המורכבות הגוברת של PCB שיקולי עיצוב, כגון שעון, דיבור חוצה, עכבה, זיהוי ותהליכי ייצור, פעמים רבות מאלצים את המעצבים לחזור על עבודות פריסה, אימות ותחזוקה רבות. עורך אילוצי הפרמטרים מקודד פרמטרים אלה לנוסחאות כדי לסייע למעצבים להתמודד טוב יותר עם פרמטרים סותרים אלה לפעמים במהלך התכנון והייצור.

בשנים האחרונות, דרישות הפריסה והניתוב של ה- PCB הפכו מורכבות יותר, ומספר הטרנזיסטורים במעגלים משולבים גדל כפי שחזה חוק מור, מה שהופך את המכשירים למהירים יותר ולכל דופק לאורך זמן העלייה, כמו גם להגדיל את מספר הפינים. – לעתים קרובות 500 עד 2,000. כל זה יוצר בעיות בצפיפות, בשעון ובשיחות צלב בעת עיצוב PCB.

לפני כמה שנים, ברוב ה- PCBS היו רק קומץ צמתים “קריטיים” (Nets), המוגדרים בדרך כלל כאילוצים על עכבה, אורך ופינוי. מעצבי PCB היו מנתבים ידנית את המסלולים הללו ולאחר מכן משתמשים בתוכנה לאוטומטי ניתוב בהיקף רחב של המעגל כולו. ל- PCBS של היום יש לרוב 5,000 צמתים או יותר, יותר מ -50% מהם קריטיים. בשל הזמן ללחץ השוק, חיווט ידני אינו אפשרי בשלב זה. יתר על כן, לא רק מספר הצמתים הקריטיים גדל, אלא גם האילוצים על כל צומת גדלו.

אילוצים אלה נובעים בעיקר מפרמטרי המתאם ודרישות העיצוב של יותר ויותר מורכבים, למשל, המרווח הליניארי שני עשוי להיות תלוי במתח והצומת וחומרים הלוח הם פונקציות קשורות, זמן עליית IC הדיגיטלית ירידות במהירות גבוהה ונמוכות מהירות השעון יכולה להשפיע על העיצוב, עקב דופק מהיר יותר וביסוס ושמירה על זמן קצר יותר, בנוסף, כחלק חשוב מהעיכוב הכולל של תכנון מעגלים במהירות גבוהה, עיכוב קישוריות חשוב גם בעיצוב במהירות נמוכה.

חלק מבעיות אלה יהיה קל יותר לפתור אם לוחות היו גדולים יותר, אך המגמה היא בכיוון ההפוך. בשל הדרישות של עיכוב קישור וחבילת צפיפות גבוהה, הלוח הופך קטן יותר ויותר, כך שמופיע עיצוב מעגל בצפיפות גבוהה, ויש לפעול על פי כללי עיצוב המיזעור. זמני עלייה מופחתים בשילוב עם כללי עיצוב ממוזערים אלה הופכים את רעש ההצטלבות לבעיה יותר ויותר בולטת, ומערכי רשת הכדור וחבילות צפיפות גבוהה אחרות מחריפות את עצם השיח ההולך, את רעשי המעבר ואת הקפצת הקרקע.

מגבלות קבועות שקיימות

הגישה המסורתית לבעיות אלה היא לתרגם דרישות חשמל ותהליכים לפרמטרי אילוצים קבועים לפי ניסיון, ערכי ברירת מחדל, טבלאות מספרים או שיטות חישוב. לדוגמה, מהנדס המתכנן מעגל עשוי לקבוע תחילה עכבה מדורגת ולאחר מכן “להעריך” רוחב קו מדורג כדי להשיג את העכבה הרצויה על סמך דרישות התהליך הסופיות, או להשתמש בטבלת חישוב או בתוכנית אריתמטית לבדיקת הפרעות ולאחר מכן לעבוד להוציא את מגבלות האורך.

