讓工作更智能的六大PCB設(shè)計技術(shù)策略

　　如果我們回顧2011年，會發(fā)現(xiàn)電子公司面對經(jīng)濟危機以及復(fù)蘇緩慢的狀況，為了努力保持在競爭中，發(fā)展需求出現(xiàn)顯著增加。這在Mentor的“技術(shù)獎”項目中表現(xiàn)得尤為明顯。每年我們都會邀請世界各地的公司提交他們的設(shè)計，然后交由一批獨立的行業(yè)進行評比。2011年入圍的設(shè)計更加復(fù)雜，設(shè)計流程中使用的方法和工具也更加先進。在未來使用本文描述的技術(shù)推動要素將不再是一種品，而是發(fā)展的必需品。

　　在Aberdeen集團的調(diào)查中，眾多一流電子公司確認(rèn)了能積極滿足業(yè)務(wù)目標(biāo)的6種設(shè)計技術(shù)實踐。隨著經(jīng)濟形勢的緩慢復(fù)蘇，這些基本的PCB技術(shù)實踐將成為各公司在2012年發(fā)展的必要組成部分。

　　電子行業(yè)正在努力從經(jīng)濟危機中復(fù)蘇，為從設(shè)計到制造的流程提供全面支持的壓力也日益增加。世界各地的電子公司不得不將差異化的產(chǎn)品以更快的速度和更低的成本推向市場，并且由于經(jīng)濟的疲軟該趨勢還將持續(xù)下去。即使在中國的PCB市場，系統(tǒng)設(shè)計和制造支持工具也亟待利用技術(shù)以提高生產(chǎn)率。

　　在Aberdeen集團的調(diào)查中，眾多一流電子公司確認(rèn)了能積極滿足業(yè)務(wù)目標(biāo)的6種設(shè)計技術(shù)實踐。隨著經(jīng)濟形勢的緩慢復(fù)蘇，這些基本的PCB技術(shù)實踐將成為各公司在2012年發(fā)展的必要組成部分。

　　以下是對這6種使公司工作更智能化的關(guān)鍵策略的概述，我們相信這些策略將成為2012年發(fā)展的關(guān)鍵。

　　技術(shù)策略 1：產(chǎn)品協(xié)同開發(fā)流程

　　協(xié)同通常是指將串行操作變成并行的能力，并具有兩種模式。首先是讓多名設(shè)計師同時在同一個設(shè)計流程中工作的能力。這一做法并非新生事物，但新技術(shù)在效力上與原來相比有巨大的差異。設(shè)計師始終能夠操作PCB設(shè)計數(shù)據(jù)庫，并將其進行拆分。然后每個設(shè)計師都在設(shè)計環(huán)節(jié)工作--但數(shù)據(jù)庫必須重新合并起來。合并過程非常耗時，并且容易出錯，但終結(jié)果可以縮短設(shè)計周期。

　　目前，我們有能力讓多名設(shè)計師同時在同一個數(shù)據(jù)庫中工作，無需數(shù)據(jù)庫分拆。這適合于PCB設(shè)計中的許多流程，包括原理圖輸入、約束（高速和制造規(guī)則）輸入和管理，以及物理布局。另外，每個設(shè)計師都能看到同事實時操作的結(jié)果。這不僅顯著縮短了設(shè)計周期時間，而且提高了設(shè)計師的生產(chǎn)率和產(chǎn)品的質(zhì)量。該技術(shù)的部分用戶節(jié)省了30~70%的設(shè)計時間。為了在2012年保持競爭力，各公司都必須達到相似的設(shè)計周期方面的改進（圖 1）。

　　圖1：協(xié)同設(shè)計通常要求PCB設(shè)計數(shù)據(jù)庫分拆后再重組，而現(xiàn)在則可以在多名設(shè)計師操作時保持完整

　　協(xié)同的第二種模式是以不同于序列的并行方式，運行幾個不同流程的能力。原理圖、約束、布局和分析都可以并行化，從而進一步提高設(shè)計師的生產(chǎn)力，并縮短設(shè)計周期。但是，該模式需要帶有版本管理、同步校準(zhǔn)、權(quán)限和更新控制的復(fù)雜設(shè)計數(shù)據(jù)管理，稍后本文會對此進行闡述。

　　技術(shù)策略 2：虛擬樣機

　　通常各公司通過建立和測試多個原型來驗證他們的產(chǎn)品。設(shè)計一個PCB，構(gòu)建物理原型，在實驗室中測試，確定需要做出哪些改變，重新設(shè)計，然后重復(fù)相關(guān)流程。

　　這種方法存在幾個問題。首先，建立并調(diào)試樣機非常耗時和昂貴。如果上市時間很緊迫，就很可能錯過市場時機。其次，在實驗室中測試可能無法發(fā)現(xiàn)所有潛在問題。例如，你希望產(chǎn)品在劇烈震動等惡劣環(huán)境中使用多年，但是“震動和熱處理”實驗室可能無法運行足夠長的時間以發(fā)現(xiàn)長周期性的問題。同樣，信號完整性也存在這一問題。極端的臨界條件很有可能無法在實驗室中獲得。

