Cadence Allegro - miniaturyzacja poprzez komponenty wbudowane

Efektywne zastosowanie tej metody wymaga przygotowania narzędzia projektowego w ten sposób, aby można było układać elementy wbudowane na warstwach wewnętrznych tak samo łatwo jak na tradycyjnych, zewnętrznych oraz umożliwić logiczne definiowane reguł projektowych kontrolujących cały proces umieszczania elementów na projektowanym obwodzie drukowanym. Program Allegro 16.5 pozwala właśnie na takie projektowanie.

Elementy wbudowane

Rys. 1. Sposób montażu elementów wbudowanych

Postępująca miniaturyzacja w elektronice, czego najlepszym przykładem są smartfony, wymusza dostarczanie na rynek coraz mniejszych urządzeń, oferujących jednocześnie coraz więcej funkcji. Sama miniaturyzacja nie jest jednak procesem oderwanym od innych istotnych zagadnień, takich jak integralność sygnałów, czy wydajność zasilania.

Wymiary obwodu drukowanego w sposób oczywisty zależą od sumy powierzchni elementów, które mają zostać użyte. Zatem jedyną drogą redukcji finalnego rozmiaru obwodu drukowanego jest zwiększenie liczby dostępnych warstw. Producenci telefonów komórkowych oraz innych mobilnych urządzeń bardzo często radzą sobie z tym problemem poprzez zastosowanie obwodów drukowanych montowanych kaskadowo jeden nad drugim.

Typowe problemy takich konstrukcji to potrzeba zastosowania dodatkowych złączy oraz zwiększenie długości elektrycznej połączeń, co może negatywnie wpływać na integralność sygnałów. Dodatkowo, taka konstrukcja znacząco zwiększa swoje wymiary w trójwymiarowym ujęciu ponieważ na znaczeniu zyskuje wymiar "z", czyli wysokość. Bardzo często złącza stosowane do połączeń elektrycznych między płytkami ułożonymi kaskadowo spełniają również funkcję montażową, co może źle wpływać na niezawodność.

Alternatywą może być projektowanie obwodów PCB w formie płytek sztywno giętkich. Rozwiązanie takie zapewnia wysoce niezawodne połączenie elektryczne lecz pozostaje problem wzajemnego, mechanicznego połączenia obwodów PCB, które, jak już wcześniej wspomniano, w technologii obwodów sztywnych jest realizowane poprzez złącza.

Elementy wbudowane, znane również jako zagrzebane, pozwalają na tworzenie konstrukcji pozbawionych wyżej wymienionych wad. Coraz więcej firm sięga do tej technologii. Od wielu lat znane są metody wbudowywania elementów pasywnych do wnętrza obwodów drukowanych. Kondensatory grzebieniowe, cewki spiralne oraz rezystory z pasty oporowej kalibrowanej nacięciami lasera nie są niczym nowym.

Jednak nową jakość konstrukcji wyznacza dopiero możliwość stosowania klasycznych elementów dyskretnych stosowanych dotychczas na warstwach zewnętrznych. Oczywiście, takie konstrukcje wymagają zmodyfikowanego procesu wytwarzania obwodów drukowanych oraz zastosowania odpowiednich narzędzi projektowych.

Obwody drukowane zwierające elementy wbudowane charakteryzują się znacznie lepszymi parametrami dotyczącymi integralności sygnałów oraz dystrybucji zasilania. Jest to oczywiście spowodowane mniejszymi długościami elektrycznymi połączeń oraz łatwiejszą dostępnością kondensatorów blokujących. Brak złączeń oraz konstrukcji mocujących wymaganych w przypadku obwodów kaskadowych powoduje zmniejszenie całkowitej wagi urządzenia.

Produkcja

Rys. 2. Ustawienie reguł projektowych dla elementów wbudowanych

Produkcja obwodów drukowanych zawierających elementy wbudowane jest bardzo skomplikowana i wpływa znacząco na specyfikę projektowania. Program musi posiadać możliwość zawarcia informacji o technologii w celu ułatwienia projektowania i zapewnienia, że obwód drukowany będzie mógł być prawidłowo wykonany.

Zintegrowany z programem Allegro zarządca reguł projektowych (Constraints Manager) pozwala na bardzo precyzyjną kontrolę całego procesu projektowania. Poza typowymi regułami określającymi szerokości ścieżek, ich odległości od innych elementów oraz ich właściwości elektryczne, takie jak impedancja, czy czas propagacji, możemy również definiować reguły dotyczące sposobu umieszczania elementów wbudowanych na warstwach wewnętrznych.

Reguły projektowe dotyczące umieszczania elementów wbudowanych określają dostępność warstw oraz sposób, w jaki element ma zostać przylutowany. Mamy do wyboru dwie opcje: body up i body down. Reguły również rozstrzygają, czy element, który jest za wysoki, aby mógł zostać umieszczony wprost pomiędzy warstwami miedzi, może być użyty po usunięcie kolidującego fragmentu warstwy miedzianej. Określa to parametr Protruding Allowed.

