עיצוב PCB מהיר דורש פרספקטיבה חדשה

אלקטרוניקה מודרנית לדחוף לוחות מעגלים מודפסים (PCBs) לתוך תחום שבו נושניות אותות תדרי ג'יגהארץ הם שגרתיים. פריסות PCB מהירות גבוהה חייב לנהל שלמות אות, לשלוט בהתערבות אלקטרומגנטית (EMI), וחום dissipate ביעילות. טמפרטורות הפריסה דו-ממדיות מסורתיות, בעוד בוגר, להשאיר כתמים עיוורים קריטיים, מתאים מכני בתוך, קהל תרמילי, ואת הנתיב תלת-ממדי של כל אלה הם מציעים גישה שטחית מלאה: 0D פועל ישירות על פני השטח.

דחיפה לעבר אלקטרוניקה קטנה יותר, מהירה יותר, ארוזה יותר אומר שהמהנדסים כבר לא יכולים להתייחס ל-PCB כמטוס דו-ממדי מבודד. אותות מהירים מאוד מתנהגים כמו שדות אלקטרומגנטיים אינטראקציה עם כל פוליגון נחושת, דרך, מחבר, ומרכיב סמוך. מודל 3D ללכוד אינטראקציות אלה באופן שדמיון מחסנית ופריסת טביעת רגל לעולם לא יכולים.

הבנת האתגרים של High-Speed Speed Layout

מעגלים דיגיטליים ורדיו מהירים מציגים מגבלות שמגבירות את החשיבות של הפריסה הפיזית.תתת אותות בטווח הפיקו השניות יוצרים הרמוניות המשתרעות עמוק לתוך ספקטרום המיקרוגל. בתדרים אלה, אפילו רצף קצר או מצב לא תקין שמוצב באמצעות הופך למבנה מהדהד.חוסר התאמה מוטמעת פגום גורם השתקפות, אשר מסיט דיאגרמות עיניים ושיעורי אימה.

ניהול תרמי תובעני באותה מידה. מעבדים מהירים, FPGAs, ומגברי כוח יוצרים חום משמעותי, ואת ה- PCB עצמו חייב לבצע את החום הזה ממרכיבים רגישים. Hotspots להתפתח באזורים שבהם אזור נחושת אינו מספיק או שבו האוויר אינו יכול לזרום. A 2D הפריסה נותן רק תמונה חלקית של התנהגות תרמית; הוא לא מצליח להראות כיצד מרכיב גבוה עלול לחסום את זרימת האוויר לחום למטה, או איך זה יכול לנפץ חום בלתי צפוי.

מגבלות מכניות להוסיף שכבה נוספת של מורכבות. Connectors חייב להתאים עם כבלים ומתקנים. מרכיבים גבוהים, כגון הטרנספורמציה או קפצופי אלקטרוליטי, חייב כיסויים ברורים ולוחות סמוכים. Vibration וביקוש בהלם כי מרכיבים כבדים יוצבו ליד נקודות הרה.כל הגורמים האלה הם טמאויים תלת-ממדיים ומוערכים בצורה הטובה ביותר עם מודל 3D.

תפקיד מודל 3D בעיצוב PCB מודרני

מודלים תלת-ממדיים מביאים את הלוח הפיזי לחיים בתוך סביבת העיצוב.במקום להסתמך על עקבות מופשטים וציורי הרכב, מהנדסים יכולים לראות את הלוח כאובייקט מוצק, לסובב אותו, לבלוט לתוך מהירויות הדוקות, ולראות בדיוק איך מרכיבים מתייחסים אחד לשני בחלל.זה הדמיה לא רק קוסמטי; זהו כלי אנליטי שמאפשר קבלת החלטות טובה יותר לאורך כל התהליך.

כאשר מעצב מציב קיבול מרתיע על פריסת 2D, הם רואים מלבן ושני pins. במודל 3D, הם רואים את גוף capacitor, גובהו יחסית לרכיבים הסמוכים, ואת הנתיב המדויק כי את העקב חייב לקחת מן סיכה הכוח אל תוך מנת לצבור פרטים נוספים, כי זה מראה אם גוף capacitor חוסם את המיקום של מתנגד צמוד, או אם דרך ניתן למקם את זה מספיק כדי למזער את הכוח הזה.

סוויטות עיצוב PCB מודרניות, כולל אלטייום מעצב, KiCad ו Autodesk Fusion 360, מציעים צופים משולבים 3D או מצבי העריכה ייעודיים 3D. כלים אלה לייבא מודלים של רכיבים מספריות היצרן, ומאפשרים למעצב לראות כל פרט, מגובה המחבר ועד ספיגה finussink.התוצאה היא תאום דיגיטלי של הלוח הפיזי שניתן לשתף עם מהנדסים מכניים, נבדקו ביקורות עיצוב, ומשמש כבסיס לסימולציה.

