是德科技如何助力減少PCB改版次數(shù)

目前全球電子產(chǎn)業(yè)鏈的核心增長動(dòng)力集中于AI服務(wù)器、交換機(jī)與各種先進(jìn)設(shè)備如電動(dòng)汽車、高端醫(yī)療產(chǎn)品，智能手機(jī)等。

研報(bào)顯示

全球PCB市場2024年增速近6.0%，其中HDI板和18層以上多層板成為增速最快的品類，增速超15%，也是受到了以上需求的驅(qū)動(dòng)。

隨著PCB速率和頻率不斷增加，PCB板趨向于多層高密化，選擇合適基材并設(shè)計(jì)出滿足SI要求的疊層成為高速信號(hào)設(shè)計(jì)的核心工作之一。

PCB改版是研發(fā)人員最不期望看到的事情，而PCB選材或疊層問題是造成PCB改版的最常見的原因之一。不良的PCB選材或疊層設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致傳輸線阻抗失配，插損超標(biāo)等嚴(yán)重的信號(hào)完整性問題。

如何才能減少或者避免因?yàn)榀B層原因造成的改版？

其最大的挑戰(zhàn)在于如何跨越“PCB工廠的阻抗經(jīng)驗(yàn)修正過程”鴻溝，以實(shí)現(xiàn)對(duì)疊層的阻抗與插損的精確仿真能力。

當(dāng)前，高速信號(hào)SI工程師在前期花了大量的努力進(jìn)行疊層、阻抗和插損等仿真計(jì)算，但到PCB加工時(shí)還是需要按照PCB工廠通過FA獲取經(jīng)驗(yàn)值后再對(duì)阻抗重新計(jì)算并調(diào)整線寬間距，甚至調(diào)整幅度過大時(shí)需要對(duì)疊層及阻抗進(jìn)行改版重新設(shè)計(jì)。

這種情況的出現(xiàn)源于其影響因素錯(cuò)綜復(fù)雜且不透明：

PCB基材的玻纖結(jié)構(gòu)眾多、不同RC對(duì)應(yīng)不同的DK/DF，PCB工藝的銅厚、層壓后的厚度/DK/DF的變化、阻抗仿真軟件的精度、PCB工廠的經(jīng)驗(yàn)DK、銅箔粗糙度的表征與測量等等關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜且不透明的參數(shù)及計(jì)算過程。任何一個(gè)參數(shù)不當(dāng)，都會(huì)造成阻抗及損耗模擬的偏差，這樣設(shè)計(jì)制造出來的實(shí)際產(chǎn)品就很難符合預(yù)期性能。

下面我們將介紹如何通過“疊層、阻抗與插損” 集成化高精度設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)幫助PCB工廠實(shí)現(xiàn)去經(jīng)驗(yàn)化達(dá)到疊層設(shè)計(jì)的“一版成功”。

要想解決這個(gè)問題，核心有兩點(diǎn)：

一是準(zhǔn)確的DK仿真

二是建立高精度的仿真模型

PCB板的橫截面，介質(zhì)原材料是玻璃纖維和樹脂的混合物。玻璃纖維布類似于我們穿的衣服，交織在一起，有標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)格，其余部分是樹脂。

我們通過軟件將這種復(fù)雜變化的介質(zhì)層在Z軸方向上簡單地分成多個(gè)相對(duì)均勻的介質(zhì)層，這樣原本是單一的DK值變成了多個(gè)DK值。我們可以精確地知道在每個(gè)區(qū)域DK的波動(dòng)范圍，通過建立這種模型來代表DK的準(zhǔn)確分布，然后根據(jù)銅線的電磁場分布來計(jì)算對(duì)應(yīng)的DK值，進(jìn)而計(jì)算阻抗值。

傳統(tǒng)的阻抗仿真軟件可以理解為一個(gè)純粹的阻抗計(jì)算器，用戶決定輸入的參數(shù)，即單一的DK值，然后軟件根據(jù)自身的模型算出阻抗值。而我們的方案可以認(rèn)為是一種更為先進(jìn)的架構(gòu)，阻抗控制由三個(gè)主要因素構(gòu)成，包括疊層設(shè)計(jì)、阻抗計(jì)算和工藝控制。這樣就把所有影響到阻抗的因素考慮進(jìn)去，形成一種系統(tǒng)集成的軟件，可以實(shí)現(xiàn)更為精確的阻抗控制。

利用這個(gè)方案，我們就可以擺脫原先板廠的經(jīng)驗(yàn)DK法，使得這種設(shè)計(jì)加工從黑盒子狀態(tài)變成一種透明去經(jīng)驗(yàn)化的狀態(tài)。

軟件的整體界面情況如上圖。左側(cè)是材料選擇界面，我們支持常用的材料供應(yīng)商。選擇材料后，可以定義其為Core、PP或銅箔，然后將其添加到右側(cè)的疊層設(shè)計(jì)中。由于軟件的無縫集成，相關(guān)參數(shù)會(huì)自動(dòng)從疊層設(shè)計(jì)中提取到阻抗計(jì)算器中，以進(jìn)行阻抗測量。

另外，我們的方案并沒有使用Ra或Rz進(jìn)行建模，而是使用銅箔和藥水的類型作為參數(shù)進(jìn)行建模。以上是我們軟件的插損仿真界面，首先選擇銅箔的類型，然后選擇銅箔加工的方法和藥水類型。我們可以提供這些參數(shù)給客戶，再根據(jù)疊層結(jié)構(gòu)、線寬等參數(shù)以及DF值，計(jì)算出最終的插損值。

這種方法的準(zhǔn)確度高，我們與PCB板廠合作，使用量產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練和驗(yàn)證，使其模擬插損更加精準(zhǔn)。在插損仿真方面，我們可以做到誤差在10%以內(nèi)。如果加工工藝更好一些，5%的誤差也是可以實(shí)現(xiàn)的。這比行業(yè)內(nèi)其他軟件的準(zhǔn)確度高很多。

智能設(shè)備、AI、高速計(jì)算等高端應(yīng)用的性能對(duì)高頻高速多層高密PCB的阻抗和損耗控制需從材料選型、工藝精度、設(shè)計(jì)仿真、測試驗(yàn)證等都提出了更高的要求，對(duì)高頻高速多層高密PCB板的信號(hào)完整性提出了更嚴(yán)格要求。

復(fù)雜結(jié)構(gòu)帶來的挑戰(zhàn)，材料選擇的優(yōu)化需求、加工工藝的高精度要求以及測試驗(yàn)證的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)這些因素共同作用，使得在整個(gè)設(shè)計(jì)和制造過程中必須采取更精細(xì)的控制措施，以確保最終產(chǎn)品的高性能和高可靠性。

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