多板PCB設計

2021-09-22

多板PCB設計

多板 PCB設計中的堆疊 PCB 與電纜連接相反，是當前非常流行的趨勢，因為制造成本降低并提高了可靠性。電子設計解決方案架構師 Herbert Ritthaler 解釋了在單個(gè) CAD 畫(huà)布上同時(shí)開(kāi)發(fā)電路板的好處。

電動(dòng)汽車(chē)等高級應用需要將專(zhuān)門(mén)的功能組合到連接的多板系統中。

雖然包含具有專(zhuān)用功能的 PCB 的模塊已經(jīng)存在了幾十年，但所有電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)現在都在研究電路板的物理連接方式。

電路板堆疊的優(yōu)勢很多，其中大部分優(yōu)勢來(lái)自不再需要機械連接器和電纜。然而，這些好處是有代價(jià)的：設計過(guò)程現在更加復雜。

多板系統在單個(gè)外殼中包含兩個(gè)或多個(gè)互連的 PCB。通常，董事會(huì )將扮演非常不同的角色。例如，如果您考慮電動(dòng)汽車(chē)（即汽車(chē)、航空航天和其他運輸領(lǐng)域轉向電動(dòng)傳動(dòng)系統和驅動(dòng)的行業(yè)趨勢），許多模塊都是多板系統。一塊板將作為控制器。另一個(gè)將用于接通和斷開(kāi)潛在的高電流負載。

雖然它們將共享許多共同的設計和制造考慮因素，但在涉及其特定角色時(shí)，PCB 將需要特別關(guān)注。在這方面，控制器板可能密度非常高，具有 BGA 器件（每個(gè)有數百個(gè)球）、倒裝芯片器件、引線(xiàn)鍵合芯片和/或具有嵌入式組件；即 PCB 基板包含具有電阻和/或電容特性的結構。

控制器板還可能具有高速數字信號，甚至可能具有 RF 信號，并且通過(guò)阻抗匹配確保信號完整性將是最重要的。至于電源板，它可能需要處理數百安培，因此熱管理可能是最大的挑戰。

一體

包含具有專(zhuān)用功能的 PCB 的模塊已經(jīng)存在了幾十年。然而，所有電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)現在都在研究這些電路板的物理連接方式。當前的趨勢是將它們一個(gè)安裝在另一個(gè)之上?？刂破靼寰拖耠娫窗迳系拇笮?span> BGA 設備一樣放置。

將控制器板安裝到電源板上是電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的一個(gè)增長(cháng)趨勢，而 CAD 軟件使工程師能夠在單一環(huán)境中設計多個(gè)板。

電路板堆疊的優(yōu)勢很多，其中大部分優(yōu)勢來(lái)自不再需要機械連接器和電纜。例如，由于零件較少，因此可以節省成本，簡(jiǎn)化了組裝（也是節省成本），并且由于沒(méi)有使用連接器和電纜形成的“機械”鏈接，因此提高了可靠性。

然而，這些好處是有代價(jià)的。設計過(guò)程現在更加復雜，出于所有意圖和目的，我們同時(shí)設計兩個(gè) PCB。至少是第一次，之后可能會(huì )在后續項目中使用一個(gè)或兩個(gè)板。

顯然，物理連接——即模塊的凸點(diǎn)將與主板上的焊錫焊盤(pán)連接的地方——必須精確對齊并且電氣正確，即板之間不應存在信號不匹配。

在單一環(huán)境中設計電路板——同樣，可能有兩個(gè)或更多——具有相當大的優(yōu)勢。例如，韜放電子 的 CR-8000 Design Force支持在單個(gè)畫(huà)布中進(jìn)行這種并發(fā)設計。在原理圖級別，連接器符號用于表示板之間的接口。這些連接器最初作為每個(gè)板上的臨時(shí)組件存在，并在兩者之間建立連接。

具有設計力的多板PCB設計

出于布局目的，最好從控制器板開(kāi)始。定義其形狀和尺寸后，將放置所有標準組件。大多數將放置在頂部，但如前所述，嵌入（如果只是部分）是一種選擇。Design Force 會(huì )自動(dòng)創(chuàng )建一個(gè)臨時(shí)組件，用于放置在控制器板的底部。這個(gè)臨時(shí)組件最初存在于連接點(diǎn)交叉時(shí)，作為焊盤(pán)（或球，如果您更喜歡考慮 BGA）位置和焊盤(pán)堆疊的指示。

當設計存在于單一環(huán)境中并且設計人員可以粗略地看到板對板連接必須去的地方時(shí)，多板系統的設計會(huì )大大簡(jiǎn)化。

關(guān)于每個(gè)焊盤(pán)的放置，信號“意圖”必須是一個(gè)因素。換句話(huà)說(shuō)，對于必須與基板連接的信號，雖然從頂部組件的焊盤(pán)路由到底部最近的焊盤(pán)對于控制器板來(lái)說(shuō)可能是實(shí)用的，但基板可能不方便接收信號來(lái)自那個(gè)物理位置的信號。

接下來(lái)，基板將被分配一個(gè)形狀和尺寸。同樣，將放置所有標準組件?？刂破靼鍖⒎峙浣o基板原理圖的臨時(shí)組件，然后放置在其預期位置。

在設計多板系統時(shí)，任何打算安裝在另一個(gè)板上的板都作為臨時(shí)組件存在——這使得放置非常容

與將信號分配給控制器板上的焊盤(pán)一樣，同樣的考慮也適用于基板。例如，必須通過(guò)高速信號的阻抗匹配來(lái)保持信號完整性。在這里，在 Design Force 中在單個(gè)畫(huà)布中工作的美妙之處在于，可以管理電路板之間轉換的信號的阻抗匹配。

事實(shí)上，Design Force 有幾個(gè)設計規則檢查 (DRC) 可以標記違規行為，例如在路由大電流信號時(shí)未能保持合適的電流隔離距離。因此，如果一塊板的焊盤(pán)被重新分配，則執行“更新”將使兩個(gè)設計部分保持同步。例如，為了減少串擾，有時(shí)需要切換 LVDS 信號的 +ve 和 -ve 兩半。如果信號轉換板，則需要在兩者上進(jìn)行反轉。

電氣更新并不是唯一可以輕松實(shí)施的更新。有時(shí)，需要將一個(gè)或多個(gè)墊相對于其他墊移動(dòng)。我們具有這種靈活性，因為控制器板的底面及其在基板上的位置作為臨時(shí)組件存在。傳統的 BGA 網(wǎng)格是默認的起始模式。

對你有利

在原理圖入口和電路板布局級別為多板模塊設計PCB的好處是相當可觀(guān)的，而且這種做法越來(lái)越受歡迎。無(wú)論您將頂板視為“組件”還是單板的一部分（恰好具有不同的設計要求和規則）都是學(xué)術(shù)性的，并且始終確保電氣和物理連續性（焊盤(pán)）。

此外，電路板技術(shù)是否有很大差異也沒(méi)有關(guān)系。例如，如果模塊的基板要靠近熱源（例如內燃機或功率逆變器），則可以在 FR4 中對其進(jìn)行原型設計，在工作臺上進(jìn)行功能驗證，然后重新設計以用于陶瓷制品?？刂破靼鍖⒊蔀樵摪迳系膹娭骑L(fēng)冷組件。