Обусловленные 112G/224G SerDes, PCIe 6.0 и межсоединениями центров обработки данных следующего поколения, проектирование и производство высокоскоростных печатных плат с обеспечением целостности сигнала (SI) вышли на беспрецедентный уровень сложности. Каждое проектное решение, от выбора материала до структур переходных отверстий, может стать критическим фактором, определяющим успех или неудачу соединения. Для систематического управления рисками, обеспечения производительности и достижения предсказуемого массового производства, промышленность широко применяет процесс внедрения нового продукта (NPI), ядром которого является трехфазная структура валидации NPI EVT/DVT/PVT. Эта структурированная методология служит навигационной картой для решения задач, связанных с ультравысокоскоростными соединениями и низкими потерями, обеспечивая надежность и стабильность каждого шага от концепции до выхода на рынок.

Эта статья выступит в роли вашего эксперта по SI высокоскоростных соединений, углубляясь в применение процесса NPI EVT/DVT/PVT при разработке высокоскоростных печатных плат, с акцентом на ключевые проблемы целостности сигнала, производства и сборки на каждом этапе. Мы рассмотрим, как успешно поставлять высокоскоростные продукты, отвечающие строгим требованиям к производительности, посредством точного моделирования, тщательной проверки и сотрудничества с опытными поставщиками Turnkey PCBA, такими как Highleap PCB Factory (HILPCB).

Какова основная ценность процесса NPI EVT/DVT/PVT в разработке высокоскоростных печатных плат?

Процесс NPI (New Product Introduction) разбивает сложные этапы проектирования и производства на управляемые, проверяемые вехи, разделяя разработку продукта на три отдельные фазы валидации. Это крайне важно для высокорисковых, дорогостоящих проектов высокоскоростных печатных плат.

• EVT (Engineering Validation Test): Целью этой фазы является проверка основной функциональности и реализуемости проекта. Для высокоскоростных печатных плат EVT фокусируется на подтверждении производительности SI критических связей, выборе подходящих материалов с низкими потерями и создании предварительной структуры слоев. Обычно это включает мелкосерийные прототипы для функциональной проверки и первоначального тестирования электрических характеристик.
• DVT (Design Validation Test): Фаза DVT направлена на проверку соответствия продукта всем спецификациям и требованиям к производительности. К этому этапу дизайн в значительной степени заморожен, и проводятся комплексные испытания целостности сигнала, целостности питания (PI), тепловых характеристик и ЭМС/ЭМИ. Также завершаются проверки на технологичность (DFM) и собираемость (DFA) для обеспечения бесперебойного массового производства.
• PVT (Production Validation Test): PVT — это последняя контрольная точка перед массовым производством, целью которой является проверка стабильности и выхода годных изделий производственной линии и процессов. Эта фаза включает мелкосерийное пробное производство с использованием окончательной оснастки, оборудования и тестовых решений. Критические процессы сборки, такие как селективная пайка волной и тестовые решения, такие как проектирование оснастки (ICT/FCT), должны быть тщательно проверены для обеспечения согласованности в крупномасштабном производстве.

Фаза EVT: Закладка основы для целостности высокоскоростного сигнала

Решения, принятые на этапе EVT, имеют решающее значение для успеха или неудачи всего проекта. Неправильный выбор материала или неразумная конструкция стека могут привести к непоправимым дефектам производительности в дальнейшем.

Ключевые задачи и соображения:

1. Выбор материалов со сверхнизкими потерями: В высокоскоростных приложениях, таких как 112G PAM4, диэлектрические потери (Df) и диэлектрическая проницаемость (Dk) являются критически важными показателями. Во время EVT необходимо найти компромисс между стоимостью и производительностью на основе бюджета потерь канала, выбирая такие материалы, как Megtron 6, Tachyon 100G или более высококачественные альтернативы. Эффект переплетения волокон материалов также должен быть включен в моделирование.
2. Предварительное планирование стека слоев и импеданса: Хорошо спроектированный стек слоев является основой для контроля импеданса, управления перекрестными помехами и обеспечения целостности питания. Эта фаза требует определения количества слоев, толщины диэлектрика, веса меди и стратегий трассировки для критических сигнальных слоев. Точные расчеты импеданса (несимметричного, дифференциального) обязательны.
3. Моделирование основных связей и анализ бюджета: Используйте такие инструменты, как ADS, SiSoft или HyperLynx, для выполнения моделирования канала для наиболее критичных высокоскоростных связей. Это включает создание полной модели от передатчика (Tx) до приемника (Rx), оценку вносимых потерь (IL), возвратных потерь (RL) и перекрестных помех, обеспечивая достаточный запас в бюджете связи.
4. Изготовление и валидация прототипов: Сотрудничайте с надежным поставщиком услуг по сборке прототипов для производства первой партии функциональных образцов. Эти образцы используются для проверки базовой функциональности схемы и предварительной производительности SI, предоставляя ценные измеренные данные для фазы DVT.

