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（1）預布局

 

在總體階段的時候，我們應該就器件選型、預布局、熱設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性進行了評估，輸出的核心器件選型結(jié)論、預布局結(jié)論應該是滿足總體的熱設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計要求的。

 

根據(jù)初步方案，輸出預布局原理圖，要求原理圖至少包含主要器件、電源、熱敏感器件和接插件。硬件工程師要規(guī)劃好，單板、器件功能和信號流向。

 

PCB預布局是熱設(shè)計的重要入口條件。開展熱設(shè)計仿真，硬件工程師需要給熱設(shè)計工程師提供單板布局和器件熱耗（功耗）表、各器件散熱參數(shù)。數(shù)字器件要注意提供盡量準確的功耗數(shù)據(jù)，特別是DDR/FPGA等器件要根據(jù)使用場景進行計算。

 

預布局除了完成關(guān)鍵器件的擺放，評估PCB的可行性，還需要確定電路板的層數(shù)和層疊結(jié)構(gòu)。按照這些總線的要求，下一步要設(shè)計層疊結(jié)構(gòu)以及計算各類總線要求的阻抗和傳輸線的物理尺寸。下圖是項目設(shè)計的層疊結(jié)構(gòu)：

 

 

       從層疊結(jié)構(gòu)上，可以看到本設(shè)計需要使用6層板，6層板可以有3個信號層Top層、L3或者L4和BOT層；也可以有4個信號層，Top層、L3、L4和BOT層。具體需要使用幾層，根據(jù)實際的情況來確定，本設(shè)計就使用了4個信號層。PCB板的厚度為1.57mm，使用的材料是IT-180A，其中使用了4張PP和3張Core。

 

       根據(jù)層疊結(jié)構(gòu)計算傳輸線的阻抗，由于有4個布線層，層疊又是對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計的，所以只要計算TOP和L3層的阻抗即可，其它兩層都是一一。本設(shè)計中的高速總線類型比較多，既有單端的布線，也有差分布線，既有單端40ohm的DDR4布線，也有單端DDR4的50ohm布線，既有差分80ohm的布線，也有差分90ohm和100ohm的布線。結(jié)合TOP層和L3層一起，所有的阻抗要求以及布線結(jié)構(gòu)如下圖所示：

 

 

圖 各層布線阻抗計算結(jié)果

 

       從計算結(jié)果可以看到，看似非常簡單的一個高速產(chǎn)品設(shè)計，其阻抗就有多達10組設(shè)計。在實際的應用中，要仔細區(qū)分。

 

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計

 

結(jié)構(gòu)設(shè)計需要包含：

 

① PCB外形輪廓尺寸

 

包括結(jié)構(gòu)所需的倒角、凸凹槽、內(nèi)部開窗等信息。

 

② PCB板厚度

 

常用的厚度有1mm、1.6mm、2mm、2.4mm規(guī)格。

 

單獨列出來是因為厚度是直接參與到結(jié)構(gòu)設(shè)計的疊加累計尺寸當中，需要重視。

 

③ 外部接口器件的位置和外形

 

 LED的位置；網(wǎng)口、串口；光口；電源開關(guān)；電源插座；復位按鍵；背板連接器；導套、導銷；USB。

 

外形一般在3D設(shè)計的時候，就會把接口零件模型組裝到PCB，一起投影到DXF文檔，同時提供定位參考點。

 

④ PCB安裝孔的位置、孔徑及其禁布區(qū)要求

 

選用什么型號的螺絲，提供相應孔徑的尺寸，提供螺帽禁布區(qū)尺寸，并提供文字說明。所選焊接器件的料號、位置和放置面。

 

其他需要焊接到PCB上的與結(jié)構(gòu)相關(guān)器件的規(guī)格型號，位置信息，禁布信息，放置到PCB哪一面等信息。例如焊接螺母、螺柱；較大尺寸的電源磚；較大尺寸的芯片；需要散熱的芯片。

 

⑤ PCB的TOP和BOTTOM面對器件高度的限制要求

 

由于PCBA需要與結(jié)構(gòu)件裝配，所以需要提供允許擺放電子元件的高度要求，需考慮間隙余量。

 

⑥ 光纖半徑和路徑要求

 

光纖有彎曲半徑要求，所以盤纖的方式、盤纖的路徑和路徑的寬度都要提前規(guī)劃好，這些信息與PCB相互影響。

 

⑦ 直接安裝到PCB表面的零件

 

有些金屬結(jié)構(gòu)件直接安裝到PCB表面，表面一般禁布線，并且金屬外圍輪廓需增大，留足余量，比如零件制造裝配公差引起短路。

 

有些塑膠零件安裝到PCB表面，表面一般禁布元件，禁布區(qū)外圍余量留足。

 

⑧插板式PCB標示出插槽限高或禁布區(qū)域以及行程要求。

 

