盡管集成電路（IC）設計師取得了很大業績，但是印制電路板設計師將結構設計應用在制作方法之中已經有很多年了，而IC設計師僅僅才開始采用。
要點
● IC設計師現在才采用的一種設計方法，印制電路板設計師業已使用了很多年。
● 盡管公司合并和收購削弱了這一領域，但工程師在選用印制電路板設計工具時仍有很多選擇。
● 系統驗證是設計過程中要求嚴格的階段。
● 印制電路板設計師面臨的主要挑戰是信號完整性、功耗和熱輻射。
設計自動化會議（DAC）是EDA（電子設計自動化）行業的主要活動。這是制造商展出其產品、設計師縱覽技術、所有行業參與者學習和討論設計方法的機會。在其存在的大部分時間里，DAC一直專注用于IC開發的工具和方法。你可以找到印制電路板設計工具，不過它們屬于少數，而且在提供IC和印制電路板兩類工具的制造商的展臺上處于次要地位。似乎IC設計方法和工具引導著EDA的進展，而印制電路板設計在產品的技術方案中雖是必不可少的，但卻是起著低級功能。
對電子系統設計的一次更深入的考察表明，情況正好相反。IC設計師只是現在才開始嘗試結構設計、分層開發和DFM（可制造設計）三種方法，而印制電路板設計師采用這三種技術已經有一段時間了。IC設計師僅僅是現在才開始試圖模仿印制電路板設計師多年來所做的事情。在設計一塊印制電路板時，工程師根據電氣和電子設計規則選擇經過驗證的功能模塊并將其連接起來。在使用分立元件時，設計師進行模擬設計，而制造問題和測試問題則始終是印制電路板設計師考慮的重點。
在開發一塊印制電路板時，設計師通常遵循以下的四步流程：系統設計、系統驗證、布局和制作數據生成（圖1）。其中每一步都可能涉及到許多工具和規則。特別是工程師不得不擴大系統驗證的范圍，將諸如信號完整性、高速設計、電源要求與分配以及射頻（RF）設計等問題包含在內。另一個需要注意的方面是連接器和電纜的設計和布局，尤其在印制電路板是較大系統中的一個組件，而該系統要在沒有公共底板的各種印制電路板之間傳送數據時更是如此。

圖1，設計師在開發印制電路板時遵循分層方法。
系統設計涉及到繪制電路原理圖。原理圖不僅是印制電路板的邏輯表示，而且還在設計過程中演變成印制電路板技術規范。工程師利用計算機輔助的原理圖編輯器輸入設計的邏輯功能和連接性。他們還輸入許多封裝特性、指導布線程序的設計規則和指導分析引擎的電氣規則。設計輸入驅動所有其它應用程序。
系統驗證使工程師能夠驗證封裝和印制線兩者的功能、連接性和物理特性的選擇是否滿足技術規范。根據所要解決的問題，設計師在驗證中使用多種工具。一般而言，工程師需要驗證時序、信號完整性、電磁干擾、電源以及發熱等問題（圖2）。在布局期間，工程師放置并連接他們在原理圖中示出的封裝和器件。完成這項任務的主要工具是以全自動模式或交互模式工作的布線程序。通常情況下，設計師利用一個交互式布線程序來人工完成關鍵的布局與連接功能。他們一旦完成并驗證了這部分設計，自動布線程序就可以處理剩下的布局布線功能。由于布線程序無法全部完成電路板布局，某些設計需要終的交互式對話。交互式布局布線是一個嚴格而又乏味的過程。成品的質量常常是進行布局的工程師經驗的直接結果。工程師一旦完成了電路板設計，就必須給出制造所需的各種文件和文檔。很多印制電路板制造商都提供按所需格式輸出信息的工具。

