用于PCB协同设计的电子元器件数据模板化研究

陈勇，张鹏南，任艳，戴泽林

（1.海军装备部飞机办公室，北京 100000；2.工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610）

0 引言

基于数字样机的多学科协同设计，是应对传统的印制电路板 （PCB:Printed Circuit Board）设计周期长、成本高和一次设计成功率低等不足的重要技术手段，已被广泛地应用于电子产品的研发设计中[1]。PCB协同设计主要是对其功能、性能和可靠性等方面进行评估和改进，涉及到多物理场、多学科的仿真软件工具集。其中的一个关键问题是如何构建准确、完整、可解析的数字样机，为仿真工具提供有效的输入。电子元器件是构成电子产品的基石，是PCB电路的重要组成元素。因此，数字样机的建立极大地依赖于PCB设计中所涉及到的电子元器件数据信息资源。可以说，协同设计取得的成效如何很大程度上取决于是否能够打通数据壁垒，获取全方位、模板化的、可供直接调用的元器件数据资源。

当前，随着国内元器件数据信息化进程的推进，各企业单位开展了大量的电子元器件基础信息资源建设工作，包括电子元器件基础信息库、性能参数库和降额参数库等的建设，并建立了相应的元器件信息管理系统[2-7]。然而，这些数据资源呈现出结构分散、形式多样的特点，导致其复用率低、可用性差，难以支撑协同设计工作的开展。因此，重构和改造现有的元器件资源已经成为了有效支撑PCB协同设计的当务之急。另一方面，多学科协同设计软件要求的输入数据种类多样，使用门槛较高。设计人员往往需要花费大量的时间用于弄清各软件工具输入内容和格式要求，仿真流程过于复杂，不利于高效地开展设计工作。

为此，本文针对PCB功能、性能和可靠性设计中的主要工作项目，包括信号完整性分析、电磁兼容仿真、热设计、结构设计、可靠性预计和降额设计等，结合主流的仿真设计软件工具，对元器件数据信息进行整合梳理，开展数据资源模板化研究，使其成为可供仿真工具直接调用和输入的有效信息，从而提高协同设计的效率。

1 协同设计工作项目对元器件数据的需求分析

工程应用中，PCB的设计主要关注两大方面，即功能性能和可靠性。其中，功能性能指的是PCB的电气性能，主要包括信号完整性和电磁兼容；可靠性设计指的是PCB在实际工作环境下对温度、振动等的适应性，以及为延长器件寿命而降低器件所受应力，对应热可靠性仿真、结构仿真和降额设计。PCB协同设计的主要工作项目及关注要素如图1所示。

图1 PCB协同设计的工作项目

1.1 信号完整性仿真

电路的信号完整性 （SI:Signal Integrity）是指在信号传输过程中保持信号时域和频域特性的能力，即信号在电路中能以正确的时序、幅度和相位等做出响应的能力。若电路中的信号能够以要求的时序和电压幅度到达接收器，则表明该电路具有较好的SI；反之，当不能得到正常的信号响应时，就说明出现了SI问题。现代PCB设计流程中，SI仿真常用于布线前的预仿真和布线后的性能评估。以主流SI仿真软件ANSYS SIwave为例，其输入要求如表1所示。

表1 SI仿真输入需求 （ANSYS SIwave）

1.2 热设计

热分析是通过数值计算，如有限元方法，来给出PCB的温度分布和特定元器件的温度，是保证PCB使用可靠性的重要环节。据美国空军航空部门统计，60%的电子封装失效均是由温度过高引起的，电子设备每升高1℃，其失效率就会增加4%[7]。对于PCB来说，热源主要来自两部分:一是电流通过器件产生的焦耳热，二是PCB中的布线产生的热量。因此，数字样机的输入需求包括元器件的功耗、PCB的EDA文件或电路的CAD三维模型。以主流热仿真软件Icepak为例，其输入要求如表2所示。

表2 热仿真输入需求 （Icepak）

1.3 降额设计

电子元器件的可靠性降额，指的是使构成电子设备的元器件在使用过程中所承受的应力 （包括电应力、机械应力和热应力）低于其额定值，以达到延缓其参数退化、增加工作寿命和提高使用可靠性的目的。降额设计的结果，如降额后的温度指标，能够为热设计和可靠性预计提供输入。以国内主流的降额设计软件CARMES为例，其降额输入需求如表3所示。