גישה זו דורשת בדרך כלל מערך נתונים אמפיריים כקו מנחה בסיסי למעצבי PCB, כך שיוכלו למנף נתונים אלה בעת עיצוב עם כלי פריסה וניתוב אוטומטיים. הבעיה בגישה זו היא שנתונים אמפיריים הם עיקרון כללי, ולרוב הם נכונים, אך לפעמים הם אינם עובדים או מביאים לתוצאות שגויות.

בואו נשתמש בדוגמה של קביעת עכבה למעלה כדי לראות את השגיאה ששיטה זו יכולה לגרום. הגורמים הקשורים לעכבה כוללים את התכונות הדיאלקטריות של חומר הלוח, גובה רדיד הנחושת, המרחק בין השכבות לשכבת הקרקע/כוח ורוחב הקו. מכיוון ששלושת הפרמטרים הראשונים נקבעים בדרך כלל על ידי תהליך הייצור, בדרך כלל מעצבים משתמשים ברוחב הקו כדי לשלוט על העכבה. מכיוון שהמרחק בין כל שכבת קו לרצפה או שכבת הכוח שונה, ברור שזוהי טעות להשתמש באותם נתונים אמפיריים עבור כל שכבה. לכך מתווספת העובדה שתהליך הייצור או מאפייני הלוח המשמשים במהלך הפיתוח יכולים להשתנות בכל עת.

רוב הזמן בעיות אלו ייחשפו בשלב ייצור האב -טיפוס, הכללי הוא לברר את הבעיה באמצעות תיקון הלוח המעגלי או עיצוב מחדש כדי לפתור את עיצוב הלוח. עלות הפעולה היא גבוהה, ותיקונים יוצרים לרוב בעיות נוספות הדורשות ניפוי נוסף, ואובדן ההכנסות עקב זמן עיכוב לשוק עולה בהרבה על עלות הניפוי.כמעט כל יצרנית אלקטרוניקה מתמודדת עם בעיה זו, שבסופו של דבר מסתכמת בחוסר היכולת של תוכנת עיצוב PCB מסורתית לעמוד בקצב המציאות של דרישות הביצועים החשמליים הנוכחיים. זה לא פשוט כמו נתונים אמפיריים על תכנון מכני.

במה ניתן להשתמש כדי להגביל את עיצוב ה- PCB?

פתרון: פרמטר אילוצים

כיום ספקי תוכנת עיצוב מנסים לפתור בעיה זו על ידי הוספת פרמטרים לאילוצים. ההיבט המתקדם ביותר בגישה זו הוא היכולת לפרט מפרטים מכניים המשקפים במלואם מאפיינים חשמליים פנימיים שונים. לאחר שילובם של אלה בעיצוב ה- PCB, תוכנת העיצוב יכולה להשתמש במידע זה כדי לשלוט על כלי הפריסה והניתוב האוטומטיים.

כאשר תהליך הייצור העוקב משתנה, אין צורך לעצב מחדש. המעצבים פשוט מעדכנים את הפרמטרים המאפיינים את התהליך, וניתן לשנות את האילוצים הרלוונטיים באופן אוטומטי. לאחר מכן יכול המעצב להפעיל את DRC (Check Rule Check) כדי לקבוע אם התהליך החדש מפר כללי עיצוב אחרים ולברר אילו היבטים של העיצוב יש לשנות כדי לתקן את כל השגיאות.

ניתן להכניס אילוצים בצורה של ביטויים מתמטיים, לרבות קבועים, אופרטורים שונים, וקטורים ואילוצי עיצוב אחרים, המספקים למעצבים מערכת מונחת של כללים. ניתן אפילו להזין אילוצים כטבלאות חיפוש, המאוחסנות בקובץ עיצוב על לוח PCB או סכמטי. חיווט PCB, מיקום אזור רדיד נחושת וכלי פריסה עוקבים אחר האילוצים שנוצרים מתנאים אלה, ו- DRC מאמת כי העיצוב כולו עומד באילוצים אלה, כולל רוחב קו, מרווח ודרישות שטח כגון הגבלות שטח וגובה.

