Метод проектирования печатных плат с нормированным волновым сопротивлением для устройств вычислительной техники тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Соловьев, Александр Викторович

• Соловьев, Александр Викторович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Соловьев, Александр Викторович

Содержание

Введение

1 Анализ состояния проблемы и выбор направления исследований в области разработки метода проектирования печатных плат с нормированным волновым сопротивлением

2.1. Общая характеристика проблемы целостности сигнала.

2.2. Анализ развития проблем целостности сигнала и электромагнитной совместимости

2.3. Анализ подходов в проектировании печатных плат для устройств вычислительной техники

2.4. Анализ развития конструкций печатных плат

2.5. Анализ развития элементной базы для устройств вычислительной техники

2.6. Постановка задачи

2. Разработка математической модели линии передачи повышенной точности.

2.1. Анализ методов оценки электрофизических параметров линий передачи на печатных платах для устройств вычислительной техники

2.2. Анализ влияния технологических параметров при производстве на электрофизические параметры печатных узлов

2.3. Разработка математической модели для расчета электрофизических параметров линии передачи в печатных узлах устройств вычислительной техники

2.4. Оценка точности расчетов по полученным формулам

2.5. Выводы

3. Анализ целостности сигнала в длинных линиях.

3.1. Анализ системных задержек распространения сигнала в длинных линиях

3.2. Расчет помех отражения и анализ их влияния на целостность сигнала в устройствах вычислительной техники

3.3. Выводы

4. Внедрение результатов исследований и математической модели

4.1. Проведение эксперимента по сравнению математической модели и реального устройства

4.2. Моделирование печатного узла сверхбыстродействующего вычислительного комплекса

4.3. Разработка метода проектирования печатных плат с нормируемым волновым сопротивлением

4.4. Разработка рекомендаций по конструированию сверхбыстродействующей вычислительной техники

4.5. Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод проектирования печатных плат с нормированным волновым сопротивлением для устройств вычислительной техники»

Впервые печатные платы появились в составе радиоэлектронной аппаратуры более полувека назад. С тех пор, несмотря на многочисленные попытки применить альтернативные решения, они остаются на лидирующих позициях, а в последние годы благодаря успехам технологов печатные платы остались практически без конкуренции, являясь основной сборочной единицей современной аппаратуры любого назначения - от сотового телефона до крупного радиолокационного комплекса.

Развитие цифровых систем идет под знаком повышения быстродействия. На это направлены усилия разработчиков и изготовителей интегральных микросхем, системотехников и схемотехников, конструкторов и технологов радиоэлектронных и электронных устройств и систем. В условиях конкурентной борьбы на современном рынке электронных средств только совместные усилия всех групп разработчиков могут привести к успеху. Технические решения должны быть выверены и обоснованы, что сократит время доводки и отладки аппаратуры, в том числе и на уровне печатных узлов.

В этих условиях меняется содержание задач, которые приходится решать конструктору, разрабатывающему печатных платы. Традиционно для относительно низкочастотной аппаратуры требовалось решить в основном топологические задачи по безошибочной трассировки печатного монтажа, а некоторые особенности функционирования платы подсказывал разработчик принципиальной схемы. При проектировании плат для быстродействующих систем таких "подсказок" накапливается слишком много, что исключает эффективную работу конструктора. Он должен быть сам достаточно квалифицирован для принятия технических решений в новой изменившейся ситуации, для ведения конструктивного диалога со схемотехником, а также для анализа результатов испытаний и измерений.

В настоящее время в связи с повышением быстродействия РЭС появились новые проблемы- в области ЭМС, такие как проблема обеспечения целостности сигнала, уменьшения перекрестных помех между межсоединениями и т.д. Ранее в системах автоматизированного проектирования (САПР) такие задачи не были учтены. Включение их в состав современных САПР таких производителей, как Mentor Graphics Technologies, Cadence и Zuken, подтверждает возрастающую роль их учета при проектировании РЭС. Основой таких систем является математическое моделирование физических процессов, протекающих в аппаратуре при ее функционировании. При этом традиционное построение САПР опирается на применении рабочих станций и локальных вычислительных сетей. Для крупных промышленных предприятий с большой номенклатурой проектируемых изделий целесообразно создание собственных вычислительных центров, оснащенных мощной вычислительной и сетевой техникой, и приобретение специализированных дорогостоящих программных продуктов. Развитие рыночных отношений вызвало к жизни появление большого числа малых производственных фирм, специализирующихся в некоторой узкой области, с малыми объемами проектных работ. Для таких фирм экономически не целесообразно приобретение мощного технического и программного обеспечения для решения своих задач.

