Мы живем в мире, где правят полупроводники. Плату с электронными компонентами (PCB) сейчас можно найти и в электрическом чайнике, и в космическом корабле. Печатные платы разрабатываются миллиардами штук, а темпы их производства только растут. Задач по проектированию PCB тоже становится все больше.

При этом зачастую процесс проектирования плат далек от оптимального в силу большого количества вносимых ошибок, которые приходится исправлять на более поздних этапах, теряя время и деньги. Учитывая, насколько велика конкуренция среди проектировщиков, крайне важной становится задача оптимизации рабочих процессов и налаживания системы сквозных проверок на каждом этапе.

Сегодня мы попробуем разобраться, как получить преимущества при проектировании плат без существенных финансовых затрат.

Сквозной маршрут проектирования

Несколько лет назад аналитическая компания Aberdeen Strategy & Research выявила ряд закономерностей, характерных для рынка разработки PCB. Эксперты пришли к вполне предсказуемому выводу о том, что наибольшего успеха достигают компании, которые используют современные процессы и инструменты проектирования. Также очень важны организация эффективной коллективной работы над проектами и этап виртуального моделирования.

Конкретные цифры говорят сами за себя: использование лучших в отрасли практик позволяет достичь плановых показателей себестоимости продуктов в 92 % случаев, а целевых показателей по доходности – в 90 % случаев. При этом соответствие результата работы требованиям по качеству составляет 94 %. В Aberdeen Strategy & Research отмечают, что в среднем по отрасли все эти показатели не превышают 75 %.

В современных условиях уже недостаточно просто спроектировать схемотехнику и топологию устройства. Это можно сделать при помощи любой устаревшей условно бесплатной САПР. Однако помимо этого проект необходимо смоделировать и верифицировать с учетом многих аспектов. Маршрут проектирования, позволяющий добиться требуемого результата в сжатые сроки, должен включать в себя следующие этапы:

·       Моделирование цифровой и аналоговой частей проекта на стадии разработки схемотехники.

·       Предтопологический анализ целостности сигналов и питания.

·       Проверка электрических правил и электромагнитной совместимости с учетом влияния топологии.

·       Покрытие платы максимально возможным количеством тестовых точек для последующих лабораторных испытаний.

·       Тепловой анализ и термоциклирование.

·       Приведение проекта в состояние, соответствующее возможностям завода-изготовителя (Design for manufacturability, DFM)

·       Физические испытания для определения допустимых значений вибрации, ускорения и т.д.

Проведение натурных испытаний требует значительных материальных и временных ресурсов. Но такие эксперименты могут быть почти в полном объеме выполнены и в виртуальной среде.

Если рассмотреть реально используемые в разработке плат маршруты проектирования, можно убедиться, что зачастую они не содержат одного или нескольких пунктов вышеупомянутой последовательности. 

По сути, на сегодняшний день только один вендор может предложить весь спектр возможностей комплексного проектирования электронных систем – Siemens EDA (бывшая Mentor Graphics).

Каждой задаче по инструменту

Флагманским решением компании является Xpedition® Enterprise. Оно наилучшим образом подходит для разработки многоплатных систем, начиная от средств проектирования подложек и корпусирования, и заканчивая инструментами параллельной работы группы инженеров.

В свою очередь PADS® Professional позволяет разрабатывать сложные не многоплатные проекты печатных плат небольшими командами специалистов. Он включает в себя встроенные инструменты для анализа целостности сигналов, цифро-аналогового и теплового моделирования.

Семейство продуктов HyperLynx® предназначено для проведения пред- и посттопологического анализа целостности сигналов, питания, электромагнитной совместимости. Содержатся в нем и средства моделирования распространения тепла по плате.

Valor – первое в отрасли комплексное решение для быстрого и экономически эффективного вывода продукта на рынок. Он включает в себя инструменты проверки соответствия топологии плат возможностям производителей и позволяет добиться высокого качества продукции при умеренных расходах.

Valydate – полностью автоматизированный инструмент анализа схемотехники, заменяющий визуальную проверку. Он предоставляет доступ к огромной облачной библиотеке моделей компонентов для проверки схемы. Применение Valydate при проектировании схемотехники позволяет заметно сократить срок разработки изделия.

Продукты FloTHERM XT и FloEFD дают возможность быстро решать все связанные с проектом задачи гидрогазодинамики и теплообмена. Габаритные размеры электронных компонентов с каждым годом становятся все меньше, при этом мощность самих устройств растет. Плотность компоновки печатных плат увеличивается, что делает все более важным учет процесса нагрева. FloTHERM XT и FloEFD помогут в решении трехмерных задач теплообмена электронных изделий.

Все перечисленные инструменты могут работать под управлением Teamcenter – универсального менеджера жизненного цикла изделия (PLM). Кроме того, все эти САПР имеют тесную интеграцию между собой, что позволяет переносить любые данные из одной среды в другую без потерь.

Цена ошибки

Если маршрут проектирования не позволяет выявлять ошибки на каждом из этапов разработки, это может вылиться в серьезный перерасход средств, заложенных на проектирование. Например, ошибка, заложенная на этапе формирования BOM (Bill Of Materials) может проявить себя уже на финальных этапах проектирования. Ошибка в схемотехнике может быть выявлена уже на этапе лабораторных испытаний прототипа. Соответственно, чем позже будет обнаружена недоработка, тем дороже она обойдется и большую задержку вызовет.

А ведь не исключено, что ошибка распространится на всю серию производимых устройств. В этом случае финансовые потери могут на 4-5 порядков превысить стоимость своевременного исправления недоработки в рамках текущего этапа проектирования.

«Сдвиг влево»

Традиционная культура проектирования печатных плат предусматривает валидацию проекта на стадии лабораторного прототипирования. Это дорогой путь, к тому же он не позволяет произвести анализ причин возникновения проблемы. Siemens вместо этого предлагает использовать принцип, получивший название «сдвиг влево».

При его использовании, валидация производится непосредственно перед прототипированием изделия, а в идеале и на каждом из этапов разработки. Именно здесь и применяется большинство инструментов анализа и моделирования. Сдвиг валидации «влево» по дорожной карте проектирования позволяет значительно сократить производственные и временные затраты.

Для применения такого подхода инструменты проверки должны быть тесно интегрированы со средой разработки и просты в использовании. Программные продукты Siemens EDA позволяют в полной мере реализовать такой процесс проектирования. Это позволяет практически полностью отказаться от физических прототипов, заменив их «цифровыми двойниками».

В случае, если команда разработчиков уже использует сторонние САПР (Altium, Cadence и пр.) и по каким-то причинам не может перейти на Xpedition или PADS, инструменты валидации и анализа от Siemens EDA могут быть интегрированы и в уже существующий маршрут проектирования.