PCB版图设计中的结构建模方法研究.pdf

第4 0 卷第1 期 微电子学V 0 1 4 0 ，N o 1 2 0 1 0 年2 月 M i c r o e l e c t r o n i c sF e b 2 0 1 0 P C B 版图设计中的结构建模方法研究 李贤云，余兴六，吴鹏 ( 中国电子科技集团公司第二十四研究所，重庆4 0 0 0 6 0 ) 摘要：针对P C B 版图设计中如何考虑结构匹配的问题，基于M e n t o rG r a p h i c sE x p e d i t i o n 版图 设计软件，分析了P C B 版图设计中版图与结构协同设计的基本原理，提出了结构建模的一般方法； 以实际应用为例，阐述了三种典型结构的具体建模方法。对平面近似分割法产生的曲面空间结构 模型进行了精度和可信度分析。 关键词：印刷电路板；结构建模；平面近似分割法；结构匹配 中图分类号：T N 4 0 2文献标识码：A文章编号：1 0 0 4 3 3 6 5 ( 2 0 1 0 1 0 1 0 0 9 8 - 0 5 S t u d yo nM e c h a n i c a lM o d e l i n gf o rP C BL a y o u tD e s i g n L IX i a n y u n ，Y UX i n g l i u ，W UP e n g ( S i c h u a nI n s t i t u t eo fS o l i dS t a t eC i r c u i t s ，C h i n aE l e c t r o n i c sT e c h n o l o g yG r o u pC D 印，C h o n g q i n g4 0 0 0 6 0 ，P R C h i n a ) A b s t r a c t ：I no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fm e c h a n i c a lm a t c h i n gi nP C Bl a y o u td e s i g n 。t h eb a s i cp r i n c i p l eo fP C B l a y o u td e s i g na n ds t r u c t u r ec o - d e s i g nw e r ea n a l y z e db a s e do nM e n t o rG r a p h i c sE x p e d i t i o n ，a n dg e n e r a lm e t h o d sf o r m e c h a n i c a lm o d e l i n gi nl a y o u td e s i g nw e r ep r e s e n t e d W i t ha na c t u a la p p l i c a t i o ne x a m p l e ，as p e c i f i cm o d e l i n g p r o c e s sf o rt h r e et y p i e a lm e c h a n i c a ls t r u c t u r e sw a sd e s c r i e d F i n a l l y ，a n a l y s i sw a sm a d eo np r e c i s i o na n dr e l i a b i l i t y o ft h ep l a n ea p p r o x i m a t ed i v i s i o nm o d e l i n gm e t h o d K e yw o r d s ：P C B ；M e c h a n i c a lm o d e l i n g ；P l a n ea p p r o x i m a t ed i v i s i o nm o d e l i n g ；M e c h a n i c a lm a t c h i n g E E A C C ：1 1 3 0 B 1 引言 在P C B 版图设计中，一个不可回避的事实是， P C B 上的任何元器件都要占用空间，最终设计并完 成装配的P C B 组装件多数情况下要安放在一个固 定的空间内，比如塑料盒、金属外壳，或者是某台整 机或设备预留的装配空间。如何使设计出的P C B 组装件与其放置空间匹配是一个合格的版图结构设 计r T 程师必须考虑的问题。目前通行的做法是，先 用i 维机械C A D 软件设计外壳，再将机械设计图 导入版图设计软件，用人工方式在版图设计过程中 回避外壳装配位，最后将完成的版图元件高度信息 导人三维机械C A D 软件进行匹配性检查。这是一 种检查结构匹配性是否合格的方法，其操作是半自 动的。