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Dai fondamenti alle strategie avanzate per l'intelligenza artificiale e le applicazioni ad alta velocità
Il circuito stampato è lo scheletro e il sistema nervoso dei prodotti elettronici. La stabilità e le prestazioni di qualsiasi cosa, dai semplici progetti di microcontrollori ai complessi server AI, sono profondamente radicate nella qualità della progettazione della scheda PCB. Questa guida, redatta dal team di esperti di ingegneria di TOPFASTfornisce una tabella di marcia completa, dai concetti di base alle strategie avanzate.
Processo fondamentale di progettazione di PCB: un punto di partenza solido
Per i principianti, seguire un processo di progettazione standardizzato è la chiave del successo.
1: Preparazione del progetto - Definizione di schemi e regole
- Progettazione schematica: Questa è la base logica. Assicuratevi che i simboli siano corretti, che i collegamenti siano accurati e che ogni componente abbia il proprio ingombro.
- Pianificazione pre-layout: Comunicazione tempestiva con il vostro Produttore di PCB (come TOPFAST) è fondamentale. Ottenere il loro Documento sulla capacità di processodefinire parametri come la larghezza/spazio minimo delle tracce, la dimensione minima dei fori, la struttura dello stack-up e impostarli come regole di progettazione per evitare problemi di DFM fin dall'inizio.
2: Posizionamento dei componenti - La "pianificazione urbana" di un sistema elettronico
- Principio fondamentale: "La posizione è tutto".
- Prima i componenti critici: Posizionare prima il controller principale (CPU/FPGA), la memoria e i circuiti integrati di gestione dell'alimentazione.
- Modularizzazione funzionale: Raggruppare i circuiti correlati (ad esempio, alimentazione, circuito di orologio, sezione analogica).
- Considerare la termica e l'assemblaggio: Distribuire i componenti ad alta potenza e pianificare i percorsi termici; posizionare connettori e interruttori tenendo conto della meccanica dell'involucro e dell'esperienza dell'utente.
3: Routing - L'arte e la scienza della connessione
- La potenza prima di tutto: Tracciare per tempo le tracce di alimentazione e di terra, assicurandosi che siano corte e larghe per ridurre al minimo l'impedenza.
- Priorità dei segnali critici: Instradate orologi, coppie differenziali ad alta velocità e segnali analogici sensibili con i percorsi più brevi e puliti.
- Regola delle 3W: Mantenere una distanza tra le tracce parallele pari ad almeno 3 volte la larghezza della traccia per ridurre la diafonia.
- Strategia di messa a terra: In genere, si utilizza un piano di massa diviso per le sezioni digitali e analogiche, collegato in un unico punto per evitare interferenze di rumore.
4: Post-elaborazione e generazione di file di produzione
- Controllo della RDC: Eseguire un controllo finale delle regole di progettazione per garantire l'assenza di sviste.
- Generare file Gerber e di foratura: Questi sono i file standard per la produzione. Inoltre, è possibile emettere un file Elenco di rete IPC-356 per il test della sonda volante della scheda per verificare che la connettività elettrica corrisponda al progetto.
- Comunicare con il fabbricante: Fornire una chiara Disegno di montaggio nonché Requisiti di processo (ad esempio, finitura superficiale - Oro per immersione, HASLo ENIG?). In questo modo si migliora la comunicazione, garantendo un partner professionale come TOPFAST comprende accuratamente le vostre esigenze di "Design for Manufacture".
Suggerimento TOPFAST: Per i prototipi iniziali, si consiglia vivamente di Test elettrico (E-test) nonché Test della sonda volante. Si tratta dell'ultima linea di difesa, la più economica, contro potenziali cortocircuiti o aperture.
Pratiche avanzate - Filosofia di progettazione per scenari di IA e alta velocità
Quando il vostro progetto entra nell'era dei GHz per le schede di accelerazione dell'intelligenza artificiale o gli switch ad alta velocità, le regole di base sono solo il punto di partenza. Il successo dipende dalla co-progettazione di integrità nonché producibilità.
1. Cambio di paradigma: Da "interconnessione" a "co-progettazione del sistema".
Un moderno PCB ad alta velocità è un complesso 3D che comprende linee di trasmissione del segnale, a rete di distribuzione dell'energia (PDN) complessa, e un sistema di gestione termica preciso. L'obiettivo si sposta dal "raggiungimento della funzionalità" all'ottimizzazione dell'equilibrio tra Integrità del segnale (SI), integrità dell'alimentazione (PI) e integrità termica.
2. Il fondamento critico: DFM e progettazione dell'affidabilità in collaborazione con TOPFAST
- Controllo preciso dell'impedenza: Non si tratta solo di calcolare la larghezza della traccia. Confermare la specifica materiali per anime/preg con il vostro produttore. TOPFAST Il team di ingegneri offre Servizi di consulenza per l'accatastamento e il calcolo dell'impedenza per garantire la coerenza dal progetto al prodotto finito.
