10 мифов индустрии печатных плат

Современные устройства с высокой скоростью передачи и обработки данных рождают новые правила для проектирования печатных плат. В нашей статье мы разберем 10 мифов индустрии печатных плат, про которые можно часто услышать в среде молодых специалистов и студентов профильных ВУЗов.

Миф 1. Печатные платы по сути являются просто «носителями» для установленных на них электронных компонентов

Да, это правда. Долгое время печатные платы не вызывали особого беспокойства. Было много «места для маневра» в тех аспектах, в которых печатные платы играли свою роль в общем дизайне конечного продукта, поэтому зачастую было достаточно «правильного» проектирования печатной платы. Но когда мы начали двигаться вверх по кривой скорости (начиная примерно с 2,5 Гбит/с), любые ошибки в конструкции платы стали недопустимы.

В настоящее время, потребность в оборудовании с высокой частотой и высокой скоростью передачи данных полностью истребила малейшую толерантность к любым ошибкам. Что еще более важно, нет никаких «переделок» с сегодняшними мелкими компонентами. Если ваша плата выйдет из строя, вы потеряете не только ее. Вы также теряете компоненты, которые могут стоить десятки тысяч долларов. Вдобавок ко всему, существует потеря долгосрочного дохода и прибыльности из-за задержки выхода продукта на рынок или маленького времени жизни продукта на рынке.

Миф 2. Процесс проектирования печатной платы очень прост

Конечно, некоторые электронные устройства не требуют сложной конструкции платы (более восьми слоев). Но для современных продуктов с высокой частотой и высокой скоростью передачи данных печатные платы являются критически важной основой, на которой строятся все остальные требования к разработке устройства. На рисунке 1 изображена последовательность типового процесса проектирования и изготовления. Как показано, проектирование и изготовление печатной платы включает многоэтапный процесс, в котором ошибки могут возникать на любой стадии развития проекта.

Рис. 1. Типовая блок-схема проектирования и изготовления печатной платы с выделенными критическими точками

Процесс создания печатной платы можно сравнить со строительством дома. Фундамент изначально может выглядеть хорошо, но если он не будет правильно спроектирован и построен, строительство дома на его основе может привести к катастрофическому разрушению всей конструкции.

Миф 3. Печатные платы не влияют на общую работу оборудования, в состав которых они включены

В сложных конструкциях дизайн печатной платы и характеристики материала играют огромную роль в характеристиках конечного продукта. Три основных характеристики ламината, которые влияют на дизайн, технологичность, надежность и срок службы продукта, — это импеданс, потери и смещение слоев.

Однако у каждой из этих характеристик есть подмножества, и в конечном итоге, когда вы разрабатываете проект с высокой частотой и скоростью передачи данных, приходится учитывать по крайней мере 10 различных характеристик материала. На свой страх и риск разработчик может игнорировать некоторые из них, но надо помнить, что несоблюдение одного правила может привести к неработоспособному устройству.

Миф 4. Инструменты EDA превращают проектирование печатных плат в простой «кнопочный» процесс

В конце 1980-х — начале 1990-х годов множество поставщиков пакетов EDA заставляло своих клиентов поверить в то, что определенный набор инструментов может автоматизировать процесс проектирования печатных плат. Например, поставщики EDA часто кричали, что возможности их программы позволяют автоматически трассировать до 90% печатной платы. Может быть, и так, но не сказано, что последние 10% маршрутизации трасс часто были самым сложным и трудоемким аспектом работы.

Другая часть маркетинговой мантры поставщиков EDA заключалась в том, что набор программных инструментов от одного поставщика удовлетворит все ваши потребности в проектировании печатных плат. Но опытные инженеры знали, что было бы неразумно доверять разработку печатной платы на усмотрение программного пакета EDA.

Скорее, они понимали, что успешное проектирование производительных и надежных печатных плат лучше всего достигается с помощью оптимизированных прецизионных инструментов. Даже сегодня инженеры, добившиеся больших успехов в своих проектах с высокой частотой и скоростью передачи данных, выбирают те инструменты, которые, как они знают, с наибольшей вероятностью реализуют свой целевой, полностью функционирующий, завершенный проект.

Кроме того, инструменты для печатных плат часто были «рыжеволосыми пасынками» в наборе или семействе инструментов EDA. Долгое время основное внимание уделялось компонентам, их характеристикам и способам их наилучшего использования в проекте. Инструменты для печатных плат в наборах инструментов данного поставщика часто приобретаются корпорациями. И хотя их производительность могла быть достаточной на момент приобретения, они могут не справиться с возникающими проблемами проектирования в долгосрочной перспективе.

Миф 5. При разработке печатной платы сложно контролировать процесс изготовления

Хотя это утверждение было верным в прошлом, компании поставщики пакета EDA, которые более тесно связывают процессы проектирования печатных плат и производства. В процессе производства в игру вступают несколько факторов и форматов данных, которые могут повлиять на процесс проектирования платы (стабильность размеров, сохранение целостности сигналов и волнового сопротивления и др.)