ניהול היררכי

אחד היתרונות העיקריים של אילוצים פרמטריים הוא שניתן לדרג אותם. לדוגמה, כלל רוחב הקו הגלובלי יכול לשמש כאילוץ עיצוב בכל העיצוב. כמובן שחלק מהאזורים או הצמתים אינם יכולים להעתיק עיקרון זה, כך שניתן לעקוף את האילוץ ברמה גבוהה יותר ולאמץ את האילוץ ברמה הנמוכה יותר בעיצוב ההיררכי. ל- Parametric Constraint Solver, עורך אילוצים מ- ACCEL Technologies, ניתן סך הכל 7 רמות:

1. תכננו אילוצים לכל האובייקטים שאין להם אילוצים אחרים.

2. אילוצי היררכיה, החלים על אובייקטים ברמה מסוימת.

3. אילוץ סוג הצומת חל על כל הצמתים מסוג מסוים.

4. אילוץ צומת: חל על צומת.

5. אילוץ בין מעמדי: מציין את האילוץ בין צמתים של שתי מחלקות.

6. אילוץ מרחבי, מיושם על כל המכשירים בחלל.

7. אילוצי התקנים, החלים על מכשיר יחיד.

התוכנה עוקבת אחר אילוצי עיצוב שונים ממכשירים בודדים וכללי העיצוב כולה, ומציגה את סדר היישום של כללים אלה בעיצוב באמצעות גרפיקה.

דוגמה 1: רוחב קו = F (עכבה, מרווח שכבות, קבוע דיאלקטרי, גובה רדיד נחושת). להלן דוגמה לאופן שבו ניתן להשתמש באילוצים עם פרמטרים כללי עיצוב לשליטה על העכבה. כפי שצוין לעיל, עכבה היא פונקציה של קבוע דיאלקטרי, מרחק לשכבת הקו הקרובה ביותר, רוחב וגובה חוט נחושת. מכיוון שנקבעה העכבה הנדרשת על ידי התכנון, ניתן לקחת את ארבעת הפרמטרים הללו באופן שרירותי כמשתנים רלוונטיים לשכתוב נוסחת העכבה. ברוב המקרים, מעצבים יכולים לשלוט רק ברוחב הקו.

בגלל זה, האילוצים ברוחב הקו הם פונקציות של עכבה, קבוע דיאלקטרי, מרחק לשכבת הקו הקרובה וגובה רדיד הנחושת. אם הנוסחה מוגדרת כאילוץ היררכי ופרמטרי תהליך הייצור כאילוץ ברמת העיצוב, התוכנה תתאים אוטומטית את רוחב הקו כדי לפצות כאשר שכבת הקו המעוצבת משתנה. באופן דומה, אם הלוח המיועד מיוצר בתהליך אחר וגובה רדיד הנחושת משתנה, ניתן לחשב מחדש את הכללים הרלוונטיים ברמת העיצוב באופן אוטומטי על ידי שינוי הפרמטרים של גובה רדיד הנחושת.

דוגמה 2: מרווח התקנים = מקסימום (מרווח ברירת מחדל, F (גובה המכשיר, זווית זיהוי).היתרון הברור של שימוש הן במגבלות פרמטרים והן בבדיקת חוקי העיצוב הוא שהגישה המתואמת לפרמטרים ניידת ומנוטרת כאשר מתרחשים שינויי עיצוב. דוגמה זו מראה כיצד ניתן לקבוע את המרווח בין המכשירים על פי מאפייני התהליך ודרישות הבדיקה. הנוסחה לעיל מראה כי המרווח בין המכשירים הוא פונקציה של גובה המכשיר וזווית הזיהוי.