Rysunek 2 ilustruje parametry dostępne w zarządcy reguł projektowych. Podczas umieszczania elementu wbudowanego na warstwie wewnętrznej program Allegro automatycznie usuwa część objętości wewnętrznej struktury obwodu drukowanego potrzebną na fizyczne umieszczenie elementu wewnątrz płytki. W zależności od sytuacji, odsłonięcie takie może być zarezerwowane z dodatkowym nadmiarem, co reguluje specjalny parametr (cavity).

Dzisiejsza technologia pozwala na umieszczenie rożnych elementów wewnątrz obwodu drukowanego. Elementy pasywne w obudowach 0402 i 0201 pozwalają na użycie właściwie wszystkich możliwych wartości rezystancji oraz stosunkowo dużych pojemności. Również układy scalone dostarczane bez klasycznych obudów (bare-die) mogą być użyte jako elementy wbudowane.

Przegląd skalowalnych produktów PCB fifirmy Cadence

Rys. 3. Moduły PCB Routing Option Option oraz Design Planing

Prawdziwa skalowalność produktów firmy Cadence jest jedną z najbardziej oczekiwanych i docenianych cech. Programy OrCAD i Allegro różnią się w istocie tylko zestawem oferowanych funkcjonalności. W praktyce są to te same programy, co pozwala zarówno na optymalizację kosztów zakupu, jak i na łagodny start w przypadku nowej inwestycji. Program OrCAD jest oferowany w dwóch wersjach komercyjnych: OrCAD PCB Designer Standard oraz OrCAD PCB Designer Professional.

Niezależnie od licencji, OrCAD jest zawsze kompletnym środowiskiem do projektowania PCB, zawiera edytor schematów, edytor PCB oraz wszystkie możliwości generowania danych do produkcji obwodów drukowanych. Obydwa programy są pozbawione jakichkolwiek ograniczeń edytora PCB dotyczących liczby elementów, warstw czy połączeń. Programy są wyposażone w moduł Constraints Manager.

OrCAD PCB Designer Professional dodatkowo zawiera moduł symulacyjny signal integrity oraz autorouter Specctra. Nowy OrCAD jest wyposażony jak nigdy wcześniej. Od wersji 16.5 użytkownicy mają dostęp do profesjonalnej technologii Cadence PCB bez konieczności ponoszenia większych kosztów inwestycji. Dla studentów, dostępny jest darmowy program OrCAD PCB Designer Lite, który służy do celów edukacyjnych. Program nadaje się do projektowania niedużych (50 elementów) obwodów drukowanych oraz symulacji PSpice.

Skalowalne produkty Cadence PCB

Rys. 4. Moduł Analog/RF Option

Linię Cadence Allegro otwiera program Allegro PCB Designer, który jest podstawą dla wszystkich wymienionych niżej modułów. Sam program jest bardzo silnym rozwiązaniem dla projektowania PCB. Zawiera kompletny edytor PCB, edytor schematów oraz autorouter. Allegro PCB Designer doskonale nadaje się do projektów cyfrowych zawierających technologię pamięci DDR2, w tym celu zawiera wszystkie niezbędne funkcjonalności.

Allegro jest programem adresowanym do najbardziej wymagających użytkowników, często korporacyjnych, umożliwiając pracę grupową poprzez podział PCB na obszary a nawet warstwy, w takim przypadku wymagany jest moduł Team Design Option. Moduł High-Speed Option oferuje wsparcie dla projektów zawierających najbardziej zaawansowane, ultraszybkie interfejsy, takie jak PCI-Express, USB 3 lub DDR3.

Projekty, w których priorytetem jest miniaturyzacja mogę być realizowane przy wsparciu modułu Miniaturisation Option oferującego zestaw odpowiednich narzędzi. Jest to dodatek niezbędny dla producentów telefonów komórkowych oraz innych urządzeń mobilnych. Opisywana wyżej technologia elementów wbudowanych jest integralną częścią tego modułu.

Moduł Analog/RF Option jest przeznaczony dla inżynierów pracujących nad zagadnieniami mikrofalowymi. Dwa ostatnie moduły Design Planing Option oraz PCB Routing Option są niezbędne dla inżynierów, którzy wymagają najbardziej zaawansowanego rozwiązania do autoroutingu. Rysunki 3 i 4 pokazują dokładnie skalowalność rozwiązania OrCAD Allegro. Firma FlowCAD, dystrybutor oprogramowania Cadence, zaprasza do kontaktu oraz udziału w indywidualnych pokazach opisywanych programów.

Tomasz Górecki
Flowcad
www.flowcad.pl