　　未來的解決方案是在軟件中進行模擬，如：虛擬樣機。該操作可以在PCB設(shè)計流程中執(zhí)行，并且會覆蓋許多可能的領(lǐng)域：信號（數(shù)字、模擬、射頻）和電源網(wǎng)絡(luò)完整性；集成電路、封裝、PCB和全系統(tǒng)模擬中的熱管理；振動和沖擊（圖 2）；PCB制造和組裝實踐；3D 機械接口等等。在整個設(shè)計流程中執(zhí)行可以確保設(shè)計持續(xù)進行，無需備份和校正。此外，軟件可以探測極端臨界條件，并且可以在數(shù)小時內(nèi)模擬實驗室中數(shù)周和數(shù)月出現(xiàn)的問題。雖然設(shè)計師喜歡手中盡快拿到實物，而執(zhí)行廣泛的虛擬樣機可能有所延遲，但后者可以縮短周期，減少成本，并且提高設(shè)計師的生產(chǎn)力和產(chǎn)品質(zhì)量/可靠性。

　　圖2：振動虛擬樣機可以用幾個小時的軟件模擬來代替實驗室內(nèi)數(shù)周和數(shù)月的操作，并突出顯示各個部件的潛在失效問題（紅、黃、藍）

　　技術(shù)策略 3：從設(shè)計到制造的流程支持

　　上市時間和產(chǎn)品成本是許多行業(yè)的關(guān)鍵。即使軍事/航空和汽車等行業(yè)，在過去也面臨較長開發(fā)時間和/或高成本的限制，現(xiàn)在對此問題也有更加積極的目標(biāo)。此外，PCB設(shè)計師決不能忘記，即使數(shù)據(jù)進入制造流程，他們的責(zé)任也還沒有結(jié)束。同時，從EDA供應(yīng)商的角度來看，重要的是支持不是到設(shè)計階段結(jié)束，不是讓設(shè)計者輕松履行對可制造產(chǎn)品的責(zé)任，而要和制造商一起優(yōu)化他們的生產(chǎn)線，實現(xiàn)成本的產(chǎn)品交付。

　　圖3表明流程是不斷發(fā)展的。從幫助制造商定義規(guī)則和實踐能力的支持開始，對制造和組裝流程中的產(chǎn)量和可靠性產(chǎn)生積極影響。這些DFM（可制造性設(shè)計）規(guī)則將被PCB設(shè)計師用于設(shè)計流程。DFM軟件可在設(shè)計環(huán)境中找出問題，然后由設(shè)計師進行糾正。巧合的是，大多數(shù)制造商也使用相同的規(guī)則和軟件來檢查接收的設(shè)計數(shù)據(jù)。這樣可以確保一旦設(shè)計進入制造流程，就可以持續(xù)執(zhí)行，無需設(shè)計返工。

　　圖3：全面的設(shè)計到制造流程支持，能夠確保高產(chǎn)量、高產(chǎn)品可靠性和低生產(chǎn)成本

　　一旦設(shè)計通過智能化接口，如ODB++，進入制造流程，制造商可以利用軟件進行生產(chǎn)線建模，并優(yōu)化其利用。在生產(chǎn)線運行時，軟件將持續(xù)監(jiān)控零件按時交付、機器停工以及產(chǎn)品可追溯性等問題。即使發(fā)生質(zhì)量缺陷，也可以確保跟蹤并突顯低于可接受故障率的設(shè)備或流程。

　　技術(shù)策略 4：復(fù)雜性管理

　　對于擊敗競爭對手的差異化產(chǎn)品，公司必須利用和的技術(shù)，將更多功能壓縮到更小空間內(nèi)，同時仍能滿足積極的市場時機，這在2012年將變得更為重要。集成電路技術(shù)在高密度、高速度、在更小的空間中更多的針腳、和更高的功耗等方面持續(xù)提高。PCB（印刷電路板）制造技術(shù)，如HDI/微孔技術(shù)，可以增加密度，但設(shè)計也更加復(fù)雜。面對這種不斷提高的復(fù)雜性，我們該如何保持并提高設(shè)計師的生產(chǎn)力呢？答案是同樣增加設(shè)計工具的功能。

　　例如：不久前，一個典型的設(shè)計可能包含一些必須遵守長度和鄰近規(guī)則的高速網(wǎng)絡(luò)。這些網(wǎng)絡(luò)可由設(shè)計師輕松管理?，F(xiàn)在，大讀數(shù)設(shè)計都擁有超過50%的高速網(wǎng)絡(luò)，甚至有些高達90%.另外一個例子是BGA針數(shù)和密度的增加。這將成為PCB扇出時的一個挑戰(zhàn)。這類情況提出了一個復(fù)雜性問題，沒有先進的設(shè)計工具，將導(dǎo)致生產(chǎn)力嚴(yán)重下降，上市時間顯著延長。