В первую очередь при создании печатных узлов необходимо решить ряд вопросов, связанных с задержкой распространения сигналов, искажения формы сигналов, согласования линий передачи и отражения сигналов в проводниках, которая объединяется проблемой целостности сигналов, а также созданию методов и инструментов, которые помогут разработчикам устройств вычислительной техники сократить время проектирования и минимизировать необходимость внесения корректировок в проект. Решению этих вопросов и будет посвящена данная диссертация.

Существенный вклад в решение проблемы целостности сигнала внесли советские и российские ученые: А.Д. Князев, Б.В. Петров, JI.H. Кечиев, С.Ф. Чермошенцев, Т.Р. Газизов, Б.Н. Файзулаев, В.Г. Журавский, П.В.Степанов, Ю.А. Чурин, а также зарубежные ученые Эрик Богатин (Е. Bogatin), Кейт Армстронг (Keith Armstrong), Абе Риази (Abe Riazi), Дуглас Брукс (Douglas Brooks), Ховард Джонсон (Howard W. Johnson), Тим Уильяме (Tim Williams) и другие.

Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения и списка литературы. Общий объем работы - 124 с.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Соловьев, Александр Викторович

4.5. Выводы

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Выведены новые формулы расчета электрофизических параметров, адекватность которых подтверждена экспериментом на реальном примере устройства вычислительной техники;

2. Эти формулы могут быть использованы для проведения расчетов при экспертизе печатных узлов, а значит могут быть использованы в работе производственных предприятий и исследовательских институтов;

3. Разработан метод проектирования печатных плат с нормированным волновым сопротивлением, который позволяет сократить время и повысить точность расчета электрофизических параметров проводников, а также за избежать необходимости дорогостоящего внесения изменений в изделие на поздних этапах проектирования, а следовательно сократить себестоимость и время выхода продукции на рынок.

4. Разработаны рекомендации, целью которых является помощь разработчику на протяжении всех этапов проектирования устройств вычислительной техники, начиная с анализа технического задания до пуска в производство.

Заключение

В процессе решения задач, поставленных в диссертации, получены следующие основные научные результаты:

1. Проведен анализ существующих методов и инструментов расчета электрофизических параметров применяемых разработчиками, который показал их недостатки в условиях быстрого развития технологий. Анализ показал, что отсутствуют программные средства, одновременно учитывающие все необходимые факторы, влияющие на целостность сигнала и доступные для всех специалистов, вовлеченных в процесс разработки устройств вычислительной техники.

2. Разработана математическая модель для расчета волнового сопротивления и времени задержки распространения сигнала в линии передачи, которая учитывает больше конструкторско-технологических факторов, чем предыдущие модели, что позволяет повысить точность расчетов при проектировании печатного узла.

3. Проведен анализ помех отражения при рассогласовании линии передачи из-за технологических допусков и погрешностей расчета, который показал, что рассогласование линии передачи даже в пределах ±10 Ом может привести к сбою в работе устройства. Рассчитав с помощью математической модели волновое сопротивление, можно оценить помехи отражения и их возможное влияние на функционирование устройства.

4. Проведен эксперимент, в результате которого удалось сравнить результаты расчета волнового сопротивления по полученной формуле с результатами измерения волнового сопротивления на реальной печатной плате, подтверждающий адекватность полученной математической модели.

5. Разработан метод проектирования печатных плат с нормируемым волновым сопротивлением линий передачи для устройств вычислительной техники, который включает процедуры верификации соответствия параметров линии передачи нормируемым в техническом задании. Данный метод позволяет повысить эффективность процесса проектирования, благодаря решению проблем целостности сигнала на ранних стадиях проектирования и отсутствию необходимости дорогостоящих доработок изделия в самом конце процесса проектирования.

6. Разработаны рекомендации по конструированию перспективных устройств вычислительной техники как с точки зрения конструкции изделия, так и с точки зрения технологии производства. Данные рекомендации помогут разработчикам отследить возможные проблемы целостности сигнала и технологические на ранних этапах проектирования и предотвратить их.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Соловьев, Александр Викторович, 2009 год

1. Кечиев JI.H. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры / JI.H. Кечиев М.: ООО «Группа ИДТ», 2007. - 616 е.: ил. -(Библиотека ЭМС).

2. Tektronix. Основы целостности сигнала. Начальное руководство. 28 с.

3. Armstrong К. Advanced РСВ design and Layout for EMC. Part 4 Reference Planes for 0 Y and power. EMC&Compliance Journal, 2001, p. 13-43.