2D Schematic to 3D Reality

המעבר מפריסת 2D למודל 3D עוקב אחר זרימת עבודה פשוטה אך עוצמתית.לאחר השלמת הנצ'מטית והמיקום הראשוני, המעצב יוצר תצוגה מקדימה של 3D של הדירקטוריון. Component, או שהורדת הספקים או שנוצר בבית, מוקצה לכל אחד מהמקווים, הפאנל, חתך, ודרכות מפורצות אל עובי Coppers וניתן למדוד את עקבותיהם כדוגמה לחיים, כל אחד מהם.

תהליך זה אינו מוסיף זמן משמעותי למחזור העיצוב אם הספריה ממוקמת היטב.מפיצים רבים, כולל DigiKey ו-Mupr, מספקים מודלים של שלבים עבור אלפי רכיבים. 3D ייעודיים תוספי ה- PCB, כגון אלה הזמינים עבור אלטייום מעצב, שותף אוטומטי של הקצאת המודל. לאחר שהמודל 3D הוקם, הוא הופך לחלק חי של עדכוני העיצוב כי באופן אוטומטי כמו עקבות הם מסובכים או מזיזים.

יתרונות מרכזיים של 3D מודלים עבור High-Speed לייouts

היתרונות של שילוב 3D מודלים לתוך עיצוב PCB במהירות גבוהה להרחיב על פני שטח חשמלי, תרמי, מכני וייצור.כל אחד מהם תורם למוצר סופי המבוצעת באופן אמין בייצור ובשדה.

שיפור החדירה באמצעות מודעותספאנית

שלמות אותות תלויה בשליטה על המכשולים, צמצום המעבר, וניהול נתיבי החזרה.בפריסת 2D, קל לשכוח כי עקבות אות על שכבה פנימית אינו מבודד; הוא מסמיך בין שני מטוסי התייחסות, והתנהגותו מושפעת מאוד מהמרחק למטוסים אלה ועל ידי נוכחות של עקבות סמוכים על שכבות סמוכים. A 3D הופך את זה מיד.

זוגות שונים במהירות גבוהה דורשים שליטה זהירה של אורך התאמה וskew. ב 3D, המעצב יכול לדמיין את הנתיב האמיתי של כל זכר, כולל meanders המשמשים כדי להתאים את אורך, ומאשר כי הצמד נשאר יחד הדוק לאורך כל המסלול. Vias, לעתים קרובות להתעלם 2D, ניתן כמו גלילים מוצקים במודלים 3D, מה שהופך את זה קל לראות אם עובר דרך רכיב אחר או קצר מדי, או קצר מדי, או קצר מדי, או קצר.

המונחים: thermal Management Visualization

ניהול תרמי הוא דאגה גוברת ככל שצינורות כוח להגדיל.מודל 3D מאפשר למעצב לראות נקודות חמות תרמיות בהקשר. כיור חום, אשר לעתים קרובות מושתים מ 2D הפריסה, ממוקמים במדויק בסביבה 3D. המעצב יכול לבדוק אם זרימת האוויר חסומה על ידי קפיטור גבוה או אם כיור חום מתאים לכיוון זרימת האוויר המיועד.

כלים לסימולציה שמקבלים מודלים של 3D PCB, כגון Ansys Icepak או SolidWorks Flow Simulation, יכולים לבצע ניתוח העברת חום מחוספס כי חשבונות של התנהגות, הדבקה, וקרינה. רמה זו של ניתוח הוא בלתי אפשרי מפריסת 2D לבד. על ידי שימוש במודל 3D כמו מקור הגיאומטריה, סימולציות תרמיות הופכות מדויקות יותר ודורשות ידניות פחות.

תאימות מכנית ו-Aclosure Compatibility

אחת הטעויות היקרות ביותר בעיצוב PCB היא לגלות במהלך ההרכבה כי מרכיב התנגשות עם המתחם, כי מחבר אינו מגיע ללוח חיתוך, או כי כי כיור חום חוסם חור גישה. 3D מודלים מבטלים את ההפתעות האלה.מודל PCB יכול להיות מיובא ישירות לתוך הסביבה המעבדנית שבה המתחם מוגדר.