זווית הזיהוי היא בדרך כלל קבוע עבור הלוח כולו, כך שניתן להגדירו ברמת העיצוב. בעת בדיקה על מכונה אחרת, ניתן לעדכן את העיצוב כולו פשוט על ידי הזנת ערכים חדשים ברמת העיצוב. לאחר הזנת הפרמטרים החדשים של ביצועי המכונה, המעצב יכול לדעת אם העיצוב אפשרי פשוט על ידי הפעלת ה- DRC כדי לבדוק אם מרווח המכשיר מתנגש עם ערך המרווח החדש, וזה הרבה יותר קל מאשר לנתח, לתקן ולאחר מכן לבצע חישובים קשים בהתאם לדרישות המרווח החדשות.

במה ניתן להשתמש כדי להגביל את עיצוב ה- PCB?

דוגמה 3: פריסת רכיבים,בנוסף לארגון אובייקטים ומגבלות עיצוב, ניתן להשתמש בכללי עיצוב גם לפריסת רכיבים, כלומר הוא יכול לזהות היכן למקם מכשירים מבלי לגרום לשגיאות המבוססות על אילוצים. מודגש באיור 1 הוא לעמוד באילוצים פיזיים (כגון מרווח וקצה מרווח הצלחת והתקן) אזור ההתקנים, איור 2 מדגיש הוא לפגוש את אזורי מיקום המכשיר החשמלי, כגון אורך קו מקסימלי, איור 3 מציג רק שטח אילוץ החלל, לבסוף, איור 4 הוא החיתוך של שלושת החלקים הראשונים של התמונה, זוהי פריסת השטח היעילה, מכשירים המוצבים באזור זה יכולים לספק את כל האילוצים.

במה ניתן להשתמש כדי להגביל את עיצוב PCB?

למעשה, יצירת אילוצים באופן מודולרי יכולה לשפר במידה ניכרת את תחזוקתם ושימושם החוזר. ניתן ליצור ביטויים חדשים על ידי התייחסות לפרמטרי האילוץ של שכבות שונות בשלב הקודם, למשל, רוחב הקו של השכבה העליונה תלוי במרחק השכבה העליונה ובגובה חוט הנחושת, ובמשתנים Temp ו- Diel_Const ברמת העיצוב. שים לב שכללי עיצוב מוצגים בסדר יורד, ושינוי אילוץ ברמה גבוהה יותר משפיע באופן מיידי על כל הביטויים המתייחסים לאילוץ זה.

במה ניתן להשתמש כדי להגביל את עיצוב PCB?

עיצוב שימוש חוזר ותיעוד

אילוצים פרמטריים, לא רק שיכולים לשפר באופן משמעותי את תהליך התכנון הראשוני, ושימוש חוזר בשינויים הנדסיים ובעיצוב שימושי יותר, ניתן להשתמש באילוץ כחלק מהעיצוב, המערכת והמסמכים, ולו לא רק במוחו של מהנדס או מעצב, כך שכאשר הם פנייה לפרויקטים אחרים עלולה לשכוח לאט לאט. מסמכי אילוץ מתעדים את כללי הביצועים החשמליים שיש לעקוב אחריהם במהלך תהליך התכנון ומספקים הזדמנות לאחרים להבין את כוונות המעצב כך שניתן ליישם כללים אלה בקלות על תהליכי ייצור חדשים או לשנותם בהתאם לדרישות הביצועים החשמליים. מרבבים עתידיים יכולים גם לדעת את כללי התכנון המדויקים ולבצע שינויים על ידי הזנת דרישות תהליך חדשות מבלי שתצטרכו לנחש כיצד התקבלו רוחבי הקווים.

מסקנת מאמר זה

עורך אילוצי הפרמטרים מקל על פריסת PCB וניתוב תחת אילוצים רב-ממדיים, ולראשונה מאפשר תוכנת ניתוב אוטומטית וכללי עיצוב לבדיקה מלאה מול דרישות חשמל ותהליכים מורכבים, במקום להסתמך רק על ניסיון או על כללי עיצוב פשוטים שהם חסר תועלת. התוצאה היא עיצוב שיכול להשיג הצלחה חד פעמית, צמצום או אפילו ביטול ניפוי באב טיפוס.