有一種插板式PCB，兩側(cè)邊直接與導軌插槽滑動裝配，兩邊禁布區(qū)要求，以及注意模擬行程當中其他結(jié)構(gòu)件會發(fā)生撞擊干涉的空間，明確限高或者禁布要求。有一種PCB裝配方式帶滑動行程，注意模擬裝配行程當中與結(jié)構(gòu)件會發(fā)生撞擊干涉的長度和面積，明確限高或者禁布要求。

 

⑨ 焊接器件引腳長度要求。

 

⑩ 連接器的PIN序列信息。

 

?散熱器安裝位置，高度、禁布區(qū)要求。

 

?特殊器件的安裝要求，例如攝像頭、陀螺儀傳感器、ToF等器件可能需要有安裝位置的特定要求。圖是一塊電路板在總體設(shè)計過程中考慮結(jié)構(gòu)干涉、電路板安裝、天線安裝的示意圖。

 

 

 

電路板安裝示意圖

 

（3）熱設(shè)計

 

下面是硬件工程師和熱工程師之間的一則笑話：

 

硬件工程師：“我們新出了一個方案，幫忙再仿真一下吧？”

 

熱設(shè)計工程師：“過不了！”

 

硬件工程師：“你仿過了？”

 

熱設(shè)計工程師：“我用腦袋仿過了，你過不了，你要降規(guī)格！”

 

硬件工程師：“我要用烙鐵給你腦袋加加熱。”

 

這個笑話現(xiàn)在已經(jīng)在網(wǎng)上廣為流傳，但這個笑話卻是我親身經(jīng)歷的真實事件。

 

當時我剛到華為上班，意氣奮發(fā)，希望項目盡快取得進展，結(jié)果就碰到這么一個不配合我們項目組工作的熱設(shè)計工程師，還很不理解他的工作態(tài)度。

 

因為即使是大公司，專門搞熱仿真熱設(shè)計的從業(yè)人口也比較少，特別是華為這個專門的工作，只有熱設(shè)計工程師才可以使用仿真軟件。所以當時熱設(shè)計工程師是稀缺資源，硬件工程師也只能依賴熱設(shè)計工程師進行仿真。

 

而很多公司熱仿真的工作是結(jié)構(gòu)工程師完成的。也有些能干的硬件工程師自己建模仿真。這個取決于個人的技術(shù)寬度、公司的分工要求、產(chǎn)品復雜度、必要性等。

 

不管是什么工程師來做這個工作，如果反復的仿真沒有好的結(jié)論，都是資源浪費。自然就會有笑話中熱設(shè)計工程師拒絕反復仿真各種情況的案例。

 

我們在硬件設(shè)計過程中，由于芯片的性能越來越高，接口的速率越來越高，各種芯片的熱耗也隨之增大，所以熱設(shè)計的挑戰(zhàn)也越來越大。特別是產(chǎn)品競爭進入白熱化之后，在有限的機框里面達到散熱極限邊緣是很容易出現(xiàn)的。

 

熱仿真效率低的原因有：

 

① 器件功耗大，散熱風險大。

 

② 熱設(shè)計仿真結(jié)果經(jīng)常超過結(jié)溫，或者不滿足降額。

 

③ 有些給出的器件功耗值缺乏理論依據(jù)，不準確，導致過設(shè)計或者導致散熱風險。

 

④ 熱仿真的過程需要多次反復，一次仿真的周期大約3天，效率低下。

 

有時候硬件工程師按照項目經(jīng)驗經(jīng)過多次調(diào)整，才能滿足熱設(shè)計的要求，而且不斷的改熱設(shè)計的輸入條件，導致效率很低。

 

預布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱設(shè)計的關(guān)系和流程如下圖所示。

 

布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計和熱設(shè)計流程

 

 

 

分析之前的流程，熱仿真效率低的原因如圖所示。

 

 

熱仿真效率低的原因分析

 

對于風險器件，我們需要做到兩點：

 

（1）準確給出器件實際功耗。

 

（2）最優(yōu)化的散熱布局，考慮走線的前提的下的最優(yōu)布局。

 

關(guān)于器件功耗評估，對于沒有散熱風險的器件，我們評估功耗的時候，可以很粗暴地給一個標稱最大值。但是當這樣簡單操作，給出一個最大值之后，不能通過熱仿真的時候，需要我們?nèi)フ{(diào)整這個值，需要評估到最準確的值。

 

（1）例如，DDR3控制器支持高刷新率，則其結(jié)溫可達到95℃，如果不支持高刷新率，則最高結(jié)溫定為85℃。必要時，硬件實現(xiàn)提高刷新頻率功能，則DDR3溫度規(guī)格放寬為95度。其他器件如果有硬件指標跟溫度相關(guān)，一樣要根據(jù)實際需求和實際場景去評估其溫度上限要求。

 