本文提出的平面近似分割法旨在建立一种 P C B 组装件装配空间建模方法，在进行P C B 设计前 收稿日期：2 0 0 9 0 7 1 4 ；定稿日期：2 0 0 9 - 0 8 1 5 设定好P C B 结构约束，应用版图设计软件的规则驱 动，直接设计机械结构匹配的P C B 组装件，而无需 在版图完成后才进行结构匹配性检查。 2 平面近似分割法的软件基础 在M e n t o rG r a p h i c sE x p e d i t i o n 版图设计软件 中，可以放置限高框( P l a c e m e n tO b s t r u c t ) 。限高框 必须是封闭形状，可放置在顶面、底面或双面；可定 义允许放置器件的最高高度，如果高度值为零，则该 区域不允许放置任何器件。对特定高度的限高框， 其限定区域允许放置高度等于或小于限高框高度的 器件 1 | 。 通过绘制器件限高框，可设定某区域是否允许 放置器件，或限制可放置器件的高度，利用此功能实 现P C B 组件允许放置空间的限制。从理论上讲，只 要对P C B 组件上各处空间进行限定，通过软件的规 万方数据 第l 期 李贤云等：P C B 版图设计中的结构建模方法研究9 9 则交互功能，在放置器件时，版图设计软件将禁止超 高的器件放置在限高区域。由此设计出的元器件总 会放置在P C B 上适当的位置，占据合适的空间；最 终设计出的P C B 组件可保证符合空间匹配要求。 3 平面近似分割法原理 3 1限高框的相互作用 如图1 所示，两个限高框限定高度分别为 1 和 2 ，设 1 J 1 2 ，则A 区域和B 区域可放置器件的最 高高度为 1 ，C 区域可放置器件的最高高度为 2 。 该结论呵推广到多个限高框的相互作用，即不同限 高框交叠区域限定高度取较小值。 图1 限高框相互作用 F i g 1 I n t e r a c t i o no fp l a c e m e n to b s t r u c t s 3 2H m 组件放置空间的属性 P C B 组件放置空间有两种来源，一种是为了保 护P C B 组件产品而专门设计加工封装，该封装可使 用金属或非金属固体通过机加T 得到安装P C B 组 件产品的空间，也可使用铸模得到安装P C B 组件产 品的空间；另一种是在整机系统中为直接安装P C B 组件产品而预留的空间。上述空间可归结为两种： 机械加工得到的空间和减去机械加工得到的空间后 剩余的空间。根据机加工特性，在不考虑机加工表 面粗糙度的情况下，铣刀连续加1 = 出来的表面是连 续曲面或平面，两种空间均可抽象为分区连续曲面 围成的空间，如图2 所示。面A 、B 、C 上各点到 P ( 强表面的距离是连续变化的，即a 区域、b 区域、 C 区域开区间内器件限高高度是连续变化的；在区 域分界处，该距离是突变的。根据实际的应用要 求，分界处的限高高度取相交两个区域限高高度 中的较小值。 假设描述曲面A 、C 的函数F 1 ( z ，Y ，z ) = 0 、 F 3Q ，了，2 ) = 0 分别在a 区、b 区具有连续的偏导 数，则函数F l ( z ，y ，z ) 一o 、F 3 ( z ，Y ，z ) = 0 可 转化为z = ( z ，y ) 、z 兰 ( z ，y ) 2 | 。对图2 所 示P C B 组件产品的布局空间，其限高高度可以用下 面的函数描述： H ( x ，y ) 2 2 2 f ( z ，j ，)( z ，y e a 区) r a i n ( ( z ，y ) ，五( z ，y ) )( z ，y a b 区分界线) ( z ，y )( z ，y E b 区) ( 1 ) m i n ( 五o ，y ) ， ( z ，y ) ) ( z ，j ，b c 区分界线) 【 ( z ，y )( z ，y E c 区) 图2P C B 组件放置空间 F i g 2R o o mf o rP C Bm o d u l e 3 3 利用限高框表示P C B 组件放置空间 考虑P C B 板为硬板的情况，P C B 的元件面可考 虑为一平面。由前述分析可知，P C B 组件放置空间 为一个曲顶柱面围成的空间，其限高高度是由多个 限高平面或曲面的组合面到P C B 表面的距离H ( z ，y ) 确定的。在P C B 布局区域内，H ( x ，y ) 是一 个变量；而在M e n t o rG r a p h i c sE x p e d i t i o n 版图设 计软件中，限高框中限制高度的参数是一个常数；为 了比较准确地用限高框来表示P C B 组件放置空间 限高高度，采用一系列与z 轴垂直的平面截取限高 面，将平面与限高面各交线之间的小曲面用小平面 来代替 z 3 。这样，就将高度为变量的限高面转化为 很多高度为常数的小平面的集合。 小平面的求解按下述过程： 1 ) 选取基准面，一般选择P C B 基板表面； 2 ) 以基准面为X o Y 平面，布局空间高度为z 轴，建立限高面方程，并转化为z = f ( x ，y ) 形式； 3 ) 求z 的最小值z 。