4. Armstrong K. Advanced PCB design and Layout for EMC. Part 6 Transmission Lines - 3rd. EMC&Compliance Journal, 2001, p. 1-30.

5. Лунд П. Прецизионные печатные платы: Конструирование и производство.: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 360 с.

6. Акулин А.И. Согласование линий передачи данных на печатной плате. Технологии в электронной промышленности. 2007. - №2. - С. 26-28.

7. Вебб С. Основы проектирования высокоскоростных печатных плат. EDA Expert. 2006. - №10 (113). - С. 81-83.

8. Bogatin Е. Signal Integrity Simplified. Prentice - Hall PTR, 2003. - 608 p.

9. Кечиев Л.Н., Гердлер О.С., Шевчук А.А. Задачи обеспечения ЭМС при проектировании печатных плат. Электромагнитная совместимость и проектирование электронных средств. Сб. науч. Трудов / Под ред. Л.Н. Кечиева. М.: Изд-во МИЭМ, 2002. - С. 17-32.

10. П.Уилльямс Т. ЭМС для разработчиков продукции. М.: Издательский дом "Технологии", 2004. - 540 с.

11. Соловьев А.В. Методика выбора волнового сопротивления линий передачи современной сверхбыстродействующей электроники. Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ: Тез. докл. -М.: Изд-во МИЭМ, 2008. С. 313-314.

12. Князев А.Д., Кечиев Л.Н., Петров Б.В. Конструирование радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости. -М.: Радио и связь, 1989. — 224 с.

13. Bowie С. RF Circuit Design, Library of Congress Cataloging Publication Data. 1982. - p. 174.

14. Electrical Performance of Packages. Application Note 1205. National Semiconductor. August 2001.-6 p.

15. Holden H. HDIs Beneficial Influence on High-Frequency. Signal Integrity. Mentor Graphics. Part 1 1 - 12 p., Part 2 - 2 - 7p. Westwood Associates, West Haven, CT, USA.

16. Pfeil C., Holden H. HDI Layer Stackups for Large Dense PCBs. Mentor Graphics technical publication. — 2007. 11 p.

17. Guidelines for Designing High-Speed FPGA PCBs. Application Note 315. Altera. -February 2004, ver. 1.1. 72 p.

18. IPC-D-317A. Design Guidelines for Electronic Packaging Utilizing High-Speed Techniques. 1995. - 220 p.

19. Ватанабе P. Замечательная идея от фирмы Samsung. Технологии в электронной промышленности. — 2005. — №4. — С. 25-27.

20. Медведев A.M. Материалы оснований печатных плат для бессвинцовой пайки. Технологии в электронной промышленности. 2007. - №2. - С. 56-58.

21. Hartley R. Base Materials for High Speed, High Frequency PC Boards. PCB & A. -2002.-13 p.

22. Verguld M. Trends in Electronic Packaging and Assembly for Portable Consumer Products. (ieeexplore.ieee.org/iel5/7262/l9599/).

23. High-Speed PCB Design considerations. Technical Note 1033. Lattice Semiconductor corporation. December 2006. 13 p.

24. High-speed PCB Design: Issues, Tools and Methodologies. (www.xilinx.com/publications/xcellonline/xcell49/xcpdf0.

25. Уразаев В.Г. Печатные платы — линии развития. Технологии в электронной промышленности. 2006. - №3 - С. 24-28.

26. Венкат Ш. Лазерные разработки расширяют возможности LDI. Технологии в электронной промышленности. — 2006. №1. — С. 22-25.

27. Ионин С. Обзор мирового рынка печатных плат. Производство электроники. — 2006. -№1. С. 4-6.

28. Медведев A.M. Печатные платы. Конструкции и материалы. М.: Техносфера, 2005. - 304 с.

29. Barbetta М., Dickson J. Registration Techniques for Advanced Technology PCBs. Printed Circuit Design&Manufacture. 2004. - № 12. - p. 38-42.

30. Пирогова Е.В. Проектирование и технология печатных плат: Учебник. М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2005. - 560 с.

31. Медведев A.M. Печатные платы. Плотность межсоединений. Технологии приборостроения. 2005. - № 3 (15). - С. 3-9.

32. Медведев A.M. Печатные платы. Токонесущие способности цепей. Технологии приборостроения. 2005. - № 3 (15). - С. 16-19.

33. IPC-2141A. Design Guide for High-Speed Controlled Impedance Circuit Boards.2004. 47 p.

34. IPC Specification Tree. 2008. - 1 p.

35. IPC-2221. Generic Standard on Printed Board Design. 2003. - 124 p.

36. Кочергин В. Стратегические изменения рынка печатных плат. Chip News.2005. №6. - С. 28-30.

