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PCB设计：如何减少错误并提高效率

judy — Thu, 21 Jul 2022 01:22:21 +0000

电路板设计是一项关键而又耗时的任务，出现任何问题都需要工程师逐个网络逐个元件地检查整个设计。可以说电路板设计要求的细心程度不亚于芯片设计。

典型的电路板设计流程由以下步骤组成：

前面三个步骤花的时间最多，因为原理图检查是一个手工过程。想像一个具有1000条甚至更多连线的SoC电路板。人工检查每一根连线是冗长乏味的一项任务。事实上，检查每根连线几乎是不可能的，因而会导致最终电路板出问题，比如错误的连线、悬浮节点等。

原理图捕获阶段一般会面临以下几类问题：

● 下划线错误：比如APLLVDD和APLL_VDD

● 大小写问题：比如VDDE和vdde

● 拼写错误

● 信号短路问题

● ……还有许多

为了避免这些错误，应该有种方法能够在几秒的时间内检查完整个原理图。这个方法可以用原理图仿真来实现，而原理图仿真在目前的电路板设计流程中还很少见到。通过原理图仿真可以在要求的节点观察最终输出结果，因此它能自动检查所有连接问题。

下面通过一个项目实例进行解释。

考虑电路板的一个典型框图：

图1

在复杂的电路板设计中，连线数量可能达到数千条，而极少量的更改很可能浪费许多时间去检查。

原理图仿真不仅能节省设计时间，而且能提高电路板质量，并且提高整个流程的效率。

一个典型的待测设备(DUT)具有以下一些信号：

图2

待测设备在经过某些预调整后会有各种各样的信号，并且有各种模块，如稳压器、运放等，用于信号调整。考虑通过稳压器得到的一个供电信号例子：

图3：样例电路板的原理图。

为了验证连接关系并执行整体检查，使用了原理图仿真。原理图仿真由原理图创建、测试平台创建和仿真组成。

在测试平台创建过程中，将有激励信号给到必要的输入端，然后在感兴趣的信号点观察输出结果。

可以通过将探针连接到待观察节点实现上述过程。节点电压和波形可以指示原理图有没有错误。所有信号连接都会得到自动检查。

图4：原理图测试平台和各个节点的仿真值。

让我们看一下上面这张图的一个局部，其中探测的节点和电压清晰可见：

因此在仿真的帮助下，我们可以直接观察结果，确认电路板原理图是否正确。另外，通过仔细调节激励信号或元件值还可以实现设计更改的调查。因此原理图仿真可以节省电路板设计和检查人员的大量时间，并且增加设计正确性的机会。

免责声明：本文转载于网络，转载此文目的在于传播相关技术知识，版权归原作者所有，如涉及侵权，请联系小编删除(联系邮箱：service@eetrend.com )。

PCB设计

PCB设计之高速电路

judy — Wed, 13 Jul 2022 07:37:40 +0000

本文转载自：凡亿PCB微信公众号

在工作中经常会遇到有人问什么是高速电路，或者在设计高速电路的时候需要注意什么。每当遇到这种问题就头脑发懵，其实不同的产品、不同的人对其都有不同的理解。今天简单总结一下最基本的一些概念包括对高速电路的理解、什么是信号完整性还有信号的带宽等。

一、高速电路的定义

本人从各种资料和书中看到许多关于高速电路的定义，可能不同的产品对于高速信号的定义不同，具体还要看设计的产品类型，简单整理主要有以下几种：

1.是指由于信号的高速变化使电路中的模拟特性，如导线的电感、电容等发生作用的电路。

2.信号工作频率超过50MHz，并且在这个频率之上的电路已经占到了整个电子系统相当的分量。

3.根据信号的上升沿和下降沿的时间来定义。

4.大家通常比较熟悉的DDR、Serdes、UFS等一些上G传输速率的layout等

二、信号完整性问题

信号完整性要求就是信号从发送端到互连传输过程中以正确的时序、幅度及相位到达接受端，并且接受端能正常的工作，或者可以说信号在互连传输中能很好的保持时域和频域的特性。通常还有以下两种定义：

1.当信号的边沿时间小于4-6倍的互连传输时延，需要考虑信号的完整性问题。

2.当线传播时延大于驱动端的上升沿或下降沿将会引起传输的非预期的结果。

3.下面在简单说下时域和频域的关系，因为当初本人接触到这两个概念是一头雾水，很懵：

以上资料主要参考《Cadence 高速电路设计》、《ANSYS信号完整性分析与仿真实例》

如有雷同或错误，希望各位大神留言指正，感谢！！

如何管理高密 HDI 过孔

judy — Fri, 10 Jun 2022 06:38:53 +0000

本文要点:

