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 CAD 畫布上同時開發電路板的好處。

電動汽車等高級應用需要將專門的功能組合到連接的多板系統中。

雖然包含具有專用功能的 PCB 的模塊已經存在了幾十年，但所有電動汽車行業現在都在研究電路板的物理連接方式。

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

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

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，PCB 將需要特別關注。在這方面，控制器板可能密度非常高，具有 BGA 器件（每個有數百個球）、倒裝芯片器件、引線鍵合芯片和/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

包含具有專用功能的 PCB 的模塊已經存在了幾十年。然而，所有電動汽車行業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安裝在另一個之上?？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汽車領域的一個增長趨勢，而 CAD 軟件使工程師能夠在單一環境中設計多個板。

電路板堆疊的優勢很多，其中大部分優勢來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，簡化了組裝（也是節省成本），并且由于沒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，這些好處是有代價的。設計過程現在更加復雜，出于所有意圖和目的，我們同時設計兩個 PCB。至少是第一次，之后可能會在后續項目中使用一個或兩個板。

顯然，物理連接——即模塊的凸點將與主板上的焊錫焊盤連接的地方——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。

在單一環境中設計電路板——同樣，可能有兩個或更多——具有相當大的優勢。例如，韜放電子 的 CR-8000 Design Force支持在單個畫布中進行這種并發設計。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板上的臨時組件存在，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 會自動創建一個臨時組件，用于放置在控制器板的底部。這個臨時組件最初存在于連接點交叉時，作為焊盤（或球，如果您更喜歡考慮 BGA）位置和焊盤堆疊的指示。

當設計存在于單一環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，多板系統的設計會大大簡化。

關于每個焊盤的放置，信號“意圖”必須是一個因素。換句話說，對于必須與基板連接的信號，雖然從頂部組件的焊盤路由到底部最近的焊盤對于控制器板來說可能是實用的，但基板可能不方便接收信號來自那個物理位置的信號。

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

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

與將信號分配給控制器板上的焊盤一樣，同樣的考慮也適用于基板。例如，必須通過高速信號的阻抗匹配來保持信號完整性。在這里，在 Design Force 中在單個畫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。

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

電氣更新并不是唯一可以輕松實施的更新。有時，需要將一個或多個墊相對于其他墊移動。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組件存在。傳統的 BGA 網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的好處是相當可觀的，而且這種做法越來越受歡迎。無論您將頂板視為“組件”還是單板的一部分（恰好具有不同的設計要求和規則）都是學術性的，并且始終確保電氣和物理連續性（焊盤）。

此外，電路板技術是否有很大差異也沒有關系。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 中對其進行原型設計，在工作臺上進行功能驗證，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冷組件。