表3 降额设计输入需求 （CARMES）

由以上各小节分析可知，不同的工作项目对元器件数据的需求呈现出多样化、交叉性的特征。多样化表现在各工作项目对应的软件工具对输入的元器件数据内容、格式要求不同；交叉性则体现在某些不同工作项目可能对同一元器件数据元素有着相同的输入要求，例如:热设计和结构设计环节均需元器件的尺寸和三维模型信息。

2 元器件数据模板化

2.1 SI输入模板

在SI仿真中，由于技术信息保密等原因，以及IBIS（Input-Output Buffer Information Specification）具有计算量小、精度高和速度快等优势[9-10]，近年来其受到了设计人员的广泛青睐，能够为软件工具提供直接输入。本质上，IBIS模型是描述器件行为的数据文件，一般由文件头、成员描述和模型描述3部分组成。IBIS成员描述主要包含元件名称 [Component]、生厂商 [Manufacture]、封装信息 [Package]和电路所有引脚信息 [Pin]，这体现了对元器件数据的需求。其中， [Pin]属性包含了器件中所有的管脚列表，以及这些管脚与相应模型的映射关系。模型描述 [model]记录了缓冲期的电路行为，如I/O输入输出端口模型，需要提供器件的V/I和V/T曲线数据。此外，为了确定仿真约束条件，SI仿真工具通常还需PCB本身相关文件及信息的输入，例如:器件尺寸、线宽、过孔数量和大小，以及信号线的绝对长度等，这些部分依赖于元器件的基本信息。SI输入模板如表4所示。

表4 SI仿真输入模板 （SIwave）

2.2 热分析输入模板

PCB散热的方式有热传导、热辐射和热对流3种。其中，热对流是PCB与周围环境的热交换，与外界环境条件和PCB的尺寸面积相关，这里不做详细讨论。PCB内部的热传递主要是热传导和热辐射。以集成电路为例，其热传导路径为:首先，从晶片 （热源，对应结温）传递到芯片的封装外壳 （对应壳温）；然后，从外壳由引脚传入电路连接线和PCB板。因此，需要提供晶片的发热功率、封装的导热系数和引脚信息。此外，热辐射传递与器件的温度谱、尺寸和相对位置有关，因此需要提供封装尺寸信息和元器件布局信息[11]。热仿真的详细输入模板如表5所示。值得注意的是，对于Icepak或其他有限元热分析软件来说，在构建数字样机时，有必要剔除功率低、尺寸微小的器件从而达到简化建模和数值计算的目的。这是因为低功率的器件对热源贡献十分微小，尺寸小的器件对流场的影响也非常微弱，删去它们可在保证计算准确度的同时减少网格的划分数量，从而降低计算量。

表5 热仿真输入模板 （Icepak）

2.3 降额设计输入模板

降额设计是元器件级的设计，目前国内外元器件降额方法按GJB Z 35-93执行[12]。根据电子设备的实际使用环境和元器件类别确定降额等级和降额因子。降额等级分为Ⅰ级降额、Ⅱ级降额、Ⅲ级降额3类。降额设计的重点在于，针对不同类型的元器件确定其需要降额的重点参数及其降额等级。对于同一降额等级，不同类别的元器件的降额因子也不同；对于同一类别的元器件，降额因子从Ⅰ级到Ⅲ级逐渐地减小。考虑到元器件的类型繁多，限于篇幅，本文仅以模拟电路放大器为例给出其降额模板，如表6所示。模拟电路的重点降额参数为电源电压、输入电压、输出电流、功率和最高结温。将这些参数的额定值与表中对应的降额因子相乘，即可得到该器件实际设计时的最大值，超过该值（即过负荷应力）则很有可能导致器件的可靠性显著降低。

表6 模拟电路放大器降额设计输入模版

3 结束语

针对当前电子元器件数据资源难以直接支撑协同设计工作的开展的现状，本文从PCB的SI仿真、电磁兼容设计、热设计、结构设计和降额设计5个协同设计的主要工作项目入手，梳理了各项主流仿真工具的输入需求，包括ANSYS SIwave、Altium Designer、Icepak和CARMES。在此基础上，进一步地归纳了各工作项目所需的电子元器件数据，详细地分析论证了各项数据作为实际仿真输入的必要性，由此建立了各工作项目元器件数据输入模板，包括参数格式、参数说明和参数来源等必要的详细信息，为协同设计软件提供直接输入。本文的结果能够为简化仿真流程、提高协同设计效率和建设协同设计仿真数据资源库提供有价值的参考。