多(duō)板PCB设计

2021-09-22

多(duō)板PCB设计

多(duō)板 PCB设计中的堆叠 PCB 与電(diàn)缆连接相反，是当前非常流行的趋势，因為(wèi)制造成本降低并提高了可(kě)靠性。電(diàn)子设计解决方案架构师 Herbert Ritthaler 解释了在单个 CAD 画布上同时开发電(diàn)路板的好处。

電(diàn)动汽車(chē)等高级应用(yòng)需要将专门的功能(néng)组合到连接的多(duō)板系统中。

虽然包含具有(yǒu)专用(yòng)功能(néng)的 PCB 的模块已经存在了几十年，但所有(yǒu)電(diàn)动汽車(chē)行业现在都在研究電(diàn)路板的物(wù)理(lǐ)连接方式。

電(diàn)路板堆叠的优势很(hěn)多(duō)，其中大部分(fēn)优势来自不再需要机械连接器和電(diàn)缆。然而，这些好处是有(yǒu)代价的：设计过程现在更加复杂。

多(duō)板系统在单个外壳中包含两个或多(duō)个互连的 PCB。通常，董事会将扮演非常不同的角色。例如，如果您考虑電(diàn)动汽車(chē)（即汽車(chē)、航空航天和其他(tā)运输领域转向電(diàn)动传动系统和驱动的行业趋势），许多(duō)模块都是多(duō)板系统。一块板将作為(wèi)控制器。另一个将用(yòng)于接通和断开潜在的高電(diàn)流负载。

虽然它们将共享许多(duō)共同的设计和制造考虑因素，但在涉及其特定角色时，PCB 将需要特别关注。在这方面，控制器板可(kě)能(néng)密度非常高，具有(yǒu) BGA 器件（每个有(yǒu)数百个球）、倒装芯片器件、引線(xiàn)键合芯片和/或具有(yǒu)嵌入式组件；即 PCB 基板包含具有(yǒu)電(diàn)阻和/或電(diàn)容特性的结构。

控制器板还可(kě)能(néng)具有(yǒu)高速数字信号，甚至可(kě)能(néng)具有(yǒu) RF 信号，并且通过阻抗匹配确保信号完整性将是最重要的。至于電(diàn)源板，它可(kě)能(néng)需要处理(lǐ)数百安培，因此热管理(lǐ)可(kě)能(néng)是最大的挑战。

一體(tǐ)

包含具有(yǒu)专用(yòng)功能(néng)的 PCB 的模块已经存在了几十年。然而，所有(yǒu)電(diàn)动汽車(chē)行业现在都在研究这些電(diàn)路板的物(wù)理(lǐ)连接方式。当前的趋势是将它们一个安装在另一个之上。控制器板就像電(diàn)源板上的大型 BGA 设备一样放置。

将控制器板安装到電(diàn)源板上是電(diàn)动汽車(chē)领域的一个增長(cháng)趋势，而 CAD 软件使工程师能(néng)够在单一环境中设计多(duō)个板。

電(diàn)路板堆叠的优势很(hěn)多(duō)，其中大部分(fēn)优势来自不再需要机械连接器和電(diàn)缆。例如，由于零件较少，因此可(kě)以节省成本，简化了组装（也是节省成本），并且由于没有(yǒu)使用(yòng)连接器和電(diàn)缆形成的“机械”链接，因此提高了可(kě)靠性。

然而，这些好处是有(yǒu)代价的。设计过程现在更加复杂，出于所有(yǒu)意图和目的，我们同时设计两个 PCB。至少是第一次，之后可(kě)能(néng)会在后续项目中使用(yòng)一个或两个板。

