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PCB设计的发展会对硬件工程师有哪些影响

2020-9-30 14:33:30 显示全部楼层
PCB的历史

1925年,美国的Charles Ducas 在绝缘基板上印刷出线路图案,再以电镀的方式,建立导线。这是开启现代PCB技术的一个标志。
1947年,环氧树脂开始用做制造基板。
1953年,Motorola开发出电镀贯穿孔法的双面板,后应用到多层电路板上。
1960年,V. Dahlgreen以印有电路的金属箔膜贴在塑胶中,制作出软性印刷电路板。
1961年,美国的Hazeltine Corporation参考了电镀贯穿孔法,制作出多层板。
1995年,松下电器开发了ALIVH的增层印刷电路板。
1996年,东芝开发了B2IT的增层印刷电路板。
20世纪末,Rigid-Flex、埋阻、埋容、金属基板等新技术不断涌现,PCB不仅是完成互连功能的载体,而且作为所有电子产品中一个极为重要的部件,在当今的电子产品中起到举足轻重的作用。

PCB设计的发展趋势

电子产业在摩尔定律的驱动下,产品的功能越来越强,集成度越来越高,信号的速率越来越快,产品的研发周期也越来越短。由于电子产品不断微小化、精密化、高速化,PCB设计不仅仅要完成各元器件的线路连接,更要考虑高速、高密带来的各种挑战。
PCB设计不再是硬件开发的附属,而成为产品硬件开发中“前端IC,后端PCB,SE集成”的重要一环。
IC公司不仅完成芯片的开发,同时给出典型应用原理图设计参考。
系统工程师根据产品功能需要,完成IC选型,功能定义,按照IC公司的原理参考设计完成产品的原理图开发;传统硬件工程师电路开发的工作逐渐减少,电路开发工作逐渐转向IC工程师、PCB工程师身上。
PCB工程师根据系统工程师提供的原理方案,在结构工程师的配合下,在整体考虑SI、PI、EMI、结构、散热的情况下,根据当前主流PCB工厂的加工能力、工艺参数完成PCB设计。
PCB设计将呈现如下趋势。
1.研发周期不断缩短
电子产品的更新换代加剧,新功能层出不穷,缩短了消费类电子产品的使用寿命。上市机会窗的缩短,迫使产品研发加速,PCB的开发周期也相应被压缩。
PCB工程师的解决对策:
要采用一流的EDA工具软件。
追求一板成功,PCB专业工程师综合考虑各方面因素,力争一次成功。
多人并行设计,分工合作。
模块重用,重视技术沉淀。
此外,PCB工程师提前介入产品研发流程,以减少后续返工,这也是非常重要且必要的。
2.信号速率的不断提高
随着信号速率的不断提升,信号完整性不断困扰着研发人员,包括总线驱动能力、信号的反射、串扰、时序等。
PCB工程师的解决对策:专业SI工程师参与,PCB设计工程师掌握一定的高速PCB设计技能。
3.单板密度加大
从面包板到单面板,再到双面板、多层板、HDI板,电子产品的小型化加剧了PCB设计的高密度、精细化。50~75μm微细导线已逐渐成为主流,在智能终端设备上被广泛使用。
PCB工程师的解决对策:PCB工程师必须紧跟业界前沿,了解新材料、新工艺,例如埋阻、埋容技术、HDI技术等。采用能支撑高密PCB设计的一流EDA软件。封装基板技术将被逐渐引入常规PCB设计中。
4.门电路工作电压越来越低
电子技术的发展,使得电路的工作电压越来越低、电流越来越大。低电压工作虽然有利于降低电路的整体功率消耗,但也给PCB的电源设计提出了新的难题。
PCB工程师的解决对策:理清电源通道,不仅要满足载流能力的需要,还要通过适当增加去耦电容,必要时采用电源地平面相邻、紧耦合的方式,以降低电源地平面阻抗,减少电源地噪声。此外,埋容技术能有效降低电源地平面阻抗,在高密终端电子设备中正逐渐受到青睐。为了应对低电压时代的电源地噪声问题,专职PI工程师成为必要。
门电路翻转提供电源供给路径,如图1-1所示。
5.SI、PI、EMI问题趋于复杂
高速信号衍生的高次谐波,延伸了频带宽度;不同信号之间的串扰、共阻抗通道增加了信号之间的干扰。产品小型化、高度集成化带来PCB设计的高密度,这进一步加剧了SI、PI、EMI问题的产生。
PCB工程师的解决对策: PCB设计工程师需具备高速PCB的SI、PI、EMI设计基本技能。此外,专业SI、PI、EMI工程师参与PCB设计非常必要。
随着信号速率的进一步提升,使用传统电路的方式解决高速问题已逐渐吃力,采用三维电、借助近场探头测出的RE指标及特定频率的EMI物理空间分布图,如图1-2所示。从磁场的角度分析SI、PI、EMI成为必然。
图1-1 门电路翻转提供电源供给路径

图1-2

6.新工艺、新材料的使用,埋阻、埋容将得到推广
电子产品的小型化,带来单板的高密化、精细化,除了需要结构、DFM工程师参与PCB设计外,PCB设计工程师需要了解最新PCB加工工艺和新材料(例如HDI、埋阻和埋容、ALIVH、金属基板、特殊板材等)。
打开现在的计算机主板或网络设备的主板,发现滤波电容的数量远远超过功能电路的元器件数量,加上匹配电阻等非功能性器件,单板上已布满了很多功能电路之外的辅助元件。随着单板的高密化、小型化发展,01005等微小器件的使用越来越频繁,但由于其重量过轻,在回流焊接时极易被回流炉的风吹偏位而导致焊接不良。近年来逐渐推广的埋阻和埋容技术将有效解决这些阻容器件的密度和贴装问题,埋容还能为电源完整性提供有效解决方案,降低电源噪声。
综上所述,在以上趋势的驱动下,PCB设计将彻底从硬件工程师的工作内容中剥离出来,并将逐渐细分,PI、SI、EMI、封装库、DFM等工作逐渐独立成为专门的学科。专业的PCB设计工程师、专业PCB设计公司将发挥更加重要的作用。


来源:电子工程师小李

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