- Progettazione avanzata della via e foratura posteriore: Vie cieche e interrate sono essenziali per i BGA ad alta densità. Per segnali superiori a 10 Gbps, Foratura posteriore (Stub Removal) è un processo standard per eliminare gli effetti degli stub e garantire l'integrità del segnale. Confermate le capacità di questi processi avanzati con TOPFAST durante la fase di progettazione.
3. Progettazione guidata dalla simulazione: "Prototipazione" nel mondo virtuale
Il vecchio ciclo "progettazione-fabbricazione-test-revisione" è costoso e lento. Il flusso di lavoro moderno dovrebbe essere iterativo. "simulare-ottimizzare-resimulare" processo.
- Co-simulazione SI/PI: Analizzare l'impedenza dell'intero PDN. Ottimizzate il posizionamento dei condensatori di disaccoppiamento per garantire un'impedenza estremamente bassa ai pin di alimentazione del chip.
- Simulazione elettromagnetica (EM) 3D: Utilizzate solutori 3D a onda intera per modellare con precisione il comportamento di connettori e vias complessi in un'ampia gamma di frequenze.
Studio di caso TOPFAST: Nel progetto di una scheda di accelerazione AI di un cliente, il prototipo iniziale ha mostrato un elevato tasso di errore di bit (BER) a 25 Gbps. Grazie alla combinazione di simulazione del canale nonché Analisi del processo PCB di TOPFASTè stato individuato che la perdita dielettrica (Df) di uno specifico laminato era più alta del previsto. A seguito di TOPFAST raccomandazione, il materiale è stato cambiato in M7NEIl materiale è stato ottimizzato con un materiale a bassissima perdita e lo stile di tessitura del vetro è stato ottimizzato. Ciò ha consentito un funzionamento stabile a 32 Gbps con un BER migliore di 1E-12, senza alcuna modifica al progetto.
4. Progettare per il futuro: Collaborazione con esperti per una tecnologia all'avanguardia
La frontiera tecnologica è in continuo progresso. Per prepararsi ai sistemi di nuova generazione è necessario prestare attenzione a:
- Materiali a bassissima perdita: Quando le velocità di trasmissione dei dati si avvicinano a 112 Gbps PAM-4, lo standard FR-4 diventa insostenibile a causa delle perdite.
- Co-progettazione a livello di sistema: Modellare e analizzare il PCB, i connettori e i cavi come un unico sistema.
- Una collaborazione profonda con un partner come TOPFAST: Dalla consulenza sullo stack-up alla revisione del DFM a metà ciclo, fino all'implementazione di processi specializzati (ad esempio, press-fit ibrido, rigid-flex), un partner di produzione esperto fornisce non solo prodotti, ma anche approfondimento e garanzia di ingegneria continua durante tutto il viaggio.
conclusioni
La progettazione di circuiti stampati è un viaggio meticoloso dalla logica alla fisica, dal virtuale alla realtà. Gli ingegneri eccellenti sono sia scienziati che padroneggiano i circuiti e i campi elettromagnetici, sia professionisti che comprendono a fondo i materiali e i processi. Collaborare con un produttore professionista come TOPFAST significa avere un alleato ingegnere presente durante tutto il percorso, dalla progettazione alla produzione di massa. Questo garantisce che le vostre idee, siano esse fondamentali o all'avanguardia, vengano trasformate in prodotti stabili e affidabili con la massima qualità e velocità, assicurandovi un vantaggio competitivo sul mercato.
FAQ sulla progettazione di PCB
Q：Problema: l'impedenza non controllata porta a problemi di integrità del segnale
A：Sintomo: Mentre l'impedenza viene calcolata durante la progettazione, la scheda finita non rispetta i valori target o presenta discontinuità. Ciò causa la riflessione del segnale, la chiusura del diagramma a occhio e l'instabilità del sistema, soprattutto nei segnali ad alta velocità (ad esempio, HDMI, USB3.0, PCIe).
Causa principale:
Il progetto la struttura dell'accatastamento non corrisponde ai materiali effettivamente utilizzati dal fabbricante (ad esempio, discrepanze nel tipo di anima/preg o nella costante dielettrica - Dk).
La larghezza della traccia o lo spessore del dielettrico variano a causa delle tolleranze di produzione.
Piano di riferimento incompleto; le tracce del segnale attraversano le fessure (anti-pad) del piano.
Soluzione:
Impegnatevi per tempo con il vostro fabbricante (come TOPFAST): Ottenere e utilizzare le indicazioni raccomandate dal fabbricante. tavolo di impilamento e i parametri di calcolo dell'impedenza prima del layout.
Annotazione chiara: Segnare chiaramente quali tracce sono impedenza controllata, il loro valore target e lo strato di riferimento sui file Gerber e sulle note di fabbricazione.
Evitare gli incroci: Assicurarsi che le tracce di segnale ad alta velocità abbiano un piano di riferimento solido e continuo al di sotto.
Q：Problema: il layout inefficace del condensatore di disaccoppiamento causa un rumore di potenza eccessivo A：Sintomo: Un ripple di tensione significativo sui pin di alimentazione del chip, che porta a errori di sistema casuali, in particolare durante la commutazione logica ad alta velocità.