、最大值z 一及该最小值动 对应的- T O 、Y o 坐标( 在某些情况下，z 最小值或最大 值对应的可能不是一个点，而是直线、折线或曲线) ； 4 ) 将限高面方程转化为Y f ( z ，z ) 形式，将 z 视为参变数z 。( 劫 ) ，则Y = f ( z ，Z c ) 表 示平面z = 磊与限高面的交线方程； 5 ) 以最小值Z O 对应的坐标( z 。，Y o ，Z O ) 为起始 万方数据 1 0 0 李贤云等：P C B 版图设计中的结构建模方法研究 2 0 1 0 年 点，或交线为起始边界，次第增量敏，形成一系列 交线Y 。= 厂( z ，Z o + m A z ) ，P C B 布局空间近似为 一系列高度为孙+ m A z 的等高小平面( z = z 血，y = f ( x ，Z o + m A z ) ，z X r m ，Y2f ( z ，Z o 十 ( 优+ 1 ) A z ) 围成的区域) 为顶，P C B 元件面为底 的柱面空间； 6 ) 根据上述区域绘制限高框，其高度为Z O + 仇 A z ；若交线方程Y 一，( z ，Z c ) 不表示矩形、圆、圆 弧、折线框，限高框将无法绘制，还必须将交线方程 转换为折线，限高框的绘制则依据折线各转折点的 坐标进行。 4 几种典型结构建模 4 1 模块组件电路中金属外壳的结构建模 高可靠模块组件电路通常采用金属外壳进行封 装，其内部的P C B 组装件限高面一般是多个不同高 度的平面组合而成，利用金属外壳的机加工图，做适 当的修改设置，得到金属外壳的限高结构模型。图 母y V y 中弋 om oo 。 囤 一、 自 囤 l 、_ 淑 Z 义周9 宝襄勺风么： 图3 管壳及对应结构模型 F i g 3 C a s ea n di t sc o r r e s p o n d i n gm e c h a n i cm o d e l 背面限高结构模型。为了看到实际结果( 为0 将不 显示) ，将限高为0 的区域设定为0 0 1 ，不影响模型 的使用。 4 2 锥形空间的结构建模 图4 给出片j 户要求的布板空间，基板正面布局空 间为一局部锥面与基板平面围成的空间，采用第3 3 节所述的方法，首先以顶点为原点，中轴线为z 轴，与 基板平面垂直的方向为z 轴，求出锥面的方程： X 2t a n 2 口一Y 2 2 2 0( 2 ) 式中，a 表示圆锥母线与基板平面的夹角。 将z 一代人( 2 ) 式，得到等高线方程： _ 匕一：1( 3 ) 一：= ：_ ( g ，t a na ) 2z ； 1 、。7 图4 锥形空间示意 F i g 4 T h r e e - d i m e n s i o n a lp l o to ft a p e r e ds p a c e 由( 3 ) 式可知，这是一条双曲线，布板空间可以 用多个相邻两条双曲线和z z 幽及z = 直线 围成的等高区域进行近似。为了在E x p e d i t i o n 版 图设计软件中描述该区域，需要将双曲线折线化，用 多个折线围成的封闭等高区域来描述布板空间。 为了加快版图设计软件处理限高模型的速度， 使模型更实用，需要优化模型，减少模型的数据量。 减少模型的数据量主要有以下几种方法： 1 ) 根据限高框限制元件超高的作用，对于超过 最高元件高度的区域，不需要限高框进行高度限制。 根据模型的实际使用情况，舍弃超过版图中最高器 件高度的限高区域，可明显减少模型数据量，同时不 会影响模型精度。 2 ) 基板内进行限高建模，基板外不进行限高 建模。 3 ) 基板内提高建模精度，基板外降低建模精度。 图5 所示为一个实际项目的锥形空间的结构模 型。锥形面母线与中轴线夹角为4 0 ，基板右边缘距 万方数据 第1 期李贤云等：P C B 版I 冬I 设计中的结构建模方法研究 1 0 1 锥面顶点5 3 5 5m m ，基板左边缘距锥面顶点 4 0 9 5 1 6m m ，基板上表面与x 、o 、Y 平面距离1 9 3 6 r n m ，基板内x 方向对等高双曲线进行3 0 等分折线 化，基板外仅留双曲线顶点，版图中最高器件8 4 3 m m ，模型中最高限高区域高度为8 6 4m m ，相邻限 高区域高度差为0 1m m 。 图5 锥形窄问结构模型 F i g 5 M e c h a n i c a lm o d e lo ft a p e r e ds p a c e 4 3 多层布局中层间元器件冲突结构建模 多层布局结构中经常遇到图6 所示的情况，在 有限的高度下，上基板下表面元件需要与下基板上 表面元件高低交错放置。在结构设计之初，将两板 上关键元器件定位后，需要先布局空间紧张的那块 基板，再布局另一块基板，在布局第二块基板时，其 元器件布局位置会因为第一块基板元器件的高度限 制而受到限制。本节讨论将第一块基板元器件高度 转化为第二块基板布局的限高模型。 