高密互连 PCB 设计案例

用于 HDI 设计的过孔

使用设计规则进行有效过孔管理

正如五金店里需要管理并陈列各种类型、公制、材质、长度、宽度和螺距等的钉子、螺丝类安装件，PCB 设计领域中也需要管理过孔这样的设计对象，尤其在高密设计中更是如此。传统的PCB设计可能只使用几种不同的过孔，但如今的高密互连 (HDI) 设计则需要许多不同类型和尺寸的过孔。而每一个过孔都需要被加以管理，从而被正确地使用，确保最大程度提高电路板性能和无误差可制造性。本文将详细阐述在 PCB 设计中管理高密过孔的需求，以及如何实现这一需求。

驱动高密PCB设计的因素

随着市场对小型电子设备的需求不断增长，驱动这些设备的印刷电路板也不得不随之缩小，以便能安装到设备中。与此同时，为了满足性能提升要求，电子设备不得不在电路板上增加更多的器件和电路。PCB 器件的尺寸在不断减小，而引脚数量却在增加，因此不得不使用更小的引脚和更紧密的间距来进行设计，这一切让问题更加复杂。对于 PCB 设计师来说，这相当于袋子越来越小，而里面装的东西越来越多。传统的电路板设计方法很快就达到了极限。

显微镜下的印刷电路板过孔

为了满足在更小的电路板尺寸上增加更多电路的需求，一种新的 PCB 设计方法应运而生——高密互连，简称 HDI。HDI 设计采用了更先进的电路板制造技术，线宽更小，材料更薄，具备盲孔和埋孔或者用激光钻出来的微孔。得益于这些高密特性，更小的电路板上可以布置更多的电路，并为多引脚集成电路提供了可行的连接解决方案。

使用这些高密过孔还带来了其他几个好处：

布线通道：由于盲孔和埋孔以及微孔不穿透板层堆叠，这在设计中创造了额外的布线通道。通过有策略地放置这些不同的过孔，设计师可以为拥有数百个引脚的器件布线。如果只使用标准的通孔，引脚如此之多的器件通常会阻塞所有的内层布线通道。

信号完整性：小型电子设备上的许多信号也有特定的信号完整性要求，而通孔不能满足此类设计要求。这些过孔会形成天线，引入EMI问题，或者影响关键网络的信号返回路径。使用盲孔和埋孔或者微孔，则可以消除潜在的因为使用通孔而造成的信号完整性问题。

为了更好地理解上文所说的这些过孔，我们接下来看一下在高密设计中可以使用的不同类型的过孔及其应用。

PCB 设计工具中的过孔列表显示了不同过孔的类型和配置

高密互连过孔的类型和结构

过孔是电路板上连通两层或两层以上堆叠的孔洞。通常来说，过孔将走线承载的信号从电路板的一层传输到另一层相应的走线上。为了在走线层之间传导信号，过孔在制造过程中被镀上金属。根据具体用途，过孔的尺寸和焊盘各不相同。较小的过孔用于信号布线，而较大的过孔则用于电源和接地布线，或帮助过热的器件散热。

电路板上不同类型的过孔

通孔

通孔是双面印刷电路板自首次问世以来一直在使用的标准过孔。孔洞是以机械方式钻出，穿透整个电路板，并采用电镀工艺。然而，机械钻头能钻出的最小孔径有一定局限性，取决于钻径与板厚的纵横比。一般来说，通孔的孔径不小于 0.15 毫米。

盲孔

这种过孔像通孔一样，也是以机械方式钻出，但采用了更多的制造步骤，只从表面钻穿部分板层。盲孔也同样面临着钻头尺寸限制问题；但取决于位于电路板的哪一面，我们可以在盲孔的上方或下方进行布线。

埋孔

埋孔与盲孔一样，也是以机械方式钻出，但起止于电路板的内层而不是表层。由于需要埋入板层堆叠，这种过孔也需要额外的制造步骤。

微孔

这种过孔是用激光烧蚀，孔径小于机械钻头的 0.15 毫米限制。由于微孔只跨越电路板的相邻两层，其纵横比使可供电镀的孔洞要小得多。微孔也可以放置在电路板的表层或内部。微孔通常是填充和电镀的，基本上是隐藏式的，因此可以放置在球栅阵列 (BGA) 等元件的表面贴装元件焊球中。由于孔径小，微孔所需要的焊盘也比普通过孔小得多，大约为 0.300 毫米。

