על ידי האו-סיינג יאפ Agilent EEsof EDA. מתכננים של לוחות מעגלים מודפסים בעלי מהירות גבוהה לעיתים קרובות מתוסכלים עקב ליקויים לא סדירים שנראה כי הם נעלמים כאשר הם מנסים לבצע ביחון (probing) ואיתור תקלות באמצעות אוסילוסקופ. מאמר זה מדגים איך סימולציה אלקטרומגנטית והַחְזָיָה (visualization) של זרם משטח משמשות לביצוע דיאגנוזה ותיקון של כרטיס גרפי בעל מהירות גבוהה עם כשלים לא סדירים המתרחשים במהירויות שעון מעל 2 גיגה הרץ. הוא אף דן באופן בו טכניקה זו יכולה לשמש לזיהוי נתיבי חזרה (return paths) של זרם ארקה (ground current), hot spots ו- crosstalkכדי לקבוע מיקום אופטימאלי של סיכוך shielding)), vias או קבלי decoupling.
מתכננים של לוחות מעגלים מודפסים בעלי מהירות גבוהה ותדרים גבוהים נתקלים לעיתים קרובות בכשלים לא סדירים מסובכים במעגלים המודפסים המוגמרים שלהם, החומקים מניסיונותיהם לבצע איתור תקלות ומציאת הגורם לכשל על ידי ביצוע ביחון (probing) וצפייה בתגובות אוסילוסקופ. למעשה נראה שהבעיות נעלמות ברגע שהבחון (probe) בא במגע עם המערכת. להלן חקר מקרה אמיתי של יישום לוח מעגל מודפס של כרטיס גרפי לווידאו.
יצרנים מתחרים מנסים לעיתים קרובות להתעלות זה על זה בביצועים על ידי הגדלת מהירות השעון של ה-GPU – יחידת העיבוד הגרפית (והוספת מאווררים אפילו גדולים ורועשים יותר למטרות קירור). זוהי הדרך היעילה ביותר מבחינת עלויות לשפר את ביצועי הגרפיקה ללא תכנון מחדש של יחידת העיבוד הגרפית או של לוח המעגל המודפס.
בחקר המקרה, מתכנן הכרטיס הגרפי הגדיל את מהירות השעון מ-400 מגהרץ ל-3 גיגה הרץ בתקווה לקבל קפיצה מיידית בביצועים. לרוע המזל, באזור ה-2.3 גיגה הרץ הכרטיס הפסיק לעבוד ולא ניתן היה לזהות אות שעון בפלט ל-trace קריטי של לוח המעגל המודפס. באמצעות שימוש בבחון (probe) בעל עכבה גבוהה, ניסה המתכנן לאתר את מקור הבעיה אולם גילה שהבעיה הפכה לבלתי סדירה כאשר השתמש בבחון. ימים של ביחון לא הפיקו תובנות או תשובות.
לאחר מכן הציע עמית לעבודה לבצע סימולציה אלקטרומגנטית מישורית של הלוח ולצפות במעבר הזרם על פני השטח במהירות השעון הבעייתית של 2.3 גיגה הרץ. הלוח יובא במהירות מהסביבה בה הוא תוכנן (Cadence Allegro) אל תוך סימולאטור D3 EM מישורי Momentum של Advanced Design System של Agilent לצורך ביצוע ניתוח. בוצעה סימולציה בטווח תדרים מ- DC עד 3 גיגה הרץ כאשר הפורטים חוברו ל-trace קריטי הנושא את אות השעון. תוך שימוש בשיטה הקרויה AFS (adaptive frequency sampling) נבחר אוטומטית מספר מינימאלי של נקודות תדר לסימולציה יעילה תוך כדי שימור הדיוק של זיהוי כל התהודות(resonances) בתוך כל טווח התדרים.
שיטת AFS זיהתה מצב רזוננס ב-2.33 גיגה הרץ כמוצג בתרשים 1, אשר מנע מהאות לעבור דרך ה-trace הקריטי בתדר זה. אולם מדוע זה קרה? כאן ההחזייה של זרם המשטח הופכת לכלי בעל ערך לאיתור תקלות. שלא כמו הבחון הפיסי של האוסילוסקופ, החזייה אינה מפריעה לאות אותו היא מציגה.
תרשים1. AFS (Adaptive Frequency Sampling) מזהה אוטומטית תדרי רזוננס של traces קריטיים של אותות על לוחות מעגלים מודפסים.
ההחזייה של זרם המשטח לאורך כל הלוח מוצגת בתרשים 2. הערך של זרם המשטח מצוין על ידי צבעו בספקטרום. אדום מציין אזור עם צפיפות הזרם הגבוהה ביותר
תרשים 2. החזייה של זרם המשטח מסימולציה אלקטרומגנטית תלת ממדית משטחית מאתרת כשלים לא רציפים על כרטיס גרפי לווידאו.
ניתן אף לבצע אנימציה של שטף זרם המשטח על ידי ביצוע sweep של הפאזה של ה-stimulus של הקלט בתדר המעניין. במקרה זה, המתכננים ביצעו אנימציה של שטף הזרם בתדר הרזוננס של 2.33 גיגה הרץ שזוהה על ידיAFS . הם יכלו לראות מיד, כמוצג בתרשים 3, שאות השעון היה לכוד לרוחב ארבעת פדי ההלחמה הפרושים במרחק שווה זה מזה על לוח המעגל המודפס. פדי ההלחמה יצרו בלי כוונה מבנה שנכנס לתהודה, ומנע מהאות בן 2.33 הגיגה הרץ להמשיך במסעו בהמשך ה-trace.
תרשים 3. רזוננס ב-2.33 גיגה הרץ מארבעה פדי הלחמה הפרושים במרחק שווה זה מזה חוסם את אות השעון מלעבור דרך trace קריטי.
תרשים 4 מציג את האות העובר בהמשך ה- traceב-400 מגהרץ כאשר במקרה זה אין רזוננס.
תרשים 4. אות השעון עובר בצורה רגילה דרך trace קריטי בתדר נמוך יותר של 400 מגהרץ.
לאחר שבוצעה החזייה ואותר הגורם לבעיה, התיקון היה כמעט טריוויאלי. המתכנן ביצע סידור רנדומאלי של הגודל והמרווחים של פדי ההלחמה כדי לבