PCB小型化：PCB设计中面临的挑战

“亲爱的，我把孩子们变小了。” 这是电影中的一句台词，但它也可以描述PCB设计中正在进行的小型化。
虽然PCB面积在很大程度上保持不变，但在过去十年中，每单位面积的连接数量增加了两倍。
组件的平均数量在15年内翻了两番，而每个组件的平均连接数下降了4到5倍。每种设计的引脚数增加了两倍，引脚对引脚的连接数也增加了一倍。
尽管各个组件和成品越来越小，但PCB（印刷电路板）布局的密度和复杂性却有所增加。总体而言，PCB的日益小型化和复杂性给开发人员带来了许多挑战，他们负责确保所有组件都能配合在一起并平稳运行。
在一项调查中，接受调查的电子公司中有53％表示，不断增加的PCB复杂性是他们努力将最具竞争力的产品更快，更低成本地推向市场的主要挑战。以下是一些最常见的PCB布局问题领域的概述：

• 具有高引脚数的球栅阵列（BGA）的布线
• 适用于不规则形状的小型产品的柔性PCB设计
• 在不增加层数的情况下增加PCB布局密度
• 避免复杂的多层PCB设计中的电压降
• 确保有效的ECAD-MCAD集成并改善与制造商的沟通
• 为密集，复杂的PCB配备足够的测试点

如果使用与最新知识相对应的一致的PCB布局软件，则可以克服刚才提到的所有挑战。
 

球栅阵列的布线
BGA是用于PCB和集成电路（IC）的常见外壳设计，这些PCB和集成电路具有大量连接或封装非常密集。PCB设计人员之所以依赖BGA，是因为它们一方面具有成本效益，另一方面又提供了满足微型化和功能性要求所需的灵活性。问题在于，随着连接网格越来越细，引脚数会增加。
“ BGA突破”，即引出和路由BGA的连接，变得越来越困难。然而，低效率的布线可能意味着需要更多的电路板层。较高的成本，潜在的信号完整性问题，分层以及通过宽高比问题是与此相关的一些潜在问题。
具有1500个以上连接的BGA代表了布线的特殊挑战。路由通常分为两个步骤。首先，设计人员必须在表面的BGA焊盘与PCB的内层之间形成连接（扇出）。然后，必须将这些内层连接到PCB上的其他组件。通常，仅来自大型BGA的路由就决定了路由所需的层数。
BGA突破工序是手工完成的，可以使PCB布局设计人员忙几天。PCB布局软件可以帮助自动执行此过程，通常可以将布线时间减少到几分钟。这样，先进的PCB布局软件可以降低布局成本，并缩短成品时间。
除了自动布线外，HDI技术（高密度互连）还可以帮助解决BGA布线问题。

 
电路板应适应最小的空间
早在电子学的早期，印刷电路板就一直具有美丽，可预测的矩形形状。然而，与此同时，有可穿戴设备，电子产品已进入几乎所有可能的行业。因此，PCB必须经常为圆形或其他不规则形状，并适应最小的空间。但是，由于已知必须具有创造性，因此PCB布局设计者已经开发了一种巧妙的布局和布线技术，其中最实用的是刚挠性PCB，即刚挠性电路板。
刚性-柔性-板是传统的刚性电路板，其通过柔性电路板彼此连接，因此可以折叠成最小的空间或通过狭窄的开口插入。在设计刚挠PCB时，设计人员需要考虑可能会出现问题的几个区域。例如，必须精心设计弯曲点，以使板正确对齐，而不会对连接点施加压力。设计层结构时还必须考虑这些弯曲点。
过去，PCB设计人员制作纸模型来模拟和测试刚柔设计。另一方面，如今，一流的PCB布局软件甚至可以对不规则形状的三维柔性刚体组件进行三维建模，从而可以更快地设计并显着提高精度。
 
在越来越少的空间中越来越复杂
如前所述，自动布线可以帮助优化PCB布局并最大程度地减少所需的层数。在不增加层数的情况下增加电路板密度的另一种可能性是已经提到的HDI布局技术，该技术使用非常精细的导体路径，盲孔，掩埋过孔和微孔。如果计划合理，HDI可以降低成本，提高性能。
HDI具有几种用于路由拓扑和PCB布局的灵活选项。但是，尽管它解决了一些布线和密度问题，但它也带来了一些自身的问题，下面列出了其中的一些问题：

• 电路板上的工作区有限
• 组件更小，间距更小
• 板子两侧都有更多组件
• 较长的路线增加了信号传输时间
• 需要更多的走线路径才能完成PCB

PCB设计人员可以使用PCB布局软件来帮助解决这些问题并潜在地减少所需的层数
 
避免电压降
早期的印刷电路板具有非常简单的配电网（PDN），该配电网由大接地层和内层的电源层组成。这种设计的优点是接地阻抗非常低，而且这种庞大的铜结构可以满足每个IC的功率要求。但是现代PCB不再那么简单。它们通常使用多个电压工作，通常用于一个和同一IC，因此需要多个接地和电源表面。这可能会引起各种问题，例如由于电源面积变窄（导致电流密度增加）或电磁干扰而引起的热量和分层问题。
最重要的是，由于电源区域的细分，减少了铜的含量，这不可避免地降低了载流能力。如果电流在切换时达到峰值，则开发不足的设计可能无法提供足够的电流，这可能导致IC两端的电压下降。但是，电压不足会导致故障，在某些情况下，其后果可能是灾难性的（例如，在用于变速器，电机或制动功能的控件中）。另外，这种电压下降的事实使情况变得复杂。通常只间歇性地发生，并且只能在某些开关状态下观察到。这使得很难使用手动方法来记录和诊断这些影响。
幸运的是，好的PCB布局软件可以执行PDN分析，有时也称为IR分析或电源完整性DC模拟（PI-DC）。这可以验证电路板上区域，导体走线和过孔的尺寸和属性是否足以满足电路板上组件的功耗要求。通过确定设计中可能出现问题的电压降的区域，此类分析使设计人员能够创建可靠而有效的PCB设计。
 
改善沟通与协作
电子和机械设计人员经常在各自的领域中孤立工作。缺乏沟通和协作可能意味着设计不能按时完成，因为每个变更请求都会增加产品开发的时间和成本，并降低公司的竞争优势。即使设计已经完成，将设计传达给制造商也可能导致挫败感和不准确性，再次使开发变得更加昂贵和耗时。
因此，在你将PCB设计文档发给制造商之前，使用华秋DFM软件进行检测是一项非常重要的步骤，通过一键检测直接分析你的设计中所存在的隐患。你可以根据软件给出的建议对你的PCB设计进行修改，从而避免PCB制造中可能出现的失败风险并提升你的PCB性能。并且通过华秋DFM进行估价，减少与制造商的沟通成本。