用于高密设计的典型微孔

根据设计需求，可以对以上不同类型的过孔进行配置，使它们配合工作。例如，微孔可以与其他微孔叠放在一起，也可以与埋孔叠放在一起。这些过孔也可以交错排列。如前所述，微孔可以放置在表面贴装元件引脚的焊盘内。由于没有了从表面贴装焊盘到扇出过孔的传统走线，布线拥塞的问题得到进一步缓解。

以上不同类型的过孔可以用于 HDI 设计。接下来，我们看看 PCB 设计人员如何才能有效地管理过孔的使用。

PCB设计CAD工具中的高密过孔管理

虽然只有少数几种类型的过孔可用于 PCB 设计，但有许多方法可以创造出不同的过孔大小和形状。用于电源和接地连接的通孔，通常比用于常规布线的通孔更大，放置在拥有几百个引脚的大型 BGA 元件底部的过孔除外。对于这些，除了BGA 焊盘以外，可能还需要表面贴装焊盘中的微孔。虽然较大的元件将受益于微孔的使用，但微孔并不适合引脚较少的常规表面贴装元件；对于这种布线则建议使用标准的通孔。这些通孔比电源和接地过孔更小，而用于散热的通孔更大。此外，还可以使用各种不同尺寸的盲孔和埋孔。

显然，在 HDI 设计中，由于需要许多不同的过孔来满足所有的设计需求，因此容易使人不知所措。虽然设计师可以跟踪其中的几个过孔，但随着过孔的尺寸规格越来越多，过孔变得越来越难以管理。不仅设计师必须管理所有这些过孔，而且根据电路板的区域，不同的过孔可以用于同一个网络。例如，时钟信号可以通过 SMT 焊盘中的微孔从 BGA 引脚走线出去，但随后会在那条线路的下一段回到埋孔。但对于这个网络，最好不要使用传统式过孔，因为额外的筒状孔壁可能会在线路上产生不必要的天线。

那么，如何更好地管理过孔呢？Cadence® Allegro® PCB Designer为设计师提供了有效的高密过孔管理功能。

利用 Allegro PCB Designer 的规则管理来系统地管理过孔间距

使用先进的规则管理系统

Cadence Allegro PCB Designer 的规则管理器可为每个网络分配一个或多个过孔用于布线。这将减轻设计师在连接每个网络时手动筛选所有可用过孔的压力。也可以为网络组设置网络类，这些网络类可以分配特定的过孔，大大简化了手动管理。此外，可以为过孔或者电路板的特定层和区域全局分配间距等多个过孔约束；还可以为正在处理的不同过孔类型指定间距约束。

文章来源： Cadence楷登PCB及封装资源中心

PCB设计中，如何使用规则高效管理过孔

judy — Tue, 19 Apr 2022 02:31:07 +0000

本文要点

PCB 设计中可以使用多少不同的过孔？

在设计中使用大量过孔将导致的组织问题。

如何使用Allegro的规则管理系统管理过孔使用。

罗列任务清单的方式有时对工作非常有帮助，同样地，PCB CAD 系统的创建者也认识到了这一方法的有效性，从而创造了实用的工具来整理电路板设计中的不同数据对象。

曾几何时，PCB 版图只需要极少的形状和尺寸来放置走线、焊盘和过孔设计对象。不仅是当时的设计不需要很多尺寸和形状，而且早期用于制造电路板的底片绘图仪也没有能力创建更多尺寸和形状。不过，随着 PCB 设计变得越来越复杂，激光绘图仪取代了传统的矢量绘图仪，如今设计对象的尺寸和形状的数量以及多样性出现了成倍增长。

相应的，对于当今复杂的 PCB 版图，设计师可以使用规则来管理过孔，从而规整在设计中使用的对象数量。就像使用任务清单一样，这些规则系统可以让过孔保持整齐有序，并将其分配到各自所属的网络中。本文将了解规则系统可以解决哪些问题，以及如何有效使用这些工具来规整PCB设计。

对于 PCB 设计来说，最多可以使用多少种不同的过孔类型和尺寸？

高速印刷电路板设计中的过孔

正如前文所述，以前，PCB 设计中可使用的过孔数量是有限制的。设计师不仅要根据底片绘图仪上的可用孔径来确定其走线宽度、焊盘形状和过孔尺寸，而且设计工具也往往不支持许多不同的尺寸和形状。

然而，随着目前用于 PCB 制造的 CAD 工具和成像工艺不断发展，这些限制已经不再适用。根据特定 PCB 设计的需要，设计师可以使用许多种不同的过孔类型和形状，没有上限。这些过孔类型和形状包括：