（2）對于散熱風險較小的仿真模型，可以建立簡單的電源模型，按照經(jīng)驗值輸入。對于設(shè)計風險較大單板，需要建立電源詳細模型，硬件人員需要提前評估功耗，提供給熱設(shè)計人員。特別是MOSFET，有時候為了簡化模型，直接布放一個熱源，進行仿真。但是由于功耗大，所以我們要根據(jù)MOSFET的實際使用情況，利用功耗計算公式，計算出其實際的功耗，然后再確定其功耗參數(shù)。同時，需要考慮一些覆銅，亮銅改善其散熱的情況。而不是簡單的降規(guī)格妥協(xié)，或者換更貴更好性能的器件，要么影響產(chǎn)品競爭力，要么提升了成本。

 

（3）CPU的功耗要根據(jù)其是否降頻工作，超頻工作，實際工作負載情況進行評估。不能拿最大功耗一刀切。X86處理如果支持Turbo Burst模式，需要考慮多種情況的散熱分析。由于Nehalem架構(gòu)處理支持TurboBurst模式，所以雖然處理的總功耗一定，但是處理各個點的功耗會隨著不同的Turbo模式，導致各個Core的最大功耗會超過其額定功耗。需要分別考慮各種情況的散熱。不然超頻的時候，單點功耗會比較高。

 

我們曾經(jīng)有個案例，使用多核PowerPC，其功耗比較高，熱仿真一直評估有風險，但是我們根據(jù)實際業(yè)務(wù)場景，重新評估了實際工作負載能力，合理的評估了其真實環(huán)境下的實際工作功耗，降低功耗之后仿真通過。后來實測，也不會出現(xiàn)過溫的現(xiàn)象。對于處理器這種，需要的時候，應該投入人力，用demo板對實際工作環(huán)境進行實測，提前做熱測試，保障功耗評估準確。同樣的，DDR也需要根據(jù)其實際工作速率進行評估其功耗，特別是FPGA的外掛DDR，有時沒有想象的那么大功耗。

 

（4）FPGA 的功耗，一般廠家會提供評估工具。這時，一定要根據(jù)實際FPGA的資源占有情況進行評估，不要按照100%進行評估。實在評估值偏高，也可以用Demo板實測功耗。

 

關(guān)于熱設(shè)計相關(guān)的PCB布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計、生產(chǎn)工藝的幾條經(jīng)驗。

 

（1）共用散熱器，需要考慮器件公差及導熱硅膠的厚度。

 

當時有個案例，我們有一個電路板上面，CPU和另外一個器件共用了散熱器，自己公司的熱設(shè)計工程師的仿真結(jié)論溫度比較高，而使用相同的仿真模型，器件廠家散熱仿真模型的溫度比較低，經(jīng)過器件廠家討論，分析原因是器件廠家建立的仿真模型，CPU與散熱器的導熱膠厚度為0.13mm，而我們目前仿真模型中使用的仿真模型是0.3mm。導致：器件廠家仿真模型中CPU的溫度是95攝氏度，而我們的仿真結(jié)果是：大于116攝氏度。自己公司的熱設(shè)計工程師選擇0.3mm是參考兩個器件公差，得出的經(jīng)驗值，選取了概率比較高的一個參考值。

 

實際生產(chǎn)過程中，導熱硅膠的厚度很難控制那么精準，需要制造特殊的涂膠工裝來保證其厚度。不然確實會出現(xiàn)大功率器件溫度過高，出現(xiàn)過熱保護的情況。建議最好不要多個器件共用散熱器。由于器件高度公差，導致導熱硅膠厚度影響散熱效果。如果多個器件共用散熱器，需要充分考慮器件高度公差帶來的影響。

 

（2）有些場景下，DDR在正反面，為了方便走線，有些工程師把TOP面和BOTTOM面的DDR在空間上位置完全重疊。但是這樣重疊設(shè)計，DDR的熱量也會通過PCB板相互傳遞，不利于散熱，可以考慮錯開一點進行設(shè)計。在指標就差一點點的時候，這種設(shè)計能夠有效地優(yōu)化。

 

（3）散熱器件后方如果有扣板等平板型物體，不一定會阻礙器件散熱，有可能形成風道，加大局部風速。有時風道會改善散熱，所以不要拿腦袋仿真。熱仿真圖如圖5.17所示。

 

 

 

熱仿真圖

 

（4）散熱有疊加效應。如果存在很大散熱風險，優(yōu)先考慮將結(jié)溫要求最苛刻、功耗大的器件放在進風口。例如DDR。

 

（5）過孔、亮銅會改善散熱。

 

（6）加散熱銅箔和采用大面積電源地銅箔。連接方式與結(jié)溫的關(guān)系如圖5.18所示。

 

連接方式對結(jié)溫的影響

 

根據(jù)上圖可以看到：連接銅皮的面積越大，結(jié)溫越低。鋪銅面積與結(jié)溫的關(guān)系

 

 

鋪銅大小對結(jié)溫的影響

 

根據(jù)上圖，可以看出，覆銅面積越大，結(jié)溫越低。