Hem >
Blogg >
Nyheter > Omfattande guide till mönsterkortskonstruktion
Från grunderna till avancerade strategier för AI och höghastighetstillämpningar
Det tryckta kretskortet är skelettet och nervsystemet i elektroniska produkter. Stabiliteten och prestandan hos allt från enkla mikrokontrollerprojekt till komplexa AI-servrar är djupt rotad i kretskortsdesignens kvalitet. Denna guide, som sammanställts av det tekniska expertteamet på TOPFASTger en komplett vägkarta från grundläggande begrepp till avancerade strategier.
Grundläggande PCB-designprocess - en robust startpunkt
För nybörjare är det viktigt att följa en standardiserad designprocess för att lyckas.
1: Designförberedelser - Schematisk och regeldefinition
- Schematisk design: Detta är den logiska grunden. Se till att symbolerna är korrekta, att anslutningarna är korrekta och att varje komponent har rätt fotavtryck.
- Planering före layouten: Tidig kommunikation med din Tillverkare av kretskort (som TOPFAST) är avgörande. Skaffa deras Dokument för processkapabilitetDefiniera parametrar som minsta spårbredd/avstånd, minsta hålstorlek, stack-up-struktur och gör dem till konstruktionsregler för att undvika DFM-problem redan från början.
2: Komponentplacering - "Stadsplanering" av ett elektroniskt system
- Grundläggande princip: "Läget är allt."
- Kritiska komponenter först: Placera huvudstyrenheten (CPU/FPGA), minnet och strömhanteringskretsarna först.
- Funktionell modularisering: Gruppera relaterade kretsar tillsammans (t.ex. strömförsörjning, klockkrets, analog sektion).
- Tänk på termisk och montering: Distribuera högeffektskomponenter och planera termiska vägar; placera kontakter och brytare med hänsyn till kapslingsmekanik och användarupplevelse.
3: Routning - konsten och vetenskapen bakom anslutning
- Power First: Dra ström- och jordledningarna tidigt och se till att de är korta och breda för att minimera impedansen.
- Prioritet för kritiska signaler: Dra klockor, höghastighetsdifferentialpar och känsliga analoga signaler med de kortaste och renaste vägarna.
- 3W-regel: Håll ett parallellt spåravstånd på minst 3 gånger spårbredden för att minska överhörning.
- Förankringsstrategi: Vanligtvis används ett delat jordplan för digitala och analoga sektioner, som ansluts till en enda punkt för att undvika brusstörningar.
4: Efterbearbetning och generering av tillverkningsfiler
- DRC Check: Utför en slutlig kontroll av konstruktionsreglerna för att säkerställa att inga förbiseenden har gjorts.
- Generera Gerber- och Drill-filer: Detta är standardfilerna för tillverkning. Skriv också ut en IPC-356 nätlista för testning med flygande prober på kretskort för att verifiera att den elektriska anslutningen överensstämmer med designen.
- Kommunicera med tillverkaren: Tillhandahålla en tydlig Ritning för montering och Krav på processen (t.ex. ytfinish - Immersion Gold, HASL, eller ENIG?). Detta förbättrar kommunikationen och säkerställer att en professionell partner som TOPFAST förstår exakt dina behov för "Design for Manufacture".
TOPFAST Tips: För inledande prototyper rekommenderar vi starkt Elektriskt test (E-test) och Test med flygande sond. Detta är den sista och mest kostnadseffektiva försvarslinjen mot potentiella kortslutningar eller öppningar.
Avancerade metoder - Designfilosofi för AI- och höghastighetsscenarier
När din design går in i GHz-eran för AI-acceleratorkort eller höghastighetsswitchar är grundreglerna bara utgångspunkten. Framgång hänger på co-design av integritet och tillverkningsbarhet.
1. Paradigmskifte: Från "Interconnect" till "System Co-Design"
Ett modernt höghastighetskretskort är ett 3D-komplex som består av signalöverföringslinjer, a komplext kraftdistributionsnät (PDN)och en exakt termiskt styrsystem. Målet skiftar från att "uppnå funktionalitet" till att optimera balansen mellan Signalintegritet (SI), effektintegritet (PI) och termisk integritet.
2. Den kritiska grunden: DFM och tillförlitlighetsdesign i samarbete med TOPFAST
- Exakt impedansreglering: Det handlar inte bara om beräkningar av spårbredd. Bekräfta den specifika kärnmaterial/prepreg-material med din tillverkare. TOPFAST:s ingenjörsteam erbjuder Rådgivningstjänster för stack-up och impedansberäkning för att säkerställa enhetlighet från design till färdig produkt.
