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            PCB資訊

            多板PCB和IC封裝設計的3D融合

            作者:小編 點擊: 發布時間:2020-05-06 15:29:25

            人們不斷追求以更低的成本及更少的時間開發出功能更多、更輕便且更小型化的產品,而這種要求使電子產品設計工藝面臨著前所未有的挑戰。為了應對這些挑戰,設計師將芯片和電路板以一種新的結構結合起來,如復雜的3D堆疊結構,或是新型封裝技術如封裝堆疊(PoP)和系統級封裝(SiP)。他們還將無源元件和有源元件嵌入電路板疊層的內層、內腔和介質中。


            傳統的2D PCB設計系統用于一次設計一塊電路板,使其與同一產品中的其他PCB隔離,并且也和IC、封裝和外殼隔離。驗證PCB之間的連接、電路板與外殼之間的沖突檢查以及減少到IC之間的距離需要人工操作,而這類人工操作耗時且容易出錯,并限制了重復使用的可能性。

            新一代3D多板產品級設計工具通過在2D和3D環境下管理多板的放置,可實現芯片、封裝和電路板在同一環境下的協同設計,讓設計功能有了大幅提升。多板設計可以將芯片系統(SOC)、封裝和PCB中的任意組合設計為一個整體系統并對其進行驗證。芯片-封裝-電路板的協同設計使設計師可通過引腳分配和 I/O放置優化產品的布線,從而最大程度地減少封裝、芯片和電路板之間的層數。新的設計方法可以使產品的功能更多、性能更高且成本更低,而且上市時間更短。


            如今的復雜多板電子產品給設計帶來了挑戰,例如系統級互連的管理和規劃。在目前一代的工具中,多板設計的信號驗證過程包括導出包含每個板連接器網名在內的引腳列表,以及將網名與網名主列表相關聯。很多情況下,也有必要手工驗證每個電路板連接器的信號名。如果機械工程師和電路板設計師在不相連的系統中完成這項工作,他們則無法或者很難完成對電路板間連接性和變化的智能管控。使用電子表格或其他不相連的文檔來管理系統中PCB之間的大量互連關系非常耗時且容易出錯。


            當機械工程師獲取的電氣設計信息有誤或電氣工程師獲取的機械設計信息有誤時,會造成電池不適配、安裝螺釘引起PCB短路以及連接器與封裝開口不匹配等后果。不當的管理很容易就會浪費產品開發時間、導致電路板報廢或使原定生產計劃延期。


            性能增強、尺寸縮小和外形更復雜,這三者的結合意味著電子產品一定要更多地考慮封裝外形,同時機械設計也比以往更依賴于內部電子產品的物理因素。多板設計令電子計算機輔助設計(ECAD)到機械計算機輔助設計(MCAD)的轉化更加困難,因為需要溝通交流電路板之間連接器和其他公共點的位置。


            然而在目前這一代工具中,沖突檢查過程涉及將每個PCB的位置信息(通常采用IDF格式)提供給機械工程師,以便他們進行裝配分析。PCB設計工具繼續將重點放在2D環境下一次設計一塊PCB,電氣工作是在2D環境下完成的,之后將2D設計導出到3D機械設計軟件中,在軟件中通過放置電路板檢查是否有干擾。例如,PCB設計師無法將一塊電路板放置在另一塊板的上方來查看二者如何組成一個整體。這一步通常是在電路板設計導出到機械設計工具中之后才能完成。復雜產品中的互鎖電路板和它們的外殼之間的相互依賴性是非常重要的。


            這種方法的局限性在于如果檢測到了問題,比如確定干擾是存在的,就有必要在PCB和機械設計這兩個不同環境中反復檢查,嘗試解決問題。PCB設計師可以使用的另一種方法是利用一個非本地的查看器來完成他們的分析。據估計,有50%的復雜產品都需要至少一次額外的PCB制造來解決機電問題。完成高水平設計也是非常困難的工作,例如評估雙板和三板設計哪一個更好,或是評估哪些功能塊應該分配到哪塊電路板上。


            為了應對硅材料成本的不斷上漲,人們研發出了一些新的封裝技術使IC間的距離更加緊湊。PoP結構就用于連接邏輯IC和RAM IC。SiP集成用來將多個芯片集成到一個封裝內,而使用硅通孔(TSV)的3D-IC技術則用于減少堆疊芯片結構中的互連距離。同時,隨著高密度互連PCB、高密度封裝、嵌入式元件和先進I/O技術的出現,多年來PCB技術也在不斷發展。


            這類新型封裝結構復雜程度的增加給封裝設計師和PCB、IC設計師帶來了很大的挑戰,他們必須要將此類封裝集成到他們的產品當中。在過去,PCB、IC和封裝是各自在其獨立的2D環境下設計的。PCB設計軟件現在已經發展到可以通過布線、約束管理、信號和電源完整性分析的改進來配合技術的進步。但這些改進內容在PCB設計過程的范圍內受到了很大程度的限制。


            隨著功能性不斷增強、成本限制越來越嚴、現代產品的尺寸外形越來越小,如便攜式產品、可穿戴產品和物聯網(IoT),人們需要緊密協調每個元件間的距離,才能針對小尺寸和最少層數基板對引腳分配進行優化??傮w目標就是要讓電路板、封裝和芯片結合起來,按照芯片到電路板間的最短路徑傳輸信號,使封裝內的層數減到最少。因為欠缺工具集成而設計要求在不斷增加,工程師又用回了諸如電子表格和通用辦公生產工具等方法來完成規劃和可行性研究,以及定義工具界面和數據傳輸。