显然，物(wù)理(lǐ)连接——即模块的凸点将与主板上的焊锡焊盘连接的地方——必须精确对齐并且電(diàn)气正确，即板之间不应存在信号不匹配。

在单一环境中设计電(diàn)路板——同样，可(kě)能(néng)有(yǒu)两个或更多(duō)——具有(yǒu)相当大的优势。例如，韬放電(diàn)子 的 CR-8000 Design Force支持在单个画布中进行这种并发设计。在原理(lǐ)图级别，连接器符号用(yòng)于表示板之间的接口。这些连接器最初作為(wèi)每个板上的临时组件存在，并在两者之间建立连接。

具有(yǒu)设计力的多(duō)板PCB设计

出于布局目的，最好从控制器板开始。定义其形状和尺寸后，将放置所有(yǒu)标准组件。大多(duō)数将放置在顶部，但如前所述，嵌入（如果只是部分(fēn)）是一种选择。Design Force 会自动创建一个临时组件，用(yòng)于放置在控制器板的底部。这个临时组件最初存在于连接点交叉时，作為(wèi)焊盘（或球，如果您更喜欢考虑 BGA）位置和焊盘堆叠的指示。

当设计存在于单一环境中并且设计人员可(kě)以粗略地看到板对板连接必须去的地方时，多(duō)板系统的设计会大大简化。

关于每个焊盘的放置，信号“意图”必须是一个因素。换句话说，对于必须与基板连接的信号，虽然从顶部组件的焊盘路由到底部最近的焊盘对于控制器板来说可(kě)能(néng)是实用(yòng)的，但基板可(kě)能(néng)不方便接收信号来自那个物(wù)理(lǐ)位置的信号。

接下来，基板将被分(fēn)配一个形状和尺寸。同样，将放置所有(yǒu)标准组件。控制器板将分(fēn)配给基板原理(lǐ)图的临时组件，然后放置在其预期位置。

在设计多(duō)板系统时，任何打算安装在另一个板上的板都作為(wèi)临时组件存在——这使得放置非常容

与将信号分(fēn)配给控制器板上的焊盘一样，同样的考虑也适用(yòng)于基板。例如，必须通过高速信号的阻抗匹配来保持信号完整性。在这里，在 Design Force 中在单个画布中工作的美妙之处在于，可(kě)以管理(lǐ)電(diàn)路板之间转换的信号的阻抗匹配。

事实上，Design Force 有(yǒu)几个设计规则检查 (DRC) 可(kě)以标记违规行為(wèi)，例如在路由大電(diàn)流信号时未能(néng)保持合适的電(diàn)流隔离距离。因此，如果一块板的焊盘被重新(xīn)分(fēn)配，则执行“更新(xīn)”将使两个设计部分(fēn)保持同步。例如，為(wèi)了减少串扰，有(yǒu)时需要切换 LVDS 信号的 +ve 和 -ve 两半。如果信号转换板，则需要在两者上进行反转。

電(diàn)气更新(xīn)并不是唯一可(kě)以轻松实施的更新(xīn)。有(yǒu)时，需要将一个或多(duō)个垫相对于其他(tā)垫移动。我们具有(yǒu)这种灵活性，因為(wèi)控制器板的底面及其在基板上的位置作為(wèi)临时组件存在。传统的 BGA 网格是默认的起始模式。

对你有(yǒu)利

在原理(lǐ)图入口和電(diàn)路板布局级别為(wèi)多(duō)板模块设计PCB的好处是相当可(kě)观的，而且这种做法越来越受欢迎。无论您将顶板视為(wèi)“组件”还是单板的一部分(fēn)（恰好具有(yǒu)不同的设计要求和规则）都是學(xué)术性的，并且始终确保電(diàn)气和物(wù)理(lǐ)连续性（焊盘）。

此外，電(diàn)路板技术是否有(yǒu)很(hěn)大差异也没有(yǒu)关系。例如，如果模块的基板要靠近热源（例如内燃机或功率逆变器），则可(kě)以在 FR4 中对其进行原型设计，在工作台上进行功能(néng)验证，然后重新(xīn)设计以用(yòng)于陶瓷制品。控制器板将成為(wèi)该板上的强制风冷组件。