37. Сайт компании SEP Co. Ltd. Веб-сервер: http://www.sep.co.kr.

38. Основы технологии и оборудование для поверхностного монтажа. (http://www.elinform.ru/articles4.htm).

39. IEC 60194:2006. Printed board design, manufacture and assembly Terms and definitions. - 2006. - 120 p.

40. Piloto A.J., Integrated Passive Components: A Brief Overview of LTCC Surface Mount and Integral Options. Kyocera America. 1999. - 7 p.

41. Bumped Die (Flip Chip) Packages. Application Note 1281. National Semiconductor. April 2004. 4 p.

42. Цифровые интегральные микросхемы: Справочник / П.П. Мальцев, Н.С.Долидзе, М.И. Критенко и др. М.: Радио и связь, 1994. - 240 с.

43. Intel. Packaging Databook. 1999. (http://www.intel.com/design/packtech/ packbook.htm).

44. Matick R.E. Transmission Lines for Digital and Communication Network. N.Y., 1969.-360 p.

45. Нисан A.B., Соловьев A.B. Требования к конструированию печатных плат с учетом автоматизированной сборки. Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ: Тез. докл. — М.: Изд-во МИЭМ. 2004. - С. 368-369.

46. Кечиев JI.H., Нисан А.В., Соловьев А.В. Создание виртуальных тренажеров по технологии поверхностного монтажа. Технологии приборостроения. 2004. — №3. - С. 66-71.

47. Кечиев JI.H., Нисан А.В., Соловьев А.В. Эволюция автоматов установки компонентов. Электромагнитная совместимость и проектирование электронных средств. Сб. науч. трудов / Под ред. Л.Н. Кечиева. М.: Изд-во МИЭМ, 2004, С. 121-128.

48. Соловьев А.В. Гибкие автоматы установки компонентов на базе платформы АХ. Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2005. — №3. - С. 50- 52.

49. Соловьев А.В. Asymtek мировой лидер в технологии дозирования. Электроника: Наука, Технология, Бизнес. - 2005. — №6. - С. 62- 64.

50. Соловьев А.В. Hotflow 2 — серия печей оплавления для бессвинцовой пайки. Производство электроники. 2005. — №6. - С. 64—68.

51. Нисан А.В., Соловьев А.В. Введение в поверхностный монтаж. Технологии приборостроения. — 2007. №1. — С. 56-66.

52. Нисан А.В., Соловьев А.В. Школа поверхностного монтажа. Трафаретная печать, Технологии приборостроения. 2007. - №3. - С. 62-71.

53. Нисан А.В., Соловьев А.В. Школа поверхностного монтажа. Дозирование, Технологии приборостроения. 2007. - №4. - С. 61-72.

54. Нисан А.В., Соловьев А.В. Школа поверхностного монтажа. Установка компонентов, Технологии приборостроения. -2008. — №1. С. 64-71.

55. Нисан А.В., Соловьев А.В. Школа поверхностного монтажа: Пайка оплавлением. Технологии приборостроения. 2008. - №2. - С. 62—71.

56. IPC-2251. Design Guide for Packaging of High Speed Electronic Circuits. 1995. -85 p.

57. Plastic chip-scale package having integrated passive components. US Patent 6916689. -2005.-15 p.

58. Лаврентьев M.A., Шабат Б.В. Методы теории функций комплексного переменного. — М.: Наука, 1973. 736 с.

59. Справочник по специальным функциям с формулами, графиками и математическими таблицами / Под ред. М. Абрамовича и И. Стигана. М.: Наука, 1979. - 832 с.

60. Стренг Г., Фикс Дж. Теория метода конечных элементов. М.: Мир, 1977. — 349 с.

61. Зинкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация. М.: Мир, 1986. — 318 с.

62. Дубицкий С.Д. ELCUT Конечно-элементный анализ низкочастотного электромагнитного поля. - EDA Express. — 2005. — № 12. - С. 24-29.

63. ELCUT. Руководство пользователя. Производственный кооператив ТОР. С.-Пб. -2005.-257 с.

64. Дубицкий С.Д. ELCUT 5.1 Платформа разработки приложений анализа полей. Exponenta Pro. Математика в приложениях. - 2004 г. - № 1(5). - С. 20-26.

65. Дубицкий С.Д., Поднос В.Г. ELCUT инженерная система моделирования двумерных физических полей. - CADMaster. - 2001. - № 1. - С. 17-21.