过孔类型

1. 通孔是最常见的，也是最容易制作的。不过，它们确实有最小尺寸限制，在高密度设计中也会占用很多空间。

2. 盲孔和埋孔要么从外层开始，只部分穿过板层堆叠（盲孔）；要么只在内层之间穿过（埋孔）。与标准过孔相比，制作这些过孔需要更多的工艺步骤。但由于信号完整性的原因，加之可以在其上方和/或下方开辟额外的布线通道，这些过孔的长度较短，在设计中更为理想。

3. 微型过孔也被称为激光钻孔，只跨越两层；是密集的小间距高引脚数元器件的理想布线方式。

过孔尺寸

过孔的尺寸差距很大，具体取决于所需孔的大小。标准钻头通常不能钻出小于 0.15mm 的孔，比这更小的孔是必须用激光才能钻出的微孔。

过孔钻头的尺寸取决于钻头与电路板厚度的长宽比，较厚的电路板需要较大的过孔以防止钻头断裂。通常，PCB 上允许的最小过孔尺寸将用于信号布线，而较大的过孔尺寸将用于高电流网，如电源和接地连接。

过孔用途

过孔有许多不同的用途，根据具体的用途，过孔的类型和尺寸也随之变化。例如，小通孔通常用于电路板上的布线，而大尺寸的通孔则可能用于电源和地线的连接，或者将接地平面拼接成网格状的图案。

尺寸更大的过孔可用于在运行温度过高的元器件下方进行散热，从而帮助电路板散热。也可以将通孔或盲孔标记为 PCB 测试点，有些设计甚至可以将标记为测试点的过孔形状从圆形改为方形。

综上，PCB 设计中可能会使用很多不同尺寸和形状的过孔。那么问题是，在设计中管理这么多过孔可能会造成一片混乱。

PCB 版图中过孔的组织问题

使用 PCB 设计工具的过孔列表功能，将多个过孔分配给一个网络

上图显示的是 CAD 系统中一个网络中可使用的过孔列表，而其余的网络可能在使用完全不同的过孔。此外，在 PCB 设计中，还有许多其他智能设计对象必须与过孔一起管理，这进一步增加了设计的复杂程度。而走线宽度、布线拓扑结构和间距要求只是其中的几项，设计师必须根据对版图最有利的方式仔细设置使用规则。

除此之外，为了使电路板达到预期性能，通常必须要符合一些与特定网络相关的要求，这进一步增加了设计的复杂性。例如，一些高速网络可能被限制在某些层，意味着这些网络需要一个特定的盲孔或埋孔，来确保它们位于所需的层。

虽然设计师也能在脑海中跟踪这些限制，并为网络使用合适的过孔，但当设计中有数百条这样的规则需要管理时，仅凭大脑记忆是远远不够的。诸如此类的情况是导致设计失误的主要原因，这些错误会造成电路板在运行过程中性能不良或彻底报废。因此，设计师需要设计工具中具有实用程序，来管理电路板上的大量过孔及其网络分配。

使用规则管理PCB过孔设计

使用规则管理系统将过孔分配给 PCB 版图中的各个网络

在 PCB 版图中管理过孔和其他智能设计数据的最佳应用之一是设计规则管理系统。上图是 Cadence PCB 设计工具中的规则管理器。该系统具有高级的电子表格式用户界面，可以方便地输入并编辑电子表格单元中的数据。通过电子表格中的各种菜单，无需打字输入，就可以从列表中快速挑选特定的项目，如过孔或网络名称。

利用这种规则管理系统可以轻松创建项目的规则，如单个网路的走线宽度和间隙。还可以用网络分类功能将不同的网络组合成群组，然后为这些类别分配规则。除了布线，规则管理系统还可以设置电气、器件和可制造性设计 (DFM) 规则，以检测有可能影响电路板可制造性的问题。

这种电子表格式的规则系统有助于整理和设计版图，以便确保将电路板送去制造和组装之前，版图中不存在任何问题。下面仔细了解一下如何在此类规则管理系统中使用过孔。

设计工具示例：过孔规则管理系统

在 Allegro Constraint Manager 中为 PCB 设计设置过孔

以Cadence Allegro® PCB Editor 工具为例，使用 Constraint Manager 的操作非常简单直接，甚至可以在版图或原理图中执行。如上图所示，不同的过孔已经被添加到规则管理器中显示的网络上。

我们可以选择单个网络来添加过孔，也可以在管理器中一次选择多个网络来为所有网络添加相同的过孔。这些过孔可以从设计中可用的过孔列表中获取，而过孔列表既可以由设计师创建，也可以从库中导入。在网络规则中设置好过孔后，设计师就可以进行布线，并且能确认已为电路板的每个网络使用正确的过孔。

文章来源：Cadence楷登PCB及封装资源中心

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