- Avancerad Via-design och bakåtborrning: Blind och nedgrävd Vias är avgörande för BGA med hög densitet. För signaler som överstiger 10 Gbps, Bakre borrning (Stub Removal) är en standardprocess för att eliminera stubbeffekter och säkerställa signalintegritet. Bekräfta kapaciteten för sådana avancerade processer med TOPFAST under designfasen.
3. Simuleringsdriven design: "Prototyptillverkning" i den virtuella världen
Den gamla cykeln "design-fab-test-revidering" är kostsam och långsam. Det moderna arbetsflödet bör vara en iterativ "simulera-optimera-resimulera" process.
- SI/PI Co-Simulation: Analysera impedansen för hela PDN. Optimera placeringen av frikopplingskondensatorer för att säkerställa extremt låg impedans vid chipets strömstift.
- Elektromagnetisk (EM) simulering i 3D: Använd 3D-fullvågslösare för att exakt modellera beteendet hos komplexa kontakter och vior över breda frekvensområden.
TOPFAST Fallstudie: I en kunds projekt med ett AI-acceleratorkort visade den första prototypen hög bitfelsfrekvens (BER) på 25 Gbps. Genom kombinerade kanalsimulering och TOPFASTs processanalys för PCBidentifierades att den dielektriska förlusten (Df) för ett specifikt laminat var högre än förväntat. Vid TOPFAST:s rekommendation ändrades materialet till M7NE, ett ultralåglösande material, och glasvävningen optimerades. Detta möjliggjorde stabil drift vid 32 Gbps med en BER bättre än 1E-12, utan några konstruktionsändringar.
4. Utformning för framtiden: Samarbete med experter för banbrytande teknik
Den tekniska utvecklingen går ständigt framåt. Förberedelser för nästa generations system kräver uppmärksamhet på:
- Material med extremt låg förlust: När datahastigheterna närmar sig 112 Gbps PAM-4 blir standard FR-4 ohållbar på grund av förluster.
- Samdesign på systemnivå: Modellera och analysera kretskort, kontakter och kablar som ett enda system.
- Djupt samarbete med en partner som TOPFAST: Från konsultation om stack-up och DFM-granskning i mitten av cykeln till implementering av specialiserade processer (t.ex. hybrid press-fit, rigid-flex) - en erfaren tillverkningspartner tillhandahåller inte bara produkter, utan även kontinuerlig teknisk insikt och försäkran under hela resan.
Slutsats
Kretskortsdesign är en noggrann resa från logik till fysik, från virtuell till verklighet. Exceptionella ingenjörer är både vetenskapsmän som behärskar kretsar och elektromagnetiska fält och praktiker som djupt förstår material och processer. Att samarbeta med en professionell tillverkare som TOPFAST innebär att ha en teknisk allierad närvarande under hela din resa - från design till massproduktion. Detta säkerställer att dina idéer, oavsett om de är grundläggande eller banbrytande, omvandlas till stabila, tillförlitliga produkter med högsta kvalitet och snabbaste hastighet, vilket säkrar din konkurrensfördel på marknaden.
Vanliga frågor om PCB-design
Q：Problem: Okontrollerad impedans leder till problem med signalintegriteten
A：Symptom: Impedansen beräknas under konstruktionen, men det färdiga kortet uppfyller inte målvärdena eller uppvisar diskontinuiteter. Detta orsakar signalreflektion, ögondiagram och systeminstabilitet, särskilt i höghastighetssignaler (t.ex. HDMI, USB3.0, PCIe).
Grundorsak:
Den designade staplingsstrukturen matchar inte materialen som faktiskt används av tillverkaren (t.ex. avvikelser i typ av kärna/prepreg eller dielektrisk konstant - Dk).
Spårbredd eller dielektrisk tjocklek varierar på grund av tillverkningstoleranser.
Ofullständigt referensplan; signalspår korsar över splittringar (anti-pads) i planet.
Lösning:
Samarbeta med din tillverkare (som TOPFAST) i ett tidigt skede: Skaffa och använd tillverkarens rekommenderade stapelbar tabell och impedansberäkningsparametrar före layout.
Tydlig anteckning: Markera tydligt vilka spår som är kontrollerad impedans, deras målvärde och referenslager på Gerber-filerna och tillverkningsanteckningarna.
Undvik korsningar: Se till att höghastighetssignalspår har ett fast, kontinuerligt referensplan under sig.
Q：Problem: Ineffektiv layout för kopplingskondensatorer orsakar för högt effektbrus A：Symptom: Betydande spänningsrippel vid chipets strömförsörjningsanslutningar, vilket leder till slumpmässiga systemfel, särskilt vid höghastighetslogikomkopplingar.