Фаза DVT: Комплексная оптимизация от верификации дизайна до производственной пригодности

DVT служит мостом, соединяющим идеальный дизайн с реальным производством. На этом этапе все детали дизайна подвергаются самому тщательному анализу, чтобы убедиться, что они соответствуют требованиям к производительности, сохраняя при этом высокий потенциал массового производства с высокой доходностью.

Ключевые задачи и соображения:

1. Детальное моделирование SI/PI: Провести исчерпывающее моделирование S-параметров для всех высокоскоростных линий связи, анализируя глазковые диаграммы, джиттер и частоту битовых ошибок (BER). Переходные отверстия являются критическими неоднородностями в высокоскоростных линиях связи и должны подвергаться 3D полноволновому моделированию, оптимизированному с использованием технологий HDI PCB, таких как обратное сверление или скрытые/глухие переходные отверстия. Одновременно анализ импеданса сети распределения питания (PDN) имеет решающее значение для обеспечения стабильного, малошумящего электропитания для высокоскоростных SerDes.

2. Углубленный анализ DFM/DFA: Тесно сотрудничать с производителями печатных плат для всестороннего анализа DFM. Это включает проверку ширины/расстояния между дорожками, точности сверления, конструкции контактных площадок BGA, отверстий паяльной маски и т. д. в соответствии с технологическими возможностями производителя. Анализ DFA фокусируется на размещении компонентов для возможности автоматизированной сборки, особенно для разъемов, требующих THT/сквозной пайки, обеспечивая правильное позиционирование и расстояние.

3. Анализ теплового режима: Высокоскоростные чипы и модули генерируют значительное тепловыделение, что требует тепловых симуляций для выявления горячих точек и разработки эффективных решений для охлаждения, таких как добавление тепловых переходных отверстий, использование толстых медных слоев или встроенных радиаторов.

4. Экологические испытания и испытания на соответствие: Продукты должны быть протестированы в различных температурных и влажностных условиях для проверки надежности. Также проводятся предварительные испытания на соответствие EMI/EMC для обеспечения окончательной нормативной сертификации.

Бюджет потерь канала и стратегии эквализации для высокоскоростных линий связи

При скоростях передачи данных 28/56/112 Гбит/с сигналы испытывают значительное затухание при передаче через трассы печатных плат, известное как вносимые потери (IL). Управление потерями канала является ключевым аспектом высокоскоростного проектирования.

Общие потери канала состоят из нескольких компонентов, включая трассы печатных плат, переходные отверстия, разъемы и корпус микросхемы. Задача разработчика — обеспечить, чтобы общие потери оставались в пределах бюджета, соответствуя возможностям эквализации приемопередатчиков SerDes.

• Источники потерь:
  • Диэлектрические потери: Вызваны Df (коэффициентом диссипации) материалов печатных плат, увеличиваются с частотой.
  • Потери в проводнике (скин-эффект): Высокочастотные токи концентрируются вблизи поверхности проводника, увеличивая эффективное сопротивление. Шероховатость поверхности усугубляет этот эффект.
• Стратегии эквализации:
  • CTLE (непрерывный линейный эквалайзер): Усиливает высокочастотные компоненты на приемнике для компенсации потерь в канале.
  • DFE (эквалайзер с обратной связью по решению): Устраняет межсимвольные помехи (ISI), мощный инструмент для восстановления сигнала.
  • FFE (прямой эквалайзер): Предварительно акцентирует сигналы на передатчике для упреждающей компенсации потерь в канале.

Разработчики должны точно прогнозировать потери в канале с помощью моделирования и сопоставлять их с возможностями эквализации, предоставляемыми поставщиками микросхем, чтобы гарантировать, что коэффициент битовых ошибок (BER) линии связи остается ниже 1E-12 или лучше.

### Фаза PVT: Ключ к обеспечению стабильности и надежности массового производства

Целью PVT является демонстрация стабильности и повторяемости производственных и сборочных процессов. На этом этапе любые отклонения в процессе могут привести к нестабильности производительности, тем самым влияя на выход годных изделий и надежность конечного продукта.

Основные задачи и соображения:

1. Контроль и мониторинг процессов: Производители печатных плат должны строго контролировать ключевые процессы, такие как травление, ламинирование и сверление, для обеспечения стабильности импеданса. Каждая производственная партия должна включать тестовые купоны импеданса, проверенные с помощью измерений TDR (рефлектометр временной области).
2. Валидация процесса сборки: Для сложных печатных плат с BGA высокой плотности и высокоскоростными разъемами необходимо оптимизировать температурные профили пайки оплавлением. Для плат со смешанной технологией (SMT и сквозные отверстия) выбор процесса пайки THT/сквозных отверстий (волновая пайка, селективная волновая пайка или ручная пайка) требует тщательной оценки его влияния на термическое напряжение и целостность сигнала.
3. Стратегия тестирования и оснастка: Массовое производство требует эффективных и надежных решений для тестирования. Хорошо спроектированная оснастка (ICT/FCT) имеет решающее значение для успеха. Сама тестовая оснастка не должна становиться узким местом для сигнала, и ее конструкция должна учитывать согласование импеданса и минимизацию длины сигнального пути.
4. Повышение надежности: Для оборудования, работающего в суровых условиях, может потребоваться заливка/герметизация для защиты электронных компонентов от влаги, вибрации и химической коррозии. Этот процесс также нуждается в проверке на этапе PVT.

Как процесс сборки влияет на производительность высокоскоростных сигналов?

Производство печатных плат — это лишь полдела; процесс сборки в равной степени влияет на конечную производительность высокоскоростных печатных плат.

• Качество пайки: Пустоты или смещения в паяных соединениях BGA могут изменять электрические характеристики, создавая разрывы, которые влияют на высокоскоростные сигналы. Рентгеновский контроль необходим для обеспечения качества пайки BGA.
• Установка разъемов: Сквозные компоненты, такие как высокоскоростные разъемы объединительной платы, представляют особые проблемы. Селективная волновая пайка обеспечивает более точный локализованный нагрев по сравнению с традиционной волновой пайкой, снижая тепловой удар для всей платы и защищая близлежащие чувствительные компоненты и диэлектрические свойства материала печатной платы.
• Чистота: Остатки флюса после сборки могут образовывать проводящие пути во влажной среде или ухудшать производительность высокочастотных сигналов. Строгие протоколы очистки имеют решающее значение.

Выбор поставщика услуг PCBA под ключ обеспечивает оптимизацию всей цепочки поставок — от производства печатных плат до закупки компонентов и окончательной сборки — максимально повышая целостность сигнала.

Проблемы проектирования оснастки (ICT/FCT) при тестировании высокоскоростных плат

Тестирование — это страж качества, а тестовые приспособления служат физическим интерфейсом для тестирования. Для высокоскоростных плат плохо спроектированное тестовое приспособление может вносить дополнительные потери и отражения, искажая результаты тестов и даже приводя к ошибочному отклонению качественной продукции.

Ключевые аспекты проектирования высокоскоростных тестовых приспособлений:

• Путь сигнала: Путь соединения между тестовыми зондами и измерительными приборами должен быть максимально коротким, со строгим контролем импеданса (обычно 50 Ом).
• Выбор зондов: Должны использоваться зонды, специально разработанные для высокочастотных приложений, с низкой паразитной индуктивностью и емкостью.
• Проектирование заземления: Должен быть обеспечен надежный возврат заземления с низким импедансом для обеспечения целостности опорной плоскости сигнала.
• Изоляция: Необходима достаточная изоляция между высокоскоростными сигнальными каналами для предотвращения перекрестных помех во время тестирования.

Профессиональное проектирование приспособлений (ICT/FCT) — это не просто машиностроение, это продолжение радиотехники и микроволновой техники. Опытные производители, такие как HILPCB, могут предоставить интегрированные решения для тестирования, обеспечивающие точность и надежность.

Как выбрать надежного партнера по производству PCBA под ключ?

Успешное преодоление трудностей NPI EVT/DVT/PVT требует технически подкованного и опытного партнера. Идеальный поставщик услуг PCBA под ключ должен обладать следующими качествами:

1. Глубокая техническая экспертиза: Тщательное понимание свойств высокоскоростных материалов, моделирования SI/PI и правил DFM/DFA.
2. Передовые производственные возможности: Способность обрабатывать материалы со сверхнизкими потерями и достигать строгого контроля ширины линии и допуска импеданса.
3. Гибкие процессы сборки: Способность работать с BGA высокой плотности, PoP (Package on Package) и сложными компонентами со сквозными отверстиями, такими как освоение технологии селективной пайки волной.
4. Комплексные решения для тестирования: Не только выполняет стандартные ICT/FCT, но и предлагает индивидуальный дизайн оснастки (ICT/FCT), адаптированный к требованиям продукта.
5. Комплексное управление проектами: Координирует весь процесс от проверки дизайна, закупки материалов, производства печатных плат, сборки PCBA до окончательного тестирования, обеспечивая бесперебойный опыт для клиентов.
6. Дополнительные услуги: Предоставляет специализированные технологические услуги, такие как заливка/герметизация, в зависимости от потребностей продукта.

Свяжитесь с нами сейчас, чтобы запустить ваш проект высокоскоростных печатных плат

Заключение

NPI EVT/DVT/PVT — это не просто набор процессов, а основная философия, обеспечивающая успех высокоскоростных печатных плат. Она требует беспрецедентно тесного сотрудничества между командами разработчиков, производителями и партнерами по сборке. От выбора материалов и моделирования на этапе EVT до всесторонней проверки и оптимизации на этапе DVT и, наконец, до подтверждения процесса массового производства на этапе PVT, каждый шаг отражает исключительное стремление к деталям.

В этом сложном и точном процессе выбор правильного партнера имеет решающее значение. Обладая глубоким опытом в производстве и сборке высокоскоростных печатных плат, HILPCB предоставляет профессиональную поддержку, охватывающую весь цикл NPI EVT/DVT/PVT. Наш комплексный сервис Turnkey PCBA направлен на устранение препятствий от проектирования до массового производства, позволяя вам сосредоточиться на инновациях и совместно решать проблемы эры сверхвысоких скоростей.

Related links

• сборке прототипов
• HDI PCB
• высокоскоростных печатных плат
• услуг PCBA под ключ