很大程度上取決于設計人員的理論水平和實際經驗。

熱分析

廣泛應用的CMOS數字芯片的動態功耗隨工作速度的提高而變大, 如CMOS反相器的動態功耗Pdyn = CLV2DDf0→1 。由于集膚效應,連接導線的有效導電截面積隨頻率的升高而減小,導致連接導線的電阻隨頻率的升高而變大(Rac∝ f)。連接導線還有電感,感抗(2πfL )也隨頻率的升高而變大。連接導線的阻抗可視為二者的串聯。可見連接導線的功耗也隨工作速度的提高而變大。功耗變大即熱量增多。元器件的高密度引腳封裝和小型化封裝,以及PCB上元器件密度增大,都使散熱條件變差。這些因素可導致PCB溫度過高。

電子元器件都有規定的工作溫度范圍,溫度升高會引起元器件性能下降和過早失效,溫度過高會燒壞元器件、PCB線路( PCB traces) 、過孔( vias)等。因此,高速高密度PCB的熱分析也是很重要的。通過熱分析,確定PCB的熱場分布、元器件和焊點的溫度,確定PCB設計中潛在的散熱和可靠性問題,以便有針對性地采取必要的措施。

高速高密度PCB的熱分析涉及傳熱理論、元器件的熱模型、元器件的布局、電路的工作模式(如靜態與動態) 、自然與人工散熱措施等多種復雜因素,所以這一工作很難由人工完成。有些EDA工具雖有熱分析功能,但遠不能滿足高速高密度PCB設計的需要。

順便指出,高速高密度PCB 中的信號完整性、電源完整性、EMC/EM I等問題,相互影響,相互制約。在PCB 設計過程中,需要綜合考慮這些問題。

相關EDA技術的新進展

從高速高密度PCB的關鍵技術問題可見,傳統的PCB設計方法已不能適應高速高密度PCB設計的需要，據專家介紹:“要進行高速系統設計,首先要有較強的高速設計概念及高速設計理論,規范的設計流程,利用先進的高速設計工具,進行充分的預分析,獲得一定的約束規則,嚴格按照規則驅動布局布線,嚴格進行后仿真驗證,確保設計的準確性,反復通過這種設計流程實踐,可以不斷提高速設計領域的設計技能。”可見,對高速高密度PCB設計而言,除了要具備必要的理論知識和實際經驗外,先進的EDA工具的幫助是至關重要的。利用EDA工具的仿真功能,可以判斷功能是否正確、性能如何;可以判斷改進的方向是否正確、效果如何;可以對不同的方案進行比較與選擇。

對高速高密度PCB設計,從原理圖設計到PCB設計一般都是在EDA工具的幫助下完成的。目前盛行的EDA工具有Protel、PADS、OrCAD、Cadence、Mentor等。這些EDA工具各有特點,其功能與用法從很多文獻和網站上都可以查到。一些EDA工具都不同程度地支持PCB仿真,包括信號完整性仿真、電磁干擾仿真、熱仿真等。對PCB信號完整性和電磁干擾仿真較成功的有Cadence、Mentor等; 對PCB熱仿真較成功的有FLOTHERM、Auto Therm、BETAsoft、Quick Thermal等。下面主要介紹這些仿真功能的新進展。

對信號完整性仿真, Cadence的SpectraQuest是一個較好的仿真工具,利用它可以在設計前期進行建模、仿真,從而形成約束規則指導后期的布局布線,提高設計效率。Cadence在2004年6 月推出了專門針對千MHz的仿真器MGH,可以在幾秒之內完成數萬B IT千MHz信號的仿真,使仿真功能更加強大。

由于電源完整性是一個新挑戰,目前仿真工具相對較少。據介紹, Cadence的電源完整性工具P I已推向市場,并已成功應用到一些客戶的設計中。

目前EMC /EM I的仿真效果是最差的, 主要是因為EMC /EM I的復雜性。目前主要采用專家檢查的方式,即按照國際通用標準將EMC/EM I問題變成PCB上布局布線的規則。Cadence的EMControl就是這樣一個類似于專家系統的規則檢查工具,同時還提供客戶化的接口,方便客戶編寫適合于本公司的EMC /EM I檢查規則。Mentor Graphics的Quiet Expert可以檢查引起EM I問題的不正確的布線結構,找出問題,并給出導致EM I問題的原因和建議的解決方案。在三維分析方面, Ansoft、Ap sim等可提供專門的工具和方法,且這些工具可與Cadence和Mentor Graphics的系統工具配合使用。

FLOTHERM是一個電子行業熱分析的標準軟件,是基于計算流體力學(CFD)的熱分析軟件。全球范圍內有數以千計的公司用FLOTHERM來交換熱模型。領先的電子部件生產商向他們的客戶提供其產品的FLOTHERM 模型。

Auto Therm板級熱分析工具將PCB 的熱分析移至設計過程的早期,實現PCB設計的一次成功和改善PCB的可靠性。Auto Therm自動從LAYOUT或Fablink數據庫中生成完整的熱模型,加快電路板、元器件和環境的熱定義,減少熱分析的執行時間。分析結果可以定制以圖形、圖表和報告的方式。采用what-if分析方式,通過改變邊界條件、放置器件和增加散熱器或風扇,快速分析并提出在不同條件下板級熱分布狀況。Auto Therm可進行穩態和瞬態的傳導、對流和輻射分析,進而研究冷卻失效和循環過程的瞬態效應。