Grundorsak:
Frikopplingskondensatorer som placeras för långt från chipets strömstift, vilket ger en alltför stor parasitisk induktans, gör dem ineffektiva vid höga frekvenser.
Användning av olämpliga kondensatorvärden eller kondensatortyper (t.ex. brist på kondensatorer med små värden och bra högfrekvensegenskaper).
Själva strömvägen är för tunn eller lång och uppvisar hög impedans.
Lösning:
"Närhets"-principen: Placera kondensatorer med små värden (t.ex. 0,1 µF, 0,01 µF) så nära chipets strömstift som möjligt och prioritera den kortaste returvägen.
Optimera Vias: Använd flera vior för ström-/jordanslutningar för att minska induktansen.
Utför PDN-analys: Validera frikopplingsstrategin med hjälp av Power Integrity-simuleringar (PI) i stället för att enbart förlita dig på erfarenhet.
Q：Problem: Svårigheter med BGA-fläktuttag och routning leder till högt antal lager A：Symptom: Det går inte att dirigera alla signaler från BGA-chip med många stift (t.ex. FPGA:er och GPU:er), eller så måste man lägga till många PCB-lager bara för att få fan-out, vilket ökar kostnaderna avsevärt.
Grundorsak:
Underlåtenhet att utnyttja alla tillgängliga routingkanaler under BGA:n. Förlitar sig endast på den traditionella "dog-bone" pad fan-out.
Bristande kännedom om tillverkarens microvia-möjligheter, vilket leder till att blinda/begravda via-tekniker undviks.
Lösning:
Använd VIP-teknik (Via-in-Pad): Placera laserborrade mikrovior direkt i BGA-plattorna. Detta är den föredragna metoden för BGA-design med hög densitet.
Konsultera tillverkningskapacitet: Bekräfta laserborrning precision och staplade via kapaciteter med TOPFAST. Planera för HDI (High-Density Interconnect) och blinda/nedgrävda vior tidigt i designfasen, vilket ofta kan ge högre routingdensitet med färre lager.
Q：Problem: Otillräcklig värmehantering orsakar strypning av systemet A：Symptom: Högeffektskomponenter (t.ex. processorer, effektkretsar) överhettas under belastning, vilket utlöser termiskt skydd och orsakar prestandahämning eller systemåterställning.
Grundorsak:
Termisk design av kretskort försummas. Man förlitar sig enbart på komponentens kylfläns utan att effektivt leda värmen till kretskortet eller höljet.
Otillräcklig kopparyta under chipet för effektiv värmespridning.
Avsaknad av termiska vior, eller de är inte tillräckligt fyllda.
Lösning:
Lägg till termiska banor: Placera en tät uppsättning av termiskt fyllda vior i mönsterkortet under chipet för att snabbt överföra värme till jord-/effektplanet på motsatt sida.
Öka koppararean: Tilldela större kopparytor på interna plan (särskilt jord) under värmekomponenter för att underlätta värmeavledning.
Använd tjockare kopparfolie: För områden med hög strömstyrka/hög värme, kontakta TOPFAST om användning av tunga kopparfolier (t.ex. 2 oz).
Q：Problem: DFM/DFA-överträdelser leder till lågt utbyte eller monteringsfel A：Symptom: Konstruktionen fungerar perfekt i simulering/prototyp, men produktionen av små serier lider av lågt utbyte eller problem som tombstoning, lödbryggor eller kalla fogar uppstår under SMT-montering.
Grundorsak:
Underlåtenhet att följa grundläggande Design för tillverkningsbarhet (DFM) och Design för montering (DFA) regler.
Dålig komponentplacering (t.ex. placering av QFP:er med fin delning på våglödningssidan).
Felaktig utformning av stencilöppningen.
Lösning:
Respektera processförmågan: Se till att padavstånd och komponentavstånd uppfyller kraven för SMT-utrustning. Undvik att placera känsliga/små komponenter i skuggan av större delar under omsmältning eller i våglödningsområden.
Tillhandahålla en exakt centroidfil: Generera en korrekt plocka-och-placera-fil (centroidfil) som innehåller referensbeteckning, X/Y-koordinater och rotation, vilket säkerställer korrekt maskinprogrammering.
Utnyttja tillverkarens DFM-kontroll: Skicka in konstruktionsfiler till TOPFAST för en professionell DFM-analys före produktion. Detta kan tidigt identifiera potentiella problem som dålig paddesign, syrafällor eller otillräckligt monteringsavstånd, vilket gör att man undviker kostsamma omspinn.