Causa principale:
I condensatori di disaccoppiamento posizionati troppo lontano dai pin di alimentazione del chip, introducendo un'induttanza parassita eccessiva, li rendono inefficaci alle alte frequenze.
Uso di valori o tipi di condensatori inadeguati (ad esempio, mancanza di condensatori di piccolo valore con buone caratteristiche ad alta frequenza).
Il percorso di alimentazione è troppo sottile o lungo e presenta un'impedenza elevata.
Soluzione:
Principio di "prossimità": Posizionare condensatori di piccolo valore (ad esempio, 0,1µF, 0,01µF) il più vicino possibile ai pin di alimentazione del chip, privilegiando il percorso di ritorno più breve.
Ottimizzare i vial: Utilizzare più vias per le connessioni di alimentazione/terra per ridurre l'induttanza.
Eseguire l'analisi PDN: Convalidare la strategia di disaccoppiamento utilizzando simulazioni di Power Integrity (PI), anziché affidarsi esclusivamente all'esperienza.
Q：Problema: le difficoltà di fan-out e di instradamento dei BGA portano a un numero elevato di strati A：Sintomo: L'impossibilità di instradare tutti i segnali da chip BGA ad alto numero di pin (ad esempio, FPGA, GPU), o la necessità di aggiungere molti strati di PCB solo per il fan-out, aumentano notevolmente i costi.
Causa principale:
Mancato utilizzo di tutti i canali di instradamento disponibili sotto il BGA. Affidamento solo sul tradizionale fan-out del pad "a osso di cane".
La scarsa dimestichezza con le capacità di microvia del fabbricante, che porta a evitare la tecnologia di via cieca/interrata.
Soluzione:
Utilizzare la tecnologia Via-in-Pad (VIP): Posizionare i microfori perforati al laser direttamente nelle piazzole BGA. Questo è il metodo preferito per la progettazione di BGA ad alta densità.
Consultate le capacità di produzione: Confermare precisione di foratura laser nonché impilati tramite le capacità con TOPFAST. Pianificare per HDI (Interconnessione ad alta densità) e vias ciechi/sepolti già nella fase di progettazione, che spesso consente di ottenere una maggiore densità di instradamento con un minor numero di strati.
Q：Problema: una gestione termica inadeguata causa il rallentamento del sistema A：Sintomo: I componenti ad alta potenza (ad esempio, processori, circuiti integrati di potenza) si surriscaldano sotto carico, attivando la protezione termica e causando il rallentamento delle prestazioni o il reset del sistema.
Causa principale:
La progettazione termica dei circuiti stampati viene trascurata. Si fa affidamento solo sul dissipatore del componente senza condurre efficacemente il calore alla scheda o all'involucro.
Area di rame insufficiente sotto il chip per un'efficace diffusione del calore.
Mancanza di vias termici o riempimento insufficiente.
Soluzione:
Aggiungere percorsi termici: Posizionare un array denso di vias a riempimento termico nel modello di terreno del PCB sotto il chip per trasferire rapidamente il calore al piano di massa/alimentazione sul lato opposto.
Aumentare l'area di rame: Per favorire la dissipazione del calore, è necessario allocare aree di rame più grandi sui piani interni (in particolare a terra) sotto i componenti di riscaldamento.
Utilizzare un foglio di rame più spesso: Per le aree ad alta corrente/alto calore, consultare TOPFAST per l'utilizzo di fogli di rame pesanti (ad esempio, 2 oz).
Q：Problema: le sviste di DFM/DFA portano a una bassa resa o a guasti di assemblaggio A：Sintomo: Il progetto funziona perfettamente nella simulazione/prototipo, ma la produzione in piccoli lotti soffre di una bassa resa o si verificano problemi come tombstoning, ponti di saldatura o giunti freddi durante l'assemblaggio SMT.
Causa principale:
Il mancato rispetto delle norme di base Progettazione per la producibilità (DFM) nonché Progettazione per l'assemblaggio (DFA) regole.
Posizionamento inadeguato dei componenti (ad esempio, posizionamento di QFP a passo fine sul lato di saldatura a onda).
Progettazione non corretta dell'apertura dello stencil.
Soluzione:
Rispettare le capacità di processo: Assicurarsi che la distanza tra i pad e i componenti sia conforme ai requisiti delle apparecchiature SMT. Evitare di posizionare componenti sensibili o piccoli all'ombra di componenti più grandi durante il reflow o nelle aree di saldatura a onda.
Fornire un file del centroide accurato: Generare un'immagine corretta file pick-and-place (file del centroide) contenente il designatore di riferimento, le coordinate X/Y e la rotazione, per garantire una programmazione accurata della macchina.
Sfruttare il controllo DFM del produttore: Sottoponete i file di progetto a TOPFAST per un analisi DFM professionale prima della produzione. In questo modo è possibile identificare tempestivamente potenziali problemi come una progettazione inadeguata dei pattini, trappole per acidi o un gioco di assemblaggio insufficiente, evitando costose ripetizioni.