רכיבים גבוהים, כגון capacitors אלקטרוליטי, ממסרים או מהפך, הם בעייתיים במיוחד.ב 2D, גובהם מיוצג רק על ידי annotation טקסט. ב 3D, המעצב רואה בדיוק כמה חדר הראש נשאר מתחת למכסה. אותו חל על רכיבים שיש להציב על צדי הנגד של הלוח; מבט תלת-ממדי מגלה אם מרכיב גבוה בצד התחתון יושב ישירות מתחת לרכיב כפול, שיוצר את הערימה העליונה.

ניכוי ותיקון שגיאות

מודלים תלת-ממדיים מסייעים למנוע בעיות ייצור שמקורן במנועי איסוף ומיקום דורשות הבהרה מינימלית בין הגופים המרכיבים כדי להתאים את תנורי ה- Nozzle. Reflow דורשים כי רכיבים גבוהים לא צל של קרינה אינפרא אדום במודל 3D, מגבלות אלה ניתן לראייה ולבדוק באופן אוטומטי. כמה כלים אפילו לייצר שטר של 3D של חומרים המציגים כל רכיב במיקום המדויק שלו, מה שהופך אותו לתקשורת קלה יותר עם בית הרכבה.

עיצוב להנחיות האסיפה (DFA), כגון שמירה על כל הרכיבים באותו צד של הלוח או להבטיח כי חלקים מסולקים יד יש כריות נגישות, קל יותר לאמת בעמוד מלחמת 3D מועצת המנהלים, אשר מושפעת מהתפלגות אסימטרית של נחושת ורכיבים, ניתן לדמות באמצעות נתוני מודל 3D כדי לחזות ולעוות לפני ייצור.

אופטימיזציה באמצעות הערכה 3D

היכולת להתפתל במהירות היא אבן הפינה של עיצוב יעיל. 3D מודלים להקל על חקר עיצוב מהיר.המעצב יכול לנסות מיקום רכיב שונה, לסובב כיור חום 90 מעלות, או לשנות את צורת הלוח, ומיד לראות את ההשפעה על סלקציה, שבילים תרמיים, ואת אות מחיקה.זה משוב חזק לולאה מעודד ניסויים ומוביל לתוצאות טובות יותר.

מודלים Parametric 3D מאפשרים למעצב להתאים ממדים ולראות את ההשפעות בזמן אמת.לדוגמה, העברת תנור חום בחזרה על ידי 5 מ"מ עשוי לשחרר את החלל עבור קיבול גדול יותר, אבל מודל 3D מראה כי המחבר הקדמי הפונה עכשיו סיכונים ליצור קשר עם המתחם. ללא הדמיה 3D, זה סחר-off לא יכול להיות התגלה עד איסוף אבטיפוס.

יישום 3D מודלים בזרימת העבודה של PCB-Speed

שילוב של 3D לתוך זרימת עבודה עיצוב PCB קיים דורש תכנון, אבל החזרה על ההשקעה היא משמעותית.הצעדים הבאים מתארים מסלול יישום מעשי שעובד עבור קבוצות של כל גודל.

בחירת כלי עיצוב ה-PCD הנכונים

לא כל כלי עיצוב PCB מציעים את אותה רמה של יכולת 3D.FLT:0 (Altium DesignercioFLT:1) מספק סביבה משולבת לחלוטין 3D עם רזולוציה בזמן אמת ומודל עבודה ייבוא:2KiCaduaFLT 3, חלופה קוד פתוח, כולל צופה 3D כי הוא כל הזמן שיפור ותומך מודלים עבור רוב LT5b, 000 כדי לאפשר את הפריקודמיים מתקדמים באופן ישיר בין אלקטריק ל- 300.

(ב) בחירת כלי, לשקול את מערכת האקולוגית של הספרייה כלי המספק גישה לספרייה גדולה של מודלים מוכנים לשימוש בדגמים יחסוך אינספור שעות של יצירת מודל ידני.FLT:0Altium's רכיב ספריות FLT:1 כוללים 3D מודלים עבור מיליוני חלקים, ואילו FLT:2KiCad's Community LibraryFLT 3, מוסיף יותר מותאם אישית, לדוגמה: 4D רכיבים בסיסיים כגון: 4.

בניית ספריית 3D Component Library

ספריית רכיב תלת-ממדית חזקה היא הבסיס של עיצוב תלת-ממדי יעיל של PCB.כל רכיב בספרייה חייב להיות מודל מדויק שלב הכולל את מידות הגוף, מיקומים, וכל תכונות מכניות בולטות כגון כרטיסיות חום, עצירות, או חורים עולים.מודל נתונים של היצרן בדרך כלל לספק את הממדים הדרושים. כאשר מודל שלב אינו זמין, ניתן ליצור באמצעות מודל סימולטי, או מעצב יכול להשתמש בדרגה גנרית עם גוף מדויק.