圖2，大多數印制電路板設計師必須處理5個主要的系統驗證領域。
可用的EDA工具
通過一系列公司的合并和收購，針對印制電路板應用的EDA市場在過去幾年中已經成熟。Cadence公司和Mentor Graphics公司分別收購了歷史悠久的Orcad公司和Pads公司。這些收購行動使得Cadence公司和Mentor公司能夠采取雙重定價結構來擴大其市場影響，并為其客戶提供選擇范圍更寬的產品。這兩家公司的年收入占印制電路板市場年收入的75%左右。Zuken公司和Electronics Workbench公司在該市場的幾個領域中占有很大的份額，并在力爭奪取印制電路板收入第三的位置。
系統驗證重要性的不斷提高已經為以前只專注于IC設計的公司打開了印制電路板的市場。信號完整性產品和熱分析產品就是這種交叉的例子。其余的印制電路工具制造商滿足于在該市場的幾部分中得到認可，其中大多數公司的年收入低于1千萬美元。表1列出了印制電路板工具制造商及其服務的應用系統。雖然本文不可能一一描述這些工具，但你可以在這些制造商的網站上找到所有的資料。Altium公司經銷很多品牌工具，其中包括Protel、P-CAD、Nexar和nVisage。
在過去三年中，無線設備已成為EDA市場的主要推動力。因此，電磁分析的重要性業已提高。Agilent公司和Cadence公司在這個市場上處于地位。它們的實力來源于其在IC設計市場上同類設備的長期地位。今年四月，為了進一步加強在RF設計上的技術力量，Cadence公司宣布了收購Neolinear Technology 公司的意向。Agilent Eesoft公司在RF-IC設計市場上扮演了主要角色，它在這一市場上的地位同樣也使它在印制電路板市場上成為舉足輕重的角色。
大多數設計輸入工具具有類似的功能，但價格更高的工具往往理所當然地具有更大的靈活性，并且支持更大更復雜的設計。布局布線產品也是如此，但Mentor Graphics公司似乎在這個領域具有優勢。布線程序之間的主要差別就在于完全支持高速設計規則和模擬設計的能力。
FPGA器件的執行速度將加快，容量將增大。設計師在印制電路板設計中更加頻繁地使用這些器件，因為它們不但是對膠合邏輯，而且也是設計師以前用ASIC芯片實現的重要功能模塊的很好替代品。Mentor Graphics正在提供一種能使工程師同時開發FPGA和印制電路板的系統設計技術。FPGA BoardLink能自動完成電路板原理圖內一個FPGA符號的放置和連線。它首先生成具有合適引出線的符號，并且在對印刷電路板或FPGA進行任何修改時保留所要求的連接性。將高速封裝連接到印制電路板上也是一個日益復雜的問題。電氣連接不當會產生信號完整性問題和電磁干擾問題。在高性能設計中，大型多層電路板、復雜的多端IC封裝以及芯片上的三維無源結構變得越來越常見。包括符號間干擾和地電位跳動在內的常見失效模式需要電磁分析。此外，工程師常常進行頻域功率完整性分析，而這在幾年前是不需要進行的。標準元件制造商現在都提供IBIS（I/O緩沖器信息技術規范）模型，然而僅僅在5年之前，獲得具有某一部件技術信息的IBIS模型還是很罕見的。
在高速差分或者源同步設計中，信號必須同時到達接收器。由于空間有限，封裝中的大多數信號跡線具有不同的長度。設計師必須在印制電路板上補償這些差別。當設計師因空間限制而必須引導信號繞很多彎和拐角時，就會縮短信號傳播延遲，因而必須通過延長跡線來對此進行補償。例如，在90°彎曲的情況下，信號就會“切割拐角”，而且每個拐角會加快0.1～0.5ps。盡管金屬遷移問題在IC中更為普遍，但印制電路板和封裝引腳之間的不良機械連接性也會存在這個問題。

圖3，團隊設計允許由分散在各地的工程師和在某個設計領域有專長的工程師同時進行設計。
討論團隊設計的工程師和分析師往往意指不同的事情。有些人描述的是一種把一個項目分配給許多工程師，并保持工作一致和同步的方法（圖3），而另一些人描述的則是PLM（產品壽命管理）工具（圖4）。

圖4，電子設計數據管理是部件生命周期管理集的一個子集。
Mentor Graphics公司提供的TeamPCB能使一個設計小組并行地設計電路板。工程師（通常是項目帶頭人）將設計分成很多部分，每一位設計師完成自己那部分的工作，并能查看整塊電路板。項目帶頭人雖然能根據諸如數字、模擬、電源等功能區域來劃分電路板，但也能把這些部分在設計師之間劃分。工程師可以利用自動數據庫更新以設計人員對設計人員的方式共享進展，或者可以用他們的進展更新主數據庫。當一家公司外購設計的某些部分或其設計小組分散在各地時，這種方法很適用。
通過與MatrixOne的新合作關系，Cadence公司支持另一種“團隊設計”概念。隨著電子系統變得越發復雜，合作的需求相應增加。在很多情況下，公司不再從頭至尾開發一個系統。它們需要與擅長于某部分設計或者制造工藝的公司合作。此外，項目的復雜性還需要使用先進的項目管理工具。由于實現了支持鏈的印制電路板部分，Cadence公司開始支持PLM，并且計劃支持整個電子子系統。與Cadence公司一起，Flomerics公司、Ohio-DA公司和Zuken公司也在提供對團隊設計的支持。

圖
隨著電子系統日益復雜和越來越分散，工程師實現印制電路板之間的連接不僅需要利用底板，而且還要通過導線來進行并行的連接和高速串行連接。越來越重要的是，要能根據兩個子系統的I/O描述，把兩個子系統的部件綜合在一起，由此來開發電纜和配線。Mentor Graphics公司已在一段時間內在這個市場上保持了地位，不過Zuken公司和新創辦的TurboTools公司都推出了具有競爭力的產品。TurboTools公司剛剛與Orcad產品的美國國內經銷商達成協議，其產品CablEquity可以通過EMA Design Automation公司（www.ema-eda.com）買到。
印制電路板應用領域也在應對與數字IC設計師面臨的同樣的問題，不過處理模擬設計的需求以及印制電路板設計固有的分層特性會增加這一復雜性。IC設計師應該考察印制電路板設計用來提高其DFM設計質量的方法。