每日時訊!PCB設計如何提升設計能力和制造能力？電子產品設計流程

David Wiens

(相關資料圖)

Mentor Graphics 系統設計部Xpedition產品經理

從最初單線單板，到之后高密度高速高頻等復雜PCB，再到多板、跨領域的極度復雜的現代電子系統……“沒有很難，只有更難和更復雜”，是當今電子業界的至理名言。隨之而來的就是如何提升企業自身的設計能力和制造能力以應對挑戰。

目前極度復雜的現代電子系統需要設計人員考慮的問題眾多，不僅包含數字部分、模擬部分，還有射頻部分，其中牽涉不同領域的仿真也很多，如信號完整性仿真、電源完整性仿真、熱仿真、成本分析、可靠性仿真，以及可制造性等各個方面，跨領域的分析和設計的迭代貫穿了整個設計流程，同時對設計的精度以及時間要求也是非常嚴格……PCB設計負責需要在設計開發階段盡早發現問題，但是他們普遍面臨著缺乏強大的驗證工具以及應用這些工具存在困難的挑戰。

以上挑戰歸結起來有三個方面：第一是產品設計復雜度的提升；二是由于產品設計復雜度的提升帶來組織架構復雜度的提升，因為設計的分工越來越細，勢必促進跨部門和跨領域來進行設計協作；三是產品設計復雜度和跨領域的合作帶來設計流程和生產流程復雜度的提升。

PCB007中國在線雜志主編EDY近期與Mentor Graphics公司系統設計部Xpedition產品經理David Wiens就PCB設計過程的集成驗證進行了深入的交流。

David Wiens表示：“電子設計和制造已經有了半個世紀的歷史，但目前項目設計的準時性是一個很大的問題, 現在客戶最看重的就是產品上市的速度。但實際情況是產品上市期間會出現很多因設計出錯造成的返工。一個比較典型的例子就是設計已經到了產品物理原型階段甚至到了制造階段才發現出錯，需要返回設計階段更改，更嚴重的是產品已經上市，顧客已經在使用才發現出錯。比如大家都知道三星的案例，這樣的話就會造成很多浪費，而且重新設計的工作量也非常大。所以我們希望邊設計變驗證，保證一次做對、一次通過，不要返工?！?/p>

為此Mentor, a Siemens business日前推出一款新的多維“左移”主動集成驗證平臺。這種獨特的自動化解決方案將各種易于使用的驗證工具集成到單一創作環境的PCB設計平臺中，以便在設計的早期階段(原理圖或布局階段)發現問題。這個面向主流PCB工程師的新型Xpedition平臺提供“首次”并行設計分析和驗證以及全面的工具集成，可在提供高質量產品的同時節省大量時間和成本。Xpedition驗證平臺利用最佳實踐流程，專為非專家型的主流PCB設計人員設計，可實現快速直觀的分析和驗證功能。集成的驗證技術可在單一環境中提供自動建模、并發模擬、結果交叉探測和錯誤檢查功能。新的Xpedition平臺用于前期設計驗證，從概念到設計交接確?？芍圃煨裕菢I界最全面的多維解決方案。

當EDY問到關于Digital Twin(數字孿生技術)在電子電路制造行業的發展應用現狀和未來發展如何時，David Wiens表示：“PCB行業應用這種概念就是希望真正花錢去做這個東西之前了解到它的性能是怎樣的，都有哪些地方出錯了。PCB剛出現的時候，整個世界的數字化率很低，甚至幾乎不存在，所有工作都是人工去做，當時連CAD計算機輔助設計都還沒有。我們的職業生涯也是見證了PCB一步一步進行數字化，當時大家做的更多的就是去編輯和制造，檢查驗證的工作做得很少，后來大家就逐漸增加建模和驗證的工作。數字孿生技術這個概念得到應用有兩大原因——一是建模變得更加方便，二是現在的設計流程高度集中?！敝劣跀底謱\生技術在未來的發展方向，David Wiens說：”我認為產品在進行不同維度之間的平衡方面，數字孿生技術可以發揮更多的作用。如果每一項指標都很好當然是最理想的情況，但是現實當中我們要去平衡很多東西，比如可制造性和信號完整性，這是一個此消彼漲的關系，必須進行平衡和妥協，包括熱性能以及電源完整性，這就需要雙向共同仿真，也是現在Mentor正在研發的過程。現在我們還有一個重點投入的方向，就是所謂的設計探索。剛才講的都是設計的驗證，做出來以后去檢查，但是我們希望在設計早期階段就可以通過設計探索這個功能看一看還能怎樣設計，存在哪些更多的可能性優化設計?！?/p>

EDY問道：“Digital Twin更多是對可制造性進行分析，以后能否替代很多需要樣板做的測試，比如熱循環和長期可靠性測試？通過數字模型是否可以預知實際的可靠性或者實際的可受熱沖擊的能力？”

David Wiens給予回答：“可靠性的測試需要很長時間，同時這也是一種損傷性的測試，比如測試振動性需要搖到產品失效以后才可以分析原因?，F在西門子可以去做數字方面的可靠性測試，使用的是一種機械建模分析部件失效的方法。這種模型非常精密，需要經過大量的建模和仿真，但現在只能解決一些小問題。我們的目標是通過數字模型替代以往大多數樣板階段的測試，當然這還有很長的路要走?！?/p>

三大領域快速發展，數字化設計任重道遠

通訊、汽車電子、高端智能消費類領域將成為未來驅動我們行業的三駕馬車，潛力巨大但都不好駕馭。比如通訊5G基站和交換系統方面，所有的PCB設計復雜度和難度都比以前大了很多，市場對應的要求和挑戰也相應增加；汽車電子化趨勢明顯，汽車電子器件的成本占比越來越大，更多的汽車廠商和新能源廠商投入更多，在縮短產品上市周期的同時又要把好質量關與價格關；再者是高端消費品領域，智能物聯網相關的電子器件增多，電子系統已經存在于我們生活的方方面面。電子電路設計到生產階段只有真正實現全流程數字化，才能滿足未來的發展需求。