　　策略優(yōu)勢 - 可靠性至關(guān)重要。

　　多年來關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用取決于Rogers的微波材料。Rogers的軍用級層壓板能經(jīng)受時間和溫度的考驗而保持穩(wěn)定一致的性能，這對航空和國防應(yīng)用而言是至關(guān)重要的。

　　Rogers微波材料的穩(wěn)定性能提供了大多數(shù)關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用所需的高性能和高可靠性。你能承受減少材料的應(yīng)用嗎？

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　　圖4：遵循規(guī)則的自動高速互連路由來滿足性能目標(biāo)

　　如果我們查看增加高速網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容的個示例，現(xiàn)存的工具有助于設(shè)計師遵守所有的延遲和信號完整性規(guī)則。工程師在約束條款中設(shè)置這些規(guī)則，然后CAD設(shè)計師按規(guī)定路線發(fā)送個體互聯(lián)或總線結(jié)構(gòu)，自動調(diào)整高速網(wǎng)絡(luò)，然后匹配/限制的長度，以及匹配差異化配對等網(wǎng)絡(luò)。這樣的任務(wù)顯然是無法靠手動完成的。

　　技術(shù)策略 5：跨學(xué)科合作

　　產(chǎn)品研發(fā)和交付需要跨學(xué)科合作。在電子領(lǐng)域，我們擁有集成電路、封裝、FPGA、RF、模擬和數(shù)字化方面的；而在機械領(lǐng)域，我們擁有設(shè)計外殼和執(zhí)行CAE分析的工程師；我們擁有采購、供應(yīng)鏈和制造人員；我們擁有嵌入式軟件研發(fā)。所有這些都需要在開發(fā)過程中有效合作。過去是通過紙張和電子郵件進行，現(xiàn)在主要通過電子媒介，但團隊成員之間的大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存依然存在問題。如何有效地確定發(fā)生了何種改變，在你的領(lǐng)域內(nèi)該如何應(yīng)對，以及你實際采用了何種控制？此類問題在不久的將來必須得到處理。

　　實際上，大多數(shù)交互是一種協(xié)商。例如，如果一名機械工程師發(fā)現(xiàn)PCB上的一個組件將會干涉物理產(chǎn)品外殼，則該工程師可以提議更換該組件的位置。這將采取一種漸進（僅在更換時）提議的形式傳達給PCB設(shè)計師--不同于大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存，PCB設(shè)計師必須經(jīng)過排序來確定提議。近漸進式變化性能已經(jīng)由Mentor Graphics、PTC和用戶發(fā)展成為標(biāo)準(zhǔn)（“EDMD”），并獲得了ProSTEP的批準(zhǔn)。

　　該提議將以圖形的形式展示給PCB設(shè)計師，后者將根據(jù)PCB的實際情況接受、拒絕或提出一個更適合此PCB的提議。協(xié)商過程將持續(xù)到達成一致為止，屆時機械和電氣數(shù)據(jù)庫都將進行更新。 這個完全電子化的合作僅僅是目前許多實際操作的示例之一。

　　技術(shù)策略 6：知識產(chǎn)權(quán)（IP）管理

　　一流電子公司確定未來成功的關(guān)鍵在于他們的工作進程和數(shù)據(jù)庫的管理。

　　設(shè)計團隊成員，無論位于本地還是分散在世界各地，都需要創(chuàng)建一個有效的權(quán)限，并嚴(yán)格管理公司認(rèn)為重要的資產(chǎn)。公司數(shù)據(jù)庫管理員將合格組件的信息輸入經(jīng)過批準(zhǔn)的管理基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)，可由設(shè)計師進行評估。預(yù)先設(shè)計的全部或部分PCB可以增加到庫中，便于日后項目的重新使用。

　　隨著PCB設(shè)計的進展，團隊創(chuàng)建了原理圖、約束和PCB布局?jǐn)?shù)據(jù)。該工作進程數(shù)據(jù)管理非常復(fù)雜，需要專門創(chuàng)建用于管理電子版知識產(chǎn)權(quán)（IP）的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)。不同團隊成員編輯的數(shù)據(jù)將面臨版本管理和同步化的問題。公司可以聘用服務(wù)機構(gòu)來設(shè)計部分產(chǎn)品，并希望僅共享部分IP.這就是排除使用標(biāo)準(zhǔn)PLM系統(tǒng)的復(fù)雜性（圖5）。也就是說，隨著產(chǎn)品的成熟開發(fā)，終的設(shè)計數(shù)據(jù)必須上傳到公司的PLM、ERP等系統(tǒng)內(nèi)，進行生命周期管理。因此，ECAD供應(yīng)商必須不僅提供PCB特別IP管理，而且要提供與企業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)對接的支持標(biāo)準(zhǔn)。

　　圖5：電子產(chǎn)品IP的管理極其復(fù)雜，需要ECAD的軟件。標(biāo)準(zhǔn)的PLM系統(tǒng)無法保持內(nèi)部關(guān)系和同步