            3D設計工具用于解決多板設計


            新一代3D多板、芯片-封裝-電路板協同設計工具可以通過提供一種系統設計環境的方式來應對這些挑戰,這種環境集成了2D和3D多板設計以及芯片和封裝。設計師可以用單個視圖來管理系統中的所有電路板,從而確定其中的連接,之后再突出顯示通過每個實體的信號并分析整個互連長度??蓞f同評估PCB的數量、尺寸、種類和結構以及功能的可選分配方式,并能夠做出權衡??梢栽诟鱾€電路板之間分配或移動功能塊,而且可以在必要情況下修改功能塊的外形、增加/減少功能塊。3D多板設計工具可以在系統級下解決信號連續性問題,并且能同時管理多個PCB互連并了解電路板到電路板之間的信號連續性。


            本地ECAD工具中的3D沖突檢查


            PCB設計師能夠直接將機械外殼導入到ECAD工具中,所以他們能夠使單板或多板設計第一次就正確。ECAD和MCAD系統之間可共享3D參數庫。在布局過程中,用戶可調用向導程序導入3D外殼模型并指定所有相關的PCB。然后實時布局有外殼的PCB,優化放置能力并能夠在設計過程初期盡早發現干擾違反現象。


            電氣工程師可以根據機械工程師定義的真實原始3D制約進行設計,而機械工程師反之也可以獲取真正的3D電路板設計,這樣一來他們就可以在電路板布局過程中進行精確的干擾檢查。電氣工程師可以在單個模型內設計多個電路板以確保精密定位所需的角度、形狀和開口位置,避免干擾現象出現。例如,根據產品的精確外形進行設計可以使為符合內部造型而彎曲的封裝具有更強的功能性,而無需再根據產品的正交近似值進行設計。3D ECAD設計讓連接器的位置對準更加精確,從而能夠與外殼上的開口精密匹配。


            芯片-封裝-電路板協同設計


            最新一代工具能夠通過將PCB、封裝和IC的規劃和最終設計集成到單個視圖中,讓工程師進行PCB、封裝和芯片的系統級協同設計,并且可以優化I/O放置、引腳分配、重新布層(RDL)布線和凸塊及球的放置。當這種方式用于非傳統式結構并且要在垂直和水平兩個方向上進行復雜布線的時候,其優勢尤為明顯,例如PoP、SiP、芯片級封裝和3D-IC/3D封裝。這類新型工具還可以自動進行芯片RDL和封裝逃逸布線,減少尋找路徑的周期時間,可以優化芯片凸塊的放置。新的方法可以研究使用不同數量的封裝層所涉及的權衡方法,而且能在單個設計視圖中考慮IC側的RDL布線和PCB側的逃逸路線。新方法的優點包括可以減少RDL、中介層/載板和封裝層數、改善信號完整性,以及縮短上市時間。



            3D芯片、封裝和電路板的協同設計環境


            項目中的每個工作人員都能夠看到自己負責的部分在整個產品中的效果,能夠更加容易地優化引腳分配并避免連接錯誤。例如,可以在進行封裝/IC凸塊分配的同時查看PCB級的拉線效果。設計師可以觀察到在電路板級下進行的自動或交互引腳交換對封裝級和IC級會有哪些潛在影響,以提升PCB布線性。引腳交換操作是封裝和PCB數據庫之間的自動交流,可以避免使用CSV或其他中間文件溝通變化情況。多名工程師能夠針對單個基板上同時工作,這是因為工程師可以使用新的工具鎖定封裝設計。如果設計師需要在一個鎖定的封裝設計中進行引腳交換,他們可以給其他工程師發送提醒,作為ECO(Engineering Change Order,工程設計更改),其他的工程師則可以接受或拒絕這個請求。


            模擬


            從信號完整性、電源完整性或散熱的角度來看,可以使用 Keysight Technologies、ANSYS、AWR、CST和Synopsys等供應商提供的方案進行多學科、多物理領域分析,從而確定信號完整性、電源完整性或熱變化的效果。協同設計環境可實現整個系統內的信號追蹤。當信號路徑從發射端出發穿過系統互連到達接收端過程中越過設計和元件界限的時候,可以對其進行檢查和分析。智能集成原理圖或以布局為基礎的模擬環境,可以支持多個設計流程。


            結論

            從共面設計到復雜3D堆疊結構及埋入式器件的轉變,人們對能夠準確呈現結構圖像并提供有意義的視覺和DRC反饋的工具有越來越多的需求,從而能夠快速完成設計,并且一次就可以成功。新一代3D多板產品級設計工具可以實現實時3D分級設計,設計團隊使用這類工具可以創建出芯片、封裝和PCB的任意組合。使用原始的2D和3D結構,設計師可以高效地協同設計芯片、封裝和電路板,從而優化每個級別的I/O,將元件智能地嵌入堆疊結構的介質中,并實時驗證制造規則。下一代工具可以同時管理多個電路板及其外殼,并且能在本地ECAD工具內直接進行沖突檢查。新的集成型3D多板芯片-封裝-電路板協同設計環境可以從整體上優化封裝、電路板和IC設計,從而得到性能更強、制造成本更低的產品,與過去在最后的設計結果出來后才能進行的優化相比,這種優化結果更佳



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