Самая большая проблема — обучить разработчиков тем аспектам производственного процесса, которые могут повлиять на их дизайн. С этой целью нам нужно больше проникновения между процессами проектирования и изготовления, а также больше обмена информацией по тем аспектам производства печатных плат, которые могут создавать скрытые «подводные камни» в конечных продуктах.

Миф 6. Множественные повторные итерации печатных плат являются общепринятым способом разработки продукта

По правде говоря, это утверждение — не столько миф, сколько «традиционный» способ ведения бизнеса в индустрии печатных плат. В прошлые десятилетия единственным способом проверить конструкцию вашей печатной платы было изготовление прототипа для проверки работоспособности и тестирования. Если возникали проблемы, это означало что необходимо проводить изменения в дизайне платы и изготавливать. Этот процесс повторялся снова и снова, пока не появилась рабочая печатная плата.

Хуже того, иногда, казалось бы, правильно спроектированная плата производилась в больших количествах только для того, чтобы некоторые или даже все они выходили из строя в конечном продукте. Результатом таких бедствий стали высокие единовременные затраты на проектирование, потеря времени и потеря конкурентных преимуществ, что привело к падению прибыли.

Таким образом, индустрия стала принимать многократные повторные итерации платы как стандартную рабочую процедуру. К сожалению, многие OEM-производители по-прежнему принимают многократные повторные итерации печатных плат как часть затрат на ведение бизнеса. Такой образ мышления может с самого начала выработать представление о процессе разработки, что полностью оптимизированный дизайн платы недостижим. В результате процесс разработки печатной платы часто избегает столь необходимого внимания или тщательной проверки.

Миф 7. При разработке печатных плат, используемых в современных проектах с высокой частотой и высокой скоростью передачи данных, есть много «пространства для маневра»

Дело в том, что сегодняшние высокочастотные продукты с высокой скоростью передачи данных оставили очень мало места для маневра в процессе проектирования печатных плат, особенно в области совмещения плат. В приложениях со скоростью -Gb/s/channel и 5G/mmWave небольшая ошибка может быстро вывести конструкцию из строя или сделать ее непригодной для производства.

Конструкция пакета печатной платы включает полностью интегрированное электромагнитное и термомеханическое моделирование. Технически правильный и оптимизированный с финансовой точки зрения подход к проектированию — это подход, который позволяет точно прогнозировать истощение смолы и проблемы стеклования, а также обеспечивает термомеханические свойства платы, включая коэффициенты теплового расширения во всех направлениях — осей X, Y и Z. Обладая этой информацией, разработчик может более точно прогнозировать надежность и производительность платы.

Миф 8. Помимо диэлектрической постоянной (Dk) и малых потерь (DF), мало что известно о том, как другие характеристики материала повлияют на печатную плату

В прошлом это было правдой, но сегодня стало больше возможностей для понимания, особенно с ростом числа высокочастотных и высокоскоростных проектов. Хотя наличие информации всегда хорошо, умение использовать информацию становится решающим фактором в процессе.

Миф 9. Информация о материалах, предоставленная поставщиками ламината, является полной

Информация о Dk и DF уже давно доступна у поставщиков ламината, и в целом эта информация достаточно достоверная. Задача заключается в расширении информации за пределы этих двух свойств.

Механические свойства в зависимости от конструкции отсутствуют. Фактически, каждый пакет (платы) имеет разные свойства, даже если он построен из одного и того же материала, и это может иметь серьезные последствия для технологичности и надежности платы. Часто автоматы для испытаний материалов используются для аттестации конкретного материала, но поведение каждого пакета (платы) может сильно отличаться от поведения испытательного автомата.

Характеристики, показанные на рисунке 2, выходят далеко за рамки типичной информации о Dk и DF, обычно предоставляемой поставщиками материалов. Все они могут повлиять на окончательный дизайн, технологичность и долгосрочную надежность печатной платы.

Рис. 2. Конструкции высокочастотной платы требуют дополнительных характеристик ламината, помимо типичной информации о DF и Dk, предоставляемой поставщиками

Миф 10. Не требуется длительного обучения, чтобы научиться пользоваться сложными инструментами EDA, контролирующими целостность сигнала

Более чем несколько инструментов EDA, используемых для решения критических проблем, таких как целостность сигнала, было трудно использовать и требовало большого опыта для получения соответствующих данных. Поскольку эти наборы инструментов не используются на повседневной основе, инженерам нередко приходится «переучивать» программу каждый раз, когда они создают новую конструкцию печатной платы.

Освоение ПО может превысить сроки разработки продукта. Это также может позволить ошибкам закрасться в процесс, потому что инженер, использующий инструмент, не полностью знаком с его работой и не знает, когда ставить под сомнение критические результаты.

Для составления статьи использовались материалы: www.electronicdesign.com