66. Йоссель Ю.Я., Кочанов Э.С., Струнский М.Г. Расчет электрической емкости. 2-е изд. перераб. и доп. JL: Энергоиздат. - 1981. - 289 с.

67. Кечиев Л.Н., Соловьев А.В. Методика анализа влияния технологических факторов печатных плат на их электрофизические параметры. Технологии приборостроения. 2006. - №1. — С. 24—35.

68. Соловьев А.В. Применение программы ELCUT для расчета электрофизических параметров печатных узлов, Проектирование телекоммуникационных и информационных средств и систем. Сб. науч. трудов / Под ред. Л.Н. Кечиева. -М.: Изд-во МИЭМ. 2006. - С. 188-194.

69. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976 г. - 277 с.

70. Соловьев А.В. Новые методы повышения точности расчетов при проектировании электронных модулей с нормированным волновым сопротивлением. Технологии ЭМС. 2008. - №4. - С.63-70.

71. Transmission Line Theory. MOTOROLA Semiconductor Design Guide. -1998. — 10 p.

72. Jonson H. High-Speed Signal Propagation. H. Jonson and Signal Consulting. 2002. -p. 5.1-5.3.

73. Brooks D. Microstrip Propagation Times. Slower Than We Think. Ultra CAD Design, Inc. 2002. - 10 p.

74. Patel G., Rothstein K. Signal Integrity Characterization of Printed Circuit Board Parameters. TERADYNE. - 2002. - 8 p.

75. Кечиев JI.H., Алешин A.B., Тумковский C.P., Шевчук А.А. Расчет помех отражения в линиях связи быстродействующих цифровых устройств / Учебное пособие. М.: Изд-во МИЭМ, 2002. - 86 с.

76. Алёшин А.В., Кечиев JI.H., Тумковский С.Р., Шевчук А.А. Расчет помех отражения в линиях связи быстродействующих цифровых устройств / Учебное пособие. М.: Изд-во МИЭМ, 2002. - 86 с.

77. Пауэлл Дж. Как разрабатывать IBIS-модели. EDA-expert. — 2002. — №10. — С. 63-65.

78. IBIS-standart, ver. 4.2С. IBIS open forum. - 2004. - 117 p.

79. Кечиев JI.H., Лемешко H.B. Использование IBIS-моделей для создания виртуальных прототипов электронных устройств. Технологии приборостроения. 2005. - № 2 (14). - С. 41-52.

80. Кечиев Л.Н., Лемешко Н.В. Методы экспериментального определения выходных емкостей LVDS-буферов для IBIS-моделей. Электромагнитная совместимость, проектирование и технология электронных средств. — М.: Изд-во МИЭМ, 2004. С. 39-45.

81. Кечиев JI.H., Лемешко Н.В. Методы моделирования цифровых узлов электронных приборов. Технологии приборостроения. 2006. - № 1 (17). -С. 36-43.

82. Кечиев Л.Н., Лемешко Н.В. Моделирование помех в шинах питания цифровых устройств на основе IBIS-описания интегральных схем. Технологии ЭМС. —2006.-№1 (16).-С. 9-18.

83. I/O Buffer Information Specification (IBIS) Ver. 4.2. June 2006. (www.vhdl.Org/pub/ibis/ver4.2). -155 p.

84. CITS900s4 Controlled Impedance Test System, (www.polarinstruments.com). 6 p.

85. Ott H.W. Partitioning and Layout of a Mixed-Signal PCB. Printed Circuit Design. -June 2001.-p. 8-11.

86. McMorrow S. Handling Signal Return Current. Printed Circuit Design. 2002. -№9.-p. 12-14, 16.

87. Hubing Т.Н., Drewniak J.L., Van Doren T.P., Hockanson D.M. Power Bus Decoupling on Multilayer Printed Circuit Boards. IEEE Trans, on EMC. 1995.- № 2. p. 155-166.

88. Акулин А.И. Печатные платы высокочастотных устройств: 25 практических советов разработчику. Электронные компоненты. — 2003. №7. - СЛ.

89. Акулин А.И. Целостность сигналов на печатной плате и волновое сопротивление проводников. Технологии в электронной промышленности. —2007. -№1. С. 18-21.

90. Basic Principles of Signal Integrity. Altera Corporation. July 2004, ver. 1.2. 4 p.

91. IPC-7351A. Generic Requirements for Surface Mount Land Design and Land Pattern Standard.-2005.-84 p.

92. IPC-A-600F. Acceptability of Printed Boards. 1999. - 125 p.

93. J-STD-001D. Requirements for Soldered Electrical and Electronic Assemblies. — 2005. 53 p.