Ли Тешлер
Новая программная платформа может обнаружить ошибки, которые не видны при проверке печатных плат (ПП) вручную.
Сложность печатных плат постоянно растет, появляются продукты с многослойными и гибридными ПП, поэтому обычные способы анализа и верификации устаревают. Ручная проверка больше не соответствует уровню сложности, а работа привлеченных экспертов, которые выполняют анализ конструкции, может снизить пропускную способность и задержать выход проекта.
Рис. 1. Традиционный процесс создания ПП обычно начинается с разработки схемы, которая затем становится схемой разводки платы. Следующий шаг — проверка на платформах NPI, которая отвечает за переход от проектирования платы к ее производству. Далее следует создание прототипа, проверка надежности перед производством. необходимо отметить, что после каждой процедуры выполняется ручная проверка.
Надписи на рисунке:
Обычный процесс: использование ручной проверки, физический прототип, финишная верификация
1 — создание схемы;
2 — проверка;
3 — разводка;
4 — проверка;
5 — платформа NPI (ввод в производство);
6 — проверка;
7 — лабораторный прототип;
8 — проверка на надежность;
9 — время
Современные печатные платы могут иметь ряд мелких неявных ошибок, которые при обычной ручной проверке способны пропустить даже эксперты. Для выявления ошибок схемы требуется современный автоматизированный подход. Чтобы снизить зависимость от экспертов, создаются различные инструменты анализа и поиска ошибок, в результате инженеры, не являясь специалистами, получают возможность применять их совместно с используемой средой разработки. Новый подход обеспечивает ряд преимуществ и для разработчиков, и для производителей.
В прошлом перед непосредственной разводкой ПП выполнялся сквозной контроль, достаточно эффективный на простых проектах. Но для более сложных проектов ручной процесс уже не пригоден. Ошибки в схеме, не выявленные при ручной проверке, переходят на следующую стадию ПП и часто так и остаются незамеченными до этапа создания прототипа и обычно вызывают поломки, на устранение причин и исправление которых затрачивается много усилий. Эти ошибки, если обнаружить их до физической разводки ПП, можно легко исправить, но в итоге они приводят к дорогостоящим и затратным по времени повторным операциям.
Для того чтобы снизить издержки, производители автоматизированных систем предложили новый подход, который называется «сдвиг влево». Идея состоит в том, чтобы интегрировать верификацию в процесс разработки раньше обычного. Преимущество заключается в увеличении вероятности обнаружения ошибок и потенциальных проблем на этапе проектирования прежде, чем перейти к последующим фазам производства.
Новый подход представляет собой автоматизированный анализ целостности и заменяет ручную проверку, позволяя выполнить полную инспекцию всех схем как для однослойных, так и многослойных ПП. Инспекция проводится с помощью предварительно заданных алгоритмов по поиску общих ошибок схемы и расширенной библиотеки моделей компонентов, оснащенной интеллектуальным поиском. Анализ осуществляется параллельно с вводом схемы, что устраняет наиболее распространенные ошибки схемы перед началом разводки.
Обычные проблемы, которые может выявить верификация, — отсутствие силовых и заземляющих соединений, неправильная ориентация диодов, недостаток или переизбыток согласующих и нагрузочных резисторов, понижение напряжения на конденсаторе, недостаток стабилизаторов напряжения или ресиверов и их несоответствие, соединение типа «плата-плата», ошибки размещения шины (MSB к LSB) и т. д. Результат замены ручной проверки на автоматическую — большее покрытие и бóльшая вероятность успешного ввода проекта в производство.
Автоматическая верификация способствует и разработке новых методов проектирования ПП. Ограничения по маршрутизации для обеспечения целостности и мощности сигнала, а также ограничения по проектированию с учетом требований по тестированию — вот факторы, которые следует учитывать уже во время ввода схемы, а не подгонять на этапе разводки. Целостность и мощность сигнала, соответствие требованиям по электромагнитным помехам, анализ термического поведения и стойкости к вибрациям должны быть подтверждены на стадии процесса разводки.
Верификация многослойных ПП предусматривает широкий ряд методов и инструментов анализа, применяемых и на стадии разработки схемы, и стадии разводки. Данные инструменты достаточно просты и будут полезны проектировщикам и разработчикам печатных плат. При этом инструменты могут быть внедрены в уже используемую среду разработки и позволят выявить потенциальные проблемы максимально быстро, еще на начальном этапе.
