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Actualités > Guide complet de la conception des circuits imprimés
Des principes fondamentaux aux stratégies avancées pour l'IA et les applications à grande vitesse
Le circuit imprimé est le squelette et le système nerveux des produits électroniques. La stabilité et les performances de tous les produits, des simples projets de microcontrôleurs aux serveurs complexes d'intelligence artificielle, sont profondément ancrées dans la qualité de la conception du circuit imprimé. Ce guide, élaboré par l'équipe d'experts en ingénierie de TOPFASTIl fournit une feuille de route complète allant des concepts de base aux stratégies avancées.
Processus fondamental de conception des circuits imprimés - un point de départ solide
Pour les débutants, le respect d'un processus de conception standardisé est la clé du succès.
1 : Préparation de la conception - Schéma et définition des règles
- Conception schématique : Il s'agit de la base logique. Assurez-vous que les symboles sont corrects, que les connexions sont exactes et que l'empreinte appropriée est attribuée à chaque composant.
- Planification avant la mise en page : Une communication précoce avec votre Fabricant de circuits imprimés (comme TOPFAST) est cruciale. Obtenir leur Document de capacité de processusLa conception d'un système de gestion de la chaîne d'approvisionnement (DFM) permet de définir des paramètres tels que la largeur/l'espacement minimal des traces, la taille minimale des trous, la structure de l'empilement, et de les définir comme des règles de conception afin d'éviter les problèmes de DFM dès le départ.
2 : Placement des composants - L'urbanisme d'un système électronique
- Principe fondamental : "L'emplacement, c'est tout.
- Les composants critiques d'abord : Placez d'abord le contrôleur principal (CPU/FPGA), la mémoire et les circuits intégrés de gestion de l'alimentation.
- Modularisation fonctionnelle : Regrouper les circuits apparentés (par exemple, alimentation, circuit d'horloge, section analogique).
- Tenir compte de la thermique et de l'assemblage : Distribuer les composants de haute puissance et planifier les trajets thermiques ; placer les connecteurs et les commutateurs en tenant compte de la mécanique du boîtier et de l'expérience de l'utilisateur.
3 : Le routage - l'art et la science de la connexion
- La puissance d'abord : Acheminez les circuits d'alimentation et de mise à la terre dès le début, en veillant à ce qu'ils soient courts et larges pour minimiser l'impédance.
- Signaux critiques Priorité : Acheminez les horloges, les paires différentielles à haute vitesse et les signaux analogiques sensibles par les chemins les plus courts et les plus propres.
- Règle 3W : Maintenir un espacement de trace parallèle d'au moins 3 fois la largeur de la trace pour réduire la diaphonie.
- Stratégie d'ancrage : En règle générale, on utilise un plan de masse séparé pour les sections numériques et analogiques, connectées en un seul point pour éviter les interférences sonores.
4 : Post-traitement et génération de fichiers de fabrication
- Contrôle de la RDC : Effectuer un contrôle final des règles de conception pour s'assurer qu'il n'y a pas d'oubli.
- Générer des fichiers Gerber et de perçage : Il s'agit des fichiers standard pour la fabrication. De plus, il est possible d'éditer un fichier Liste des réseaux IPC-356 pour les tests de sondes volantes sur la carte afin de vérifier que la connectivité électrique correspond à la conception.
- Communiquer avec le fabricant : Fournir une Schéma d'assemblage et Exigences du processus (par exemple, l'état de surface - Immersion Gold, HASLou ENIG ?) Cela permet d'améliorer la communication et de s'assurer qu'un partenaire professionnel tel que le TOPFAST comprend parfaitement vos besoins en matière de "conception pour la fabrication".
Conseil TOPFAST : Pour les prototypes initiaux, il est fortement recommandé Essai électrique (E-test) et Test de la sonde volante. Il s'agit de la dernière ligne de défense, la plus rentable, contre les courts-circuits ou les ouvertures potentiels.
Pratiques avancées - Philosophie de conception pour l'IA et les scénarios à grande vitesse
Lorsque votre conception entre dans l'ère du GHz pour les cartes accélératrices d'IA ou les commutateurs à grande vitesse, les règles de base ne sont que le point de départ. Le succès dépend de la co-conception des éléments suivants l'intégrité et manufacturabilité.
1. Changement de paradigme : De l'"interconnexion" à la "co-conception de systèmes"
Un circuit imprimé moderne à grande vitesse est un complexe 3D comprenant lignes de transmission de signaux, a réseau complexe de distribution d'électricité (PDN)et un système de gestion thermique précis. L'objectif n'est plus d'atteindre la fonctionnalité, mais d'optimiser l'équilibre entre Intégrité du signal (SI), intégrité de l'alimentation (PI) et intégrité thermique.
2. La base critique : DFM et conception de la fiabilité en collaboration avec TOPFAST
- Contrôle précis de l'impédance : Il ne s'agit pas seulement de calculer la largeur de la trace. Confirmez la spécificité de la matériaux de base/préparation avec votre fabricant. TOPFAST's l'équipe d'ingénieurs offre services de conseil en matière d'empilage et de calcul d'impédance afin de garantir la cohérence entre la conception et le produit fini.