BETAsoft通過確定PCB的溫度及其梯度、元器件和焊點的溫度,可以方便地確定設計中潛在的散熱和可靠性問題。由于采用了局部變步長的有限元微分法,與傳統的有限元算法相比,其計算速度大大提高。針對熱傳導、對流和輻射情況,BETAsoft可建立復雜的三維氣流與熱場模型,并考慮元器件上是否加裝了散熱片、芯片風扇、導熱墊等散熱裝置。BETAsoft的分析結果與實際測量結果的誤差可達到10%以下。

Quick Thermal能實現PCB設計的在線實時熱分析,可快速、靈活、方便地評估PCB的熱狀態。具有靈活的熱分析環境設定、元器件屬性設定功能,以便快速折衷。具有直觀的實時等溫圖結果顯示、報警顯示等功能。此外,Altium的Protel 2004在仿真功能方面也有明顯增強。

若干發展趨勢

芯片設計、封裝設計和PCB板級設計密不可分

對于硅片上的設計流程,需要考慮采用一個合適的封裝與PCB匹配,芯片設計的總體布局不僅受到工藝的限制,同時也要兼顧PCB板級的許多制約因素。必須考慮哪里將出現信號的不連續性,哪里會出現匹配問題。對芯片的封裝而言,與PCB匹配是一個方面,更重要是合適的封裝選擇對解決PCB板級的信號完整性、EMC/EM I等問題大有幫助。例如,有些在PCB 上很難解決的時序問題,在封裝中很容易解決。新的封裝設計在于減小芯片的寄生參數,進而削弱寄生效應。芯片的寄生效應包括接地反彈和噪聲、傳播延遲、邊緣速率、頻率響應、輸出引線時滯、天線效應等。新的封裝設計主要包括多重接地和電源引腳、短引線以及使引腳之間電容耦合最小的布局。新的封裝設計對提高EMC性能效果顯著。例如,DQFN封裝有更小的引線框架并且利用封裝焊接端子來代替外部引線,極大地減小了封裝連接線長度和相關的寄生參數。與TSSOP封裝相比,DQFN封裝連線長度減小大于50%。

因此,對高速高密度PCB設計而言,芯片設計、封裝設計和PCB板級設計越來越密不可分,需要設計人員同時考慮Silicon-Package-Board的設計,并協調它們之間的相互關系。這也是EDA廠商需要長期面對的一大難題。

Cadence是系統級流程設計的領先者,其Allegro平臺即涵蓋了板級設計和封裝級設計,且可以和Cadence的其他幾個芯片設計平臺串接起來,形成完整的設計鏈,實現數據的有效交換和溝通。此外, Cadence的VSIC ( virtual system interconnect) 設計方法是一種新的Silicon-Package-Board協同設計方法,它使得設計人員在設計早期就可以考慮整個系統引起的時序或信號完整性問題,解決了千MHz信號設計的一大難題。

EDA工具的作用越來越重要

一方面,就高速高密度PCB 的關鍵技術問題而言,其中任何一個的完善解決都離不開EDA工具的幫助。另一方面,對高速高密度PCB 越來越高的要求,反過來促使EDA廠商不斷研發更優秀的EDA工具。二者形成良性循環,關系越來越密切。可以肯定,在高速高密度PCB設計中, EDA工具的作用越來越重要。對設計人員來說,及時掌握并恰當應用先進的EDA工具,將成為必須具備的素質之一。

目前, EDA所涉及的領域很廣泛,包括網絡、通信、計算機、航空航天等。產品則涉及系統板級設計、系統數字/中頻模擬/數模混合/射頻仿真設計、系統IC /ASIC /FPGA的設計/仿真/驗證、軟硬件協同設計等。有許多廠商從事EDA工具的研發,最具代表性的有Cadence、Mentor Graphics、Synop sis等。各廠商都有自己的強項產品。從市場占有看, Cadence的強項產品為IC板圖設計和服務,MentorGraphics的強項產品為PCB設計和深亞微米IC設計驗證和測試, Synop sis的強項產品為邏輯綜合。任何一家廠商都很難提供滿足各種不同設計需要的最強的設計流程。廠商采用產品標準化的方法來解決這一難題,即允許設計人員在其設計流程中使用多家公司的強項產品,組成最佳的設計流程。

并行設計會得到廣泛應用

隨著電子產品競爭的日益激烈,盡量縮短產品的設計周期,盡快將產品推向市場,是十分重要的。新近推出的并行設計方法,對縮短大型電子系統的設計周期,是一條重要途徑。并行設計也稱為協同設計,就是把一大塊電路板分割成幾個部分,有幾個人同時進行設計。目前,有的并行設計工具已能實現各部分設計之間的對接與整合,能“看見”其他設計人員的設計,甚至能實現完全實時的并行設。Mentor Graphics的EDA 工具在并行設計方面具有優勢,2004年底推出的全動態并行設計工具ExtremePCB功能更強,能實現完全實時的并行設計。Cadence的并行設計工具也將在下一版本中推出。

結束語

高速高密度是許多電子產品的顯著發展趨勢之一,研究高速高密度PCB設計技術具有重要的實際意義。高速高密度PCB 設計技術十分復雜, 受元器件、PCB 板材、EMC、EDA等技術水平的制約,與之相關的研究工作都在大力推進,新材料、新工藝、新產品、新技術等不斷出現,使高速高密度PCB設計不斷面臨新的問題,同時也推動高速高密度PCB設計技術不斷向前發展。本文的討論對高速高密度PCB設計技術的研究與應用具有指導作用。