Рис. 2. Современная платформа многомерного анализа и верификации выполняет ряд проверок на этапе ввода схемы и разводки ПП, снижая потребность в ручной проверке специалистами и повторной проверки, которые часто требуются, если были пропущены ошибки и возникли проблемы на начальном этапе разработки
Надписи на рисунке:
Современная платформа многомерного анализа и верификации — интеграция со средой разработки ПП
1 — схема;
2 — разводка;
3 — конец этапа;
4 — NPI (автоматизированная проверка с помощью платформы);
5 — проверка надежности;
6 — проверка многослойной ПП;
7 — анализ аналоговых/смешанных сигналов;
8 — определение ограничений проектирования с учетом требований к испытаниям;
9 — проверка проекта на целостность сигнала и мощности;
10 — проверка разводки на целостность сигнала и мощности;
11 — проверка на соответствие требованиям по электромагнитным помехам;
12 — анализ термического поведения;
13 — анализ на стойкость к вибрациям;
14 — проверка электрической схемы;
15 — проверка проекта с учетом технологических требований.
Во время ввода схемы проводится автоматический анализ на целостность для того, чтобы устранить общие ошибки, часто пропускаемые при ручной проверке. Целостность сигнала и мощности анализируется с целью определить ряд ограничений по размещению и трассировке. Ограничения передаются дальше и будут использоваться при выполнении разводки. Также рекомендуется провести анализ на тестируемость. Здесь программа определит требования для контрольных точек и передаст далее как дополнительные ограничения.
В процессе размещения компонентов на ПП также предусмотрено несколько проверок, а именно проверка на соответствие требованиям к электромагнитным помехам, анализ термического поведения, стойкость к вибрациям, оценка технологичности. В обычных процессах разработки эти проверки могут быть проведены только после физического тестирования в испытательных камерах — например, для HALT-тестов, термических тестов и т. д. Ошибки и проблемы, которые не были обнаружены во время разводки, могут влиять на механическую прочность ПП, на их исправление обычно тратится много времени и средств. Такие проблемы часто требуют повторной обработки платы и специальных инструментов для их устранения. Моделирование на данном этапе позволяет избежать подобных трудностей и пройти первый этап принятия ПП.
В целом данный подход к верификации поможет улучшить конструкцию ПП, снизить необходимость полного досмотра платы, а специалистам позволит сосредоточиться только на важных проблемах, возникающих при производстве.
Традиционный процесс разработки ПП часто непредсказуем из-за множества источников потенциальных проблем. Вот почему опытные производители добавляют по крайней мере один круг проверки проекта, но даже этого бывает недостаточно, чтобы учесть все нюансы.
Как показывают исследования, например, исследование «Lifecycle Insights», проведенное в сентябре 2018 года, типичный проект, использующий обычный процесс разработки и производства, проходит через повторных 2,9 круга проверки, что в среднем занимает 8,5 дня и стоит около $44 000 за круг. Для высокотехнологичных проектов стоимость даже выше. Очевидно, что традиционный подход, в котором тратится большое количество времени, работы, материалов, а также высок риск брака, необходимо менять.
Рис. 3. Скриншоты при работе с платформой Xpedition: параллельное проведение анализа контролепригодности (слева), автоматической верификации схемы (сверху) и анализа проекта с учетом технологических требований во время процесса разводки ПП (снизу). В обычном процессе данные процедуры проводились бы позже, что увеличило бы расходы на внесение изменений в проект.
Очевидно, что при использовании традиционных методов проблемы могут возникнуть позже. В таких случаях часто бывает, что для исправления проблем привлекаются инженеры с других проектов, а значит, те проекты тоже простаивают. Техники часто вынуждены трудиться сверхурочно, чтобы доработать и протестировать ПП. Любые дополнительные проверки или изменения конструкции повышают стоимость печатных плат. Внезапно возникающие проблемы могут привести к задержке графика и увеличению бюджета проекта. В описываемом подходе проверка и анализ проводятся на более раннем этапе, исключая подобные сюрпризы.
Необходимость в привлечении специалистов может привести и к задержкам в графике, поскольку они всегда пользуются большим спросом и часто ведут несколько проектов одновременно. Но если разработчики проекта получают мощные и простые в применении инструменты анализа, такие проблемы исчезают. Сами дизайнеры могут значительно улучшить качество конструкции прежде, чем она попадет к специалисту.
Новая методика требует комплексной платформы проектирования систем для анализа и проверки проекта. Mentor, подразделение Siemens, — первая компания, занимающаяся созданием программного обеспечения, предназначенного для автоматизированного проектирования и разработки с широким ассортиментом проверенных технологий, позволяющих осуществлять проверку ПП.
Комплексная платформа верификации Xpedition, предназначенная для проверки однослойных и многослойных ПП, оснащена расширенной библиотекой моделей, а также функциями анализа целостности схемы, автоматического моделирования для проверки стойкости к вибрациям, проверки на падение напряжения для гибко-жестких и многослойных ПП. Платформа интегрируется в среду разработки и помогает просто и быстро выполнить проверку и верификацию модели. Преимущества такой платформы многомерной верификации — сокращение этапов проверки, а значит, и затрат, уменьшение времени выхода продукта на рынок и разработка высококачественных ПП с меньшим количеством дефектов.