- Conception avancée de l'axe et perçage arrière : Vias aveugles et enterrés sont essentiels pour les BGA à haute densité. Pour les signaux dépassant 10 Gbps, Perçage arrière (Stub Removal) est un processus standard visant à éliminer les effets de stub et à garantir l'intégrité du signal. Confirmer les capacités pour de tels processus avancés avec TOPFAST pendant la phase de conception.
3. Conception pilotée par la simulation : Le "prototypage" dans le monde virtuel
L'ancien cycle "conception-fabrication-test-révision" est coûteux et lent. Le flux de travail moderne devrait être un processus itératif. "simuler-optimiser-resimuler" processus.
- Co-simulation SI/PI : Analyser l'impédance de l'ensemble du réseau PDN. Optimisez le placement des condensateurs de découplage pour garantir une impédance extrêmement faible au niveau des broches d'alimentation de la puce.
- Simulation électromagnétique (EM) en 3D : Utilisez des solveurs 3D à ondes complètes pour modéliser avec précision le comportement de connecteurs et de trous d'interconnexion complexes sur de larges plages de fréquences.
Étude de cas TOPFAST : Dans le cadre du projet de carte accélératrice d'IA d'un client, le prototype initial présentait un taux d'erreur binaire (BER) élevé à 25 Gbps. En combinant simulation de canal et Analyse du processus de fabrication des PCB par TOPFASTIl a été constaté que la perte diélectrique (Df) d'un stratifié spécifique était plus élevée que prévu. Après avoir TOPFAST's recommandation, le matériel a été remplacé par M7NELe matériau utilisé est un matériau à très faible perte, et le style de tissage du verre a été optimisé. Cela a permis un fonctionnement stable à 32 Gbps avec un BER supérieur à 1E-12, sans aucune modification de la conception.
4. Concevoir pour l'avenir : Partenariat avec des experts pour une technologie de pointe
La frontière technologique ne cesse de progresser. Pour se préparer aux systèmes de la prochaine génération, il faut prêter attention à.. :
- Matériaux à très faible perte : Lorsque les débits de données approchent les 112 Gbps PAM-4, la norme FR-4 devient intenable en raison des pertes.
- Co-conception au niveau du système : Modéliser et analyser le circuit imprimé, les connecteurs et les câbles comme un système unique.
- Collaboration étroite avec un partenaire comme TOPFAST : De la consultation sur l'empilage et l'examen DFM en milieu de cycle à la mise en œuvre de processus spécialisés (par exemple, press-fit hybride, rigide-flexible), un partenaire de fabrication expérimenté ne fournit pas seulement des produits, mais aussi une vision et une assurance continues en matière d'ingénierie tout au long du voyage.
Conclusion
La conception de circuits imprimés est un voyage méticuleux de la logique à la physique, du virtuel à la réalité. Les ingénieurs exceptionnels sont à la fois des scientifiques qui maîtrisent les circuits et les champs électromagnétiques, et des praticiens qui comprennent profondément les matériaux et les processus. S'associer à un fabricant professionnel comme TOPFAST, c'est bénéficier de la présence d'un allié ingénieur tout au long de votre parcours, de la conception à la production en série. Ainsi, vos idées, qu'elles soient fondamentales ou d'avant-garde, sont transformées en produits stables et fiables, de la plus haute qualité et à la vitesse la plus rapide, ce qui vous permet de conserver votre avantage concurrentiel sur le marché.
FAQ sur la conception des circuits imprimés
Q：Problème : l'impédance non contrôlée entraîne des problèmes d'intégrité du signal
A：Symptôme : Bien que l'impédance soit calculée pendant la conception, la carte finie ne respecte pas les valeurs cibles ou présente des discontinuités. Cela entraîne une réflexion du signal, une fermeture du diagramme de l'œil et une instabilité du système, en particulier pour les signaux à grande vitesse (par exemple, HDMI, USB3.0, PCIe).
Cause première :
Le projet la structure de l'empilement ne correspond pas aux matériaux réellement utilisé par le fabricant (par exemple, divergences dans le type de noyau/pré-imprégné ou dans la constante diélectrique - Dk).
La largeur de la trace ou l'épaisseur du diélectrique varie en raison des tolérances de fabrication.
Plan de référence incomplet ; les traces des signaux passent par des séparations (anti-pads) dans le plan.
Solution :
Engagez-vous tôt avec votre fabricant (comme TOPFAST) : Obtenir et utiliser les informations recommandées par le fabricant. table d'empilage et les paramètres de calcul de l'impédance avant la mise en page.
Annotation claire : Indiquer clairement les traces qui sont impédance contrôléeLes données relatives à l'état d'avancement des travaux, à la valeur cible et à la couche de référence sur les fichiers Gerber et les notes de fabrication sont également prises en compte.
Éviter les croisements : Veillez à ce que les tracés des signaux à grande vitesse aient un plan de référence solide et continu en dessous.
Q：Problème : une disposition inefficace des condensateurs de découplage provoque un bruit de puissance excessif. A：Symptôme : Ondulation importante de la tension au niveau des broches d'alimentation de la puce, entraînant des erreurs aléatoires dans le système, en particulier lors des commutations logiques à grande vitesse.
