Главная страница >
Блог >
Новость > Исчерпывающее руководство по проектированию печатных плат
От фундаментальных основ до передовых стратегий для ИИ и высокоскоростных приложений
Печатная плата - это скелет и нервная система электронных изделий. Стабильность и производительность всего - от простых проектов микроконтроллеров до сложных серверов искусственного интеллекта - во многом зависит от качества конструкции печатной платы. Это руководство, составленное командой инженерных экспертов в 3. ТопфастВ ней вы найдете полный путеводитель от базовых понятий до продвинутых стратегий.
Основополагающий процесс проектирования печатных плат - надежная отправная точка
Для начинающих дизайнеров ключевым фактором успеха является следование стандартному процессу проектирования.
1: Подготовка к проектированию - составление схемы и определение правил
- Эскизный проект: Это логическая основа. Убедитесь в правильности символов, точности соединений и назначьте каждому компоненту соответствующую площадь.
- Предварительное планирование макета: Раннее общение с вашим Производитель печатных плат (как TOPFAST) имеет решающее значение. Получите их Документ о возможностях процессаОпределите такие параметры, как минимальная ширина/расстояние между трассами, минимальный размер отверстий, структура стека, и установите их в качестве правил проектирования, чтобы избежать проблем с DFM с самого начала.
2: Размещение компонентов - "городское планирование" электронной системы
- Основной принцип: "Расположение - это все".
- Сначала критические компоненты: Сначала установите главный контроллер (CPU/FPGA), память и микросхемы управления питанием.
- Функциональная модуляция: Сгруппируйте связанные схемы вместе (например, источник питания, схема часов, аналоговая часть).
- Рассмотрим термическую и монтажную обработку: Распределите мощные компоненты и спланируйте тепловые пути; разместите разъемы и переключатели с учетом механики корпуса и удобства использования.
3: Маршрутизация - искусство и наука соединения
- Сила превыше всего: Заранее проложите трассы питания и заземления, обеспечив их короткую и широкую длину для минимизации импеданса.
- Приоритет критических сигналов: Прокладывайте часы, высокоскоростные дифференциальные пары и чувствительные аналоговые сигналы по самым коротким и чистым путям.
- Правило 3W: Для уменьшения перекрестных наводок соблюдайте расстояние между параллельными трассами не менее чем в 3 раза больше ширины трассы.
- Стратегия заземления: Обычно используют раздельную плоскость заземления для цифровых и аналоговых секций, соединенных в одной точке, чтобы избежать шумовых помех.
4: Постобработка и создание производственных файлов
- Проверка DRC: Выполните окончательную проверку правил проектирования, чтобы убедиться в отсутствии упущений.
- Создание файлов Gerber и Drill: Это стандартные файлы для производства. Кроме того, выведите Нетлист IPC-356 для тестирования платы с помощью летающего пробника для проверки соответствия электрических соединений проекту.
- Общайтесь с изготовителем: Обеспечьте четкое Сборочный чертеж и Требования к процессу (например, отделка поверхности - Immersion Gold, HASL, или ENIG?). Это улучшает коммуникацию, обеспечивая профессионального партнера, такого как 3. Топфаст точно понимает ваши потребности в "Проектировании для производства".
Совет TOPFAST: Для первых прототипов настоятельно рекомендуем Электрический тест (E-test) и Испытание летающего зонда. Это последняя, наиболее экономичная линия защиты от потенциального короткого замыкания или обрыва.
Передовые методы - философия проектирования для сценариев с искусственным интеллектом и высокой скоростью
Когда ваш проект вступает в эру гигагерцовых технологий для ускорителей ИИ или высокоскоростных коммутаторов, базовые правила - это лишь отправная точка. Успех зависит от совместной разработки целостность и технологичность.
1. Смена парадигмы: От "межсоединения" к "совместному проектированию системы"
Современная высокоскоростная печатная плата представляет собой трехмерный комплекс, состоящий из линии передачи сигналов, a комплексная сеть распределения электроэнергии (СРЭ), и точная система терморегулирования. Цель переходит от "достижения функциональности" к оптимизации баланса между Целостность сигнала (SI), целостность питания (PI) и тепловая целостность.
2. Критический фундамент: DFM и проектирование надежности в сотрудничестве с TOPFAST
- Точный контроль импеданса: Речь идет не только о расчетах ширины трассы. Подтвердите конкретные основные/предшествующие материалы с вашим производителем. TOPFAST's команда инженеров предлагает консультационные услуги по расчету стека и импеданса чтобы обеспечить последовательность действий от дизайна до готового продукта.
- Усовершенствованная конструкция и обратное сверление: Слепые и погребенные отверстия необходимы для BGA высокой плотности. Для сигналов со скоростью более 10 Гбит/с, Обратное сверление (Stub Removal) - это стандартный процесс для устранения эффекта шлейфа и обеспечения целостности сигнала. Подтвердите возможность использования таких передовых процессов с помощью 3. Топфаст на этапе проектирования.
3. Проектирование на основе моделирования: "Прототипирование" в виртуальном мире
Старый цикл "проектирование-изготовление-тестирование-пересмотр" является дорогостоящим и медленным. Современный рабочий процесс должен быть итеративным "simulate-optimize-resimulate" процесс.
- Совместное моделирование SI/PI: Проанализируйте импеданс всей PDN. Оптимизируйте размещение развязывающих конденсаторов, чтобы обеспечить чрезвычайно низкий импеданс на выводах питания микросхемы.
- Трехмерное электромагнитное (ЭМ) моделирование: Используйте трехмерные полноволновые решатели для точного моделирования поведения сложных разъемов и кабельных каналов в широком диапазоне частот.
TOPFAST Case Study: В проекте карты-ускорителя AI для одного из клиентов первоначальный прототип показал высокий коэффициент ошибок по битам (BER) при скорости 25 Гбит/с. Благодаря комбинированному моделирование каналов и Анализ процесса производства печатных плат TOPFASTБыло обнаружено, что диэлектрические потери (Df) конкретного ламината выше, чем ожидалось. На сайте TOPFAST's По рекомендации, материал был переведен на M7NEМатериал со сверхнизкими потерями, а стиль плетения стекла был оптимизирован. Это позволило обеспечить стабильную работу на скорости 32 Гбит/с с BER лучше 1E-12 без каких-либо изменений в конструкции.
4. Проектирование для будущего: Партнерство с экспертами для создания передовых технологий
Технологический фронтир постоянно развивается. Подготовка к созданию систем нового поколения требует внимания к:
- Материалы с ультранизкими потерями: Когда скорость передачи данных приближается к 112 Гбит/с PAM-4, стандартный FR-4 становится неприемлемым из-за потерь.
- Совместное проектирование на системном уровне: Моделируйте и анализируйте печатную плату, разъемы и кабели как единую систему.
- Глубокое сотрудничество с таким партнером, как TOPFAST: Опытный партнер-производитель предоставляет не просто продукцию, а постоянное изучение и обеспечение инженерных решений на протяжении всего путешествия.
Iii. Выводы и рекомендации
Проектирование печатных плат - это кропотливое путешествие от логики к физике, от виртуальности к реальности. Исключительные инженеры - это одновременно и ученые, разбирающиеся в схемах и электромагнитных полях, и практики, глубоко понимающие материалы и процессы. Сотрудничество с профессиональным производителем, таким как TOPFAST, означает, что инженерный союзник будет присутствовать на протяжении всего вашего пути - от проектирования до серийного производства. Это гарантирует, что ваши идеи, будь то основополагающие или передовые, будут воплощены в стабильные, надежные продукты с высочайшим качеством и быстрой скоростью, обеспечивая ваше конкурентное преимущество на рынке.
FAQ по проектированию печатных плат
ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ：Проблема: неконтролируемый импеданс приводит к нарушениям целостности сигнала
A：Симптом: Хотя импеданс рассчитывается при проектировании, готовая плата не соответствует заданным значениям или имеет разрывы. Это приводит к отражению сигнала, замыканию глазковой диаграммы и нестабильности системы, особенно в случае высокоскоростных сигналов (например, HDMI, USB3.0, PCIe).
Коренная причина:
Разработанный структура штабеля не соответствует материалам фактически использованные производителем (например, расхождения в типе сердечника/препрепрега или диэлектрической постоянной - Dk).
Ширина трассы или толщина диэлектрика варьируется из-за производственных допусков.
Неполная опорная плоскость; сигнальные трассы пересекают расщепления (антипады) в плоскости.
Решение проблемы:
Заранее договоритесь с изготовителем (например, TOPFAST): Получите и используйте рекомендованные производителем штабельный стол и параметры расчета импеданса перед компоновкой.
Четкая аннотация: Четко отметьте, какие следы являются контролируемый импедансИх целевое значение и опорный слой указаны в файлах Gerber и примечаниях к изготовлению.
Избегайте перекрестков: Убедитесь, что высокоскоростные сигнальные трассы имеют под собой прочную и непрерывную опорную плоскость.
Q：Проблема: неэффективная компоновка развязывающего конденсатора приводит к чрезмерному шуму питания A：Симптом: Значительные пульсации напряжения на выводах питания микросхемы, приводящие к случайным системным ошибкам, особенно при высокоскоростном переключении логики.
Коренная причина:
Развязывающие конденсаторы, размещенные слишком далеко от выводов питания микросхемы, вносят избыточную паразитную индуктивность, что делает их неэффективными на высоких частотах.
Использование конденсаторов несоответствующей величины или типа (например, отсутствие конденсаторов малой величины с хорошими высокочастотными характеристиками).
Сам канал питания слишком тонкий или длинный, что приводит к высокому импедансу.
Решение проблемы:
Принцип "близости": Разместите конденсаторы малого номинала (например, 0,1 мкФ, 0,01 мкФ) как можно ближе к выводам питания микросхемы, отдавая предпочтение кратчайшему пути возврата.
Оптимизируйте виасы: Для уменьшения индуктивности используйте несколько проходных отверстий для подключения питания/заземления.
Выполните анализ PDN: Проверьте стратегию развязки с помощью моделирования целостности питания (PI), а не полагайтесь только на опыт.
Q：Проблема: вынос BGA и сложности с маршрутизацией приводят к большому количеству слоев A：Симптом: Невозможность направить все сигналы от микросхем BGA с большим количеством выводов (например, FPGA, GPU) или необходимость добавлять много слоев печатной платы только для вывода на экран, что значительно увеличивает стоимость.
Коренная причина:
Невозможность использовать все доступные каналы маршрутизации под BGA. Использование только традиционного веерного расположения площадок "собачья кость".
Незнание возможностей микровинта изготовителя, что приводит к отказу от использования технологии глухих/заглубленных винтов.
Решение проблемы:
Используйте технологию Via-in-Pad (VIP): Размещайте просверленные лазером микровыводы непосредственно на площадках BGA. Это предпочтительный метод для проектирования BGA высокой плотности.
Проконсультируйтесь о возможностях производства: Подтвердите точность лазерного сверления и укладываются с помощью возможностей с TOPFAST. Планируйте HDI (High-Density Interconnect) и глухих/заглубленных проходов на ранних этапах проектирования, что часто позволяет достичь более высокой плотности маршрутизации при меньшем количестве слоев.
Q：Проблема: неадекватное терморегулирование вызывает дросселирование системы A：Симптом: Мощные компоненты (например, процессоры, микросхемы питания) перегреваются под нагрузкой, срабатывает термозащита, что приводит к снижению производительности или перезагрузке системы.
Коренная причина:
Тепловому дизайну печатной платы не уделяется должного внимания. Полагаются только на радиатор компонента, не обеспечивая эффективного отвода тепла на плату или в корпус.
Недостаточная площадь меди под чипом для эффективного отвода тепла.
Отсутствие тепловых промежутков или их недостаточное заполнение.
Решение проблемы:
Добавьте тепловые пути: Разместите плотный массив термически заполненные проходы в схеме расположения печатной платы под чипом для быстрой передачи тепла на землю/плоскость питания на противоположной стороне.
Увеличьте площадь меди: Выделите большую площадь меди на внутренних плоскостях (особенно на земле) под нагревающимися компонентами для облегчения отвода тепла.
Используйте более толстую медную фольгу: В зонах с высоким током/высоким нагревом проконсультируйтесь с TOPFAST по поводу использования толстая медная фольга (например, 2 унции).
Q：Проблема: ошибки в DFM/DFA приводят к низкому выходу продукции или сборочным отказам A：Симптом: Конструкция отлично работает в моделировании/прототипе, но при мелкосерийном производстве наблюдается низкий выход продукции, или при SMT-сборке возникают такие проблемы, как заваливание, перекрытие припоя или холодные соединения.
Коренная причина:
Несоблюдение основных Проектирование для обеспечения технологичности (DFM) и Дизайн для сборки (DFA) правила.
Неправильное размещение компонентов (например, размещение QFP с малым шагом на стороне волновой пайки).
Неправильная конструкция апертуры трафарета.
Решение проблемы:
Уважайте возможности процесса: Убедитесь, что расстояние между площадками и зазор между компонентами соответствуют требованиям оборудования SMT. Избегайте размещения чувствительных/маленьких компонентов в тени более крупных деталей во время пайки или в зонах пайки волной.
Предоставьте точный файл центроида: Создайте правильный файл для подбора и размещения (файл центроида), содержащий обозначение ссылки, координаты X/Y и вращение, что обеспечивает точное программирование станка.
Воспользуйтесь проверкой DFM изготовителя: Отправьте файлы проекта в TOPFAST для профессиональный анализ DFM до начала производства. Это позволяет выявить потенциальные проблемы, такие как плохая конструкция прокладки, кислотные ловушки или недостаточный зазор в сборке, на ранней стадии, что позволяет избежать дорогостоящих повторных вращений.