שיטות הטובות ביותר לניהול ספריות כוללות אחסון מודלים של צעד במחסן מרכזי עם מוסכמות שמות עקביות, המקשרות כל מודל לטביעה המקבילה, ושמירת ההיסטוריה של תיקון.כל שינוי בהגדרה המכנית של רכיב צריך לעורר סקירה של כל העיצובים שמשתמשים בו. משמעת זו מבטיחה כי מודל 3D נשאר מדויק לאורך זמן.

שלב-בי-שלב אינטגרציה לתוך עיצוב זרימה

כדי לשלב 3D מודלים לתוך זרם עבודה מהיר PCB קיים, בצע שלבים אלה:

  1. (FLT:0) מראש הספרייה: FLT:103) ודא כי כל הרכיבים שיש להשתמש בהם יש מודלים מדויקים של שלבים.
  2. (FLT:0) מרכיבים עם מודעות 3D: ⁇ 1) השתמש בתצוגת 3D במהלך המיקום הראשוני לבדוק סכסוכים גובה ולייעל את הכיוון של רכיב עבור נתיבי תרמיים וסימן.
  3. (FLT:0) רוטט עם ההקשר המרחבי: FLT:1 לאחר הצבת רכיבים, נתב אותות מהירים קריטיים בעת הדבקה בין 2D ל 3D צפיות. לבדוק כי דרך אינה יוצרת הפרות עם גופי רכיב סמוכים.
  4. (FLT:0) Run 3D בדיקת נקה: FLT:1 לאחר מחיקה, לבצע בדיקה אוטומטית 3D כי משווה את כל הגופים המרכיבים, קצוות לוח, וגבולות המתחם.הספא המינימלי תלוי ביישום; כלל משותף הוא 0.5 מ"מ עבור אלקטרוניקה כללית ו - 1.0 מ"מ או יותר עבור עיצובים גבוהים או גבוה.
  5. (FLT:0) להעריך ביצועים תרמיים ו-EM:FreaLT:1) ייצוא מודל 3D לכלי סימולציה לניתוח תרמי או אלקטרומגנטי. השתמש בתוצאות כדי לחדד את המיקום ואת החסימה.
  6. (FLT:0)Share עם צוות מכני:FLT:1 ייצוא מודל 3D הסופי כצעד או קובץ IGES לשילוב לתוך ההרכבה המכנית.
  7. (FLT:0) ביצוע ייצור:FLT:1 כולל 3D צפיות במרקם ובחבילה של ציור הרכב כדי להפחית אי הבנות על רצפת החנות.

שיטות מתקדמות של 3D Modeling עבור עיצוב מהיר

מעבר לויזואליזציה בסיסית, טכניקות דוגמנות מתקדמות 3D מספקות תובנות עמוקות יותר בעלות ערך במיוחד עבור מעגלים מהירים.

3D אלקטרומגנטי Simulation

(הופנה מהדף ה-BMI) מודל ה- 3D של PCB עם מפלט אלקטרומגנטי מלא גלים, כגון FLT:0reaFLT:1 Ansys HFSSIRFLT:203FLT 3 או FLT:4CST Studio SuiteFLT:5, מאפשר סימולציה של תות, השתקפות, צלב, וקרינה בשלושה ממדים בדיוק בשימוש בגאומטריה או בצורות של ריצוף חום, כולל צבעים, כולל צבעים, כולל ריצוף חום.

סימולציה 3D EM הוא בעל ערך במיוחד עבור מעגלים RF, שבו התאמת רשתות, מסננים, ואנטנות להאכיל תלויים הגיאומטריה הפיזית.מודל 3D של PCB בשילוב עם המתחם מגלה כיצד דיור המתכת משפיע על דפוס האנטנה או זוגות לתוך עקבות רגישים. תובנות אלה מאפשרות למעצב להוסיף מגן, להתאים עקבות, או לשנות את הערימה לפני אב הטיפוס הראשון.

3D Thermal Co-Simulation

ה-BMI המשותף של ה- 3D משלב את מודל ה- PCB עם דינמיקות נוזליות כדי לחזות טמפרטורות לוח בתנאי הפעלה.חשבונות הסימולציה של התנהגות באמצעות מטוסי נחושת ודרך, הדבקה מפני משטחים רכיב ושקועים חום, וקרינה למחצב.עבור עיצובים מהירים גבוהים הכוללים כוח-hungry ASICs, מגברי חשמל RF, או רגולטורים מתח, סלילת חום חיונית לאמינות ארוכת טווח מבטיח אמינות ארוכת טווח.

על ידי הטמעת בין התאמות מיקום בסביבת ה- 3D ותוצאות סימולציה תרמיות, המעצב יכול למקם רכיבים חמים ליד נתיבי זרימת אוויר, להוסיף דרך תרמית תחת מכשירים כוח, ולבחור כיור חום עם שטח משטח מספיק.

3D היצוא ל- Design Verification ושיתוף פעולה

כלים מודרניים בעיצוב PCB תומכים בייצוא מודלים 3D בפורמטים סטנדרטיים בתעשייה כגון STEP, IGES ו VRML. קבצים אלה יכולים לשמש עבור אימות עיצוב, כולל ניתוח ערימה סובלנות, ושיתוף פעולה עם מהנדסים מכניים שעובדים בכלים כמו SolidWorks, Creo, או ממציא.הצוות המכני יכול להוסיף את המודל לתוך הרכב המלא שלהם, לבדוק הפרעות, ולדמיין את השבר, מבלי לעזוב את הסביבה המוכרת.

עבור קבוצות מרוחקות או ביקורות לקוחות, צופים קלים 3D ופלטפורמות שיתוף פעולה מבוססות ענן מאפשרים לבעלי העניין לבדוק את הלוח מכל זווית, למדוד מרחקים, ולסמן את העיצוב עם הערות.יכולת זו להאיץ את מחזור סקירת העיצוב ותופסת בעיות שעשויות לא לעלות על פני בדיקה 2D.

אפקט אמיתי-עולם: דוגמאות של 3D מודלים ב-High-Speed PCB

(FLT:0)Example 1: Identity in a 10 Gbps backplane.Felo1 מרכז נתונים חברה בעלת אות מול ירידה של מטוס אחורי 16-layer הפועל NRZ אות של 10 Gbps לכל נתיב. הפריסה 2D הראה ערימה נקייה של ריצוף, אבל בדיקות אבטיפוס חשפו צולב מופרז על כמה זוגות שונים.

(FLT:0)Example 2: ניהול ה- PCIe במודול שרת קומפקטי.FLT:1 מעצב מודול שרת צריך להתאים 150 W מעבד, DRAM, ומספר רב של PCIe retimers לתוך 1U chassis. 2D הפריסה הניח את כיור החום ישירות מעל המעבד, אבל מודל 3D גילה כי רכיבי CPU כוח היו גבוהים מדי כדי להתאים חום על ידי מחזור 85 מעלות צלזיוס נשמרת על ידי חימום, 000 או הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הטמפרטורות.

מסקנה: 3D Modeling Is No Longer Optional for High-Speed PCB Design

המורכבות של עיצוב PCB מהיר ממשיכה לגדול.שיעורי אותות לטפס, צפיפות רכיב מגביר, ואת הלחץ זמן-to-market דורש עיצובים להיות נכון בפעם הראשונה. פריסה דו-ממדית לבד לא יכול לענות לדרישות אלה כי זה לא יכול ללכוד את המציאות הפיזית המלאה של לוח 3D מודלים מתמלא פער זה, מתן הבנה מרחבית כי משפרת את היושרה, ביצועים תרמיים, פונקציונליים, ייצור אמינות.

שילוב 3D מודלים לתוך זרימת העבודה עיצוב הוא השקעה מעשית כי משלם דיבידנדים על פני כל מחזור החיים של המוצר.המאמץ העליון של בניית ספריות רכיב למידה את תכונות 3D של הכלי EDA הנבחר הוא במהירות על ידי פחות אבטיפוס, פחות אבטיפוס, שיעורי גרוטאות נמוך יותר, וזמן מהיר יותר לשוק. כמו מערכות אלקטרוניות להיות משולב יותר והופכים לדרישות יותר מחמירות, 3D במהירות יהיה רק מודל מהיר של פיתוח חדש של מודלים מתקדמים של מודלים מתקדמים של מודלים מתקדמים של מודלים מתקדמים.

עבור צוותים רק להתחיל את המסע שלהם 3D PCB, הדרך ברורה: לבחור כלי עם יכולות תלת-ממדיות חזקות, להשקיע בפיתוח הספרייה, ולהפוך את 3D הדמיה חלק שגרתי של כל בחינה עיצוב.התוצאה תהיה לוח איכות גבוה יותר המבצעת כמתוכנן, מתאים את המתחם שלה, וניתן לייצר עם ביטחון.