Cause première :
Les condensateurs de découplage placés trop loin des broches d'alimentation de la puce, introduisant une inductance parasite excessive, les rendent inefficaces à haute fréquence.
Utilisation de valeurs ou de types de condensateurs inappropriés (par exemple, manque de condensateurs de petite valeur ayant de bonnes caractéristiques à haute fréquence).
Le trajet de l'électricité est trop fin ou trop long, et présente une impédance élevée.
Solution :
Principe de "proximité" : Placez des condensateurs de faible valeur (par exemple, 0,1µF, 0,01µF) aussi près que possible des broches d'alimentation de la puce, en privilégiant le chemin de retour le plus court.
Optimiser les vias : Utiliser plusieurs vias pour les connexions d'alimentation et de terre afin de réduire l'inductance.
Effectuer une analyse PDN : Valider la stratégie de découplage à l'aide de simulations d'intégrité de puissance (PI), plutôt que de se fier uniquement à l'expérience.
Q：Problème : les difficultés de ventilation et de routage des BGA entraînent un nombre élevé de couches. A：Symptôme : Impossibilité d'acheminer tous les signaux provenant de puces BGA à nombre élevé de broches (par exemple, FPGA, GPU), ou obligation d'ajouter de nombreuses couches de PCB uniquement pour la sortie en éventail, ce qui augmente considérablement les coûts.
Cause première :
Non-utilisation de tous les canaux de routage disponibles sous le BGA. Utilisation exclusive de l'éventail traditionnel de la pastille en "os de chien".
Méconnaissance des capacités de microvia du fabricant, ce qui conduit à éviter la technologie des via aveugles/enfouis.
Solution :
Utiliser la technologie Via-in-Pad (VIP) : Placer les microvias percées au laser directement dans les pads BGA. C'est la méthode préférée pour la conception de BGA à haute densité.
Consulter les capacités de fabrication : Confirmer précision du perçage au laser et empilés par le biais de capacités avec TOPFAST. Prévoir HDI (Interconnexion haute densité) et les vias aveugles/enfouis dès le début de la phase de conception, ce qui permet souvent d'obtenir une plus grande densité de routage avec moins de couches.
Q：Problème : une gestion thermique inadéquate entraîne un ralentissement du système A：Symptôme : Les composants de forte puissance (par exemple, les processeurs, les circuits intégrés de puissance) surchauffent sous l'effet de la charge, déclenchant la protection thermique et entraînant un ralentissement des performances ou une réinitialisation du système.
Cause première :
La conception thermique des circuits imprimés est négligée. On se fie uniquement au dissipateur thermique du composant sans conduire efficacement la chaleur vers la carte ou le boîtier.
Insuffisance de la surface de cuivre sous la puce pour une diffusion efficace de la chaleur.
Absence de vias thermiques ou remplissage insuffisant.
Solution :
Ajouter des chemins thermiques : Placer un réseau dense de vias remplis thermiquement dans le circuit imprimé sous la puce pour transférer rapidement la chaleur vers le plan de masse/alimentation de l'autre côté.
Augmentation de la surface de cuivre : Allouez de plus grandes surfaces de cuivre sur les plans internes (en particulier la masse) sous les composants chauffants pour faciliter la dissipation de la chaleur.
Utiliser une feuille de cuivre plus épaisse : Pour les zones à fort courant/chaleur, consulter TOPFAST pour l'utilisation de feuilles de cuivre épaisses (par exemple, 2oz).
Q：Problème : Les négligences en matière de DFM/DFA entraînent un faible rendement ou des défaillances d'assemblage. A：Symptôme : La conception fonctionne parfaitement en simulation/prototype, mais la production en petites séries souffre d'un faible rendement, ou des problèmes tels que le tombstoning, le pontage de soudure ou les joints froids surviennent lors de l'assemblage SMT.
Cause première :
Non-respect des règles de base Conception pour la fabrication (DFM) et Conception pour l'assemblage (DFA) règles.
Mauvais placement des composants (par exemple, placement des QFP à pas fin du côté de la soudure à la vague).
Mauvaise conception de l'ouverture du pochoir.
Solution :
Respecter les capacités de traitement : Veillez à ce que l'espacement des pastilles et le dégagement des composants soient conformes aux exigences de l'équipement SMT. Éviter de placer des composants sensibles ou minuscules dans l'ombre de pièces plus grandes pendant la refusion ou dans les zones de soudure à la vague.
Fournir un fichier de centroïdes précis : Générer un fichier correct fichier pick-and-place (fichier centroïde) contenant le désignateur de référence, les coordonnées X/Y et la rotation, ce qui garantit une programmation précise de la machine.
Tirer parti du contrôle DFM du fabricant : Soumettre les fichiers de conception à TOPFAST pour une l'analyse DFM professionnelle avant la production. Cela permet d'identifier rapidement les problèmes potentiels tels qu'une mauvaise conception des tampons, des pièges à acide ou un jeu d'assemblage insuffisant, et d'éviter ainsi de coûteux rebondissements.