图6 多层布局截面示意图 F i g 6 T r a n s v e r s es e c t i o no fm u l t i l a y e rl a y o u t 以图6 为例，上基板装配好元器件后，下表面高 度可表示为： f h 。( z ，Y a 元件区) h ( x ，y ) 一l 饥( z ，Y b 元件区) ( 4 ) 【0 ( z ，Y 无元件区) 两块基板配合安装时，上基板下表面与下基板 上表面之间的距离H 是下基板上表面元器件允许 的最大高度，下基板上表面限高模型函数表示为： H ( x ，y ) = H 一矗( z ，y ) ( 5 ) 为了获得h ( z ，y ) 的数据，需要从上基板的版 图数据中分离出所有安装在基板背面的元器件的 p l a c e m e n t 框线的坐标数据和高度信息，对坐标数 据不做改动，对高度进行( 5 ) 式的运算，形成限高 框线高度。图7 所示为某基板背面元器件布局及其 转化过来的对下基板的限高模型，I C l 、I C 2 、I C 3 、 I C A 、I C 5 、L 9 高度分别为3 1 5 、3 3 2 、3 3 2 、3 3 2 、 4 3 3 、2 5 5 。 图7 多层布局结构模型 F i g 7 M e c h a n i c a lm o d e lo fm u l t i l a y e rl a y o u t 5 结构模型的应用及其精度和可信度 前面介绍了版图设计中结构模型建立的通用方 法，并以实际项目为例进行了建模；在设计中应用良 好，能有效地约束元器件的布局，设计的电路都能进 行良好的装配。实际上，上述金属外壳的结构模型 和多层布局中层问元器件冲突结构模型因为不存在 近似简化，都是精确模型。锥形空间的结构模型由 于进行了平面近似分割和曲线的折线化近似，对结 构模型进行了简化，属于简化模型，模型的误差来源 于这两次简化。下面具体分析简化对模型的影响。 5 1 结构模型的精度 首先，从前面对布板空间属性的分析可知，实际 的空间最终都与机械加工有关。在机械加工中，不 可避免地存在表面粗糙问题和加工公差。其次，一 般认为基板表面是平面，实际上，基板通常存在翘 曲。最后，元器件在装配中对高度控制存在偏差。 考虑到这些因素，只要平面近似时高度级差控制在 与前述加工偏差相当的水平，结构模型的精度就可 以接受。从工程应用角度考虑，为了保证安装可靠， 往往还需要考虑设计裕量，有意识将限高高度再减 少某个尺寸，包括前述金属外壳结构模型和多层布 局中层间元器件冲突结构模型，都应如此考虑。 曲线的折线化近似算法对结构模型的精度有较 大影响，同时还必须考虑模型的数据量。二者必须 进行综合权衡，才能建出实用的模型。通常，除遵循 基板外不进行限高建模或降低建模精度的原则外， 需要重点对曲线特性进行分析，找准特征点，在Y 随z 变化剧烈的区域多设点，在Y 随z 变化缓和的 区域少设点，从而优化折线化近似算法，兼顾模型的 万方数据 1 0 2李贤云等：P C B 版图设计中的结构建模方法研究 精度和数据量。 图5 给出的结构模型采用基板内3 0 等分折线 化近似算法，可以推出Y 轴方向误差。 由于Y 关于z 轴对称，为求得最大误差，可以 只考虑Y 为正值的情况下折线化误差A y ： Y 一石丽i 再 一竽 警( x - - x i ) 一Y ； ( 5 ) 令垃c 边= k f ，学一0 ，得： 函x 2t 瓣a n 4 a = k ；2 解得： z ：土丝兰一 ( 6 ) t a n 晓琵i 2 - - t a n 2 住 负值无意义，当z 取正值时，A y 取极大值，也是 该区间的最大值，对各双曲线各区间的A y 求得最 大值，就是双曲线折线化最大误差。对于图5 示例， 可以计算出其双曲线折线化最大误差结果为y 一 一0 3n 2 n 2 。这个结果有点偏大，但在元器件布局 不是特别紧张时可以接受。 5 2 结构模型的可信度 金属外壳结构模型和多层布局中层间元器件冲 突结构模型都是精确模型，其可信度是不言而喻的。 下面分析锥形空问结构模型的可信度。 由双曲线的表达式Y = 士 z 2 t a n 2 口一可求 得凯0 时，盟d x z 一万卷警矛 0 。 这说明，z 轴上半部向上凸，z 轴下半部向上 凹，z 轴上半部任意两点的弦位于双曲线下方，下半 部任意两点的弦位于双曲线上方 4 。对所研究的右 支双曲线，近似的折线总是位于双曲线右方。模型 中一系列平面所截的双曲线对应的高度从左到右递 增。由于模型中每两条近似折线首尾端分别连接形 成的等高区域对应的高度采用的是左边折线对应的 双曲线对应的高度，因而可以保证该限高区域里放 置的元件在实际装配中不会超出限高锥面。 6 结论 只要版图设计软件支持基于限高区域与元器件 高度的冲突实时检查，在版图设计的同时，考虑其空 间结构的合理性是可能的。 介绍了常用的金属外壳结构建模、多层布局中 层间元器件冲突结构建模。以实例说明这两种情况 完全能够在版图设计时进行空间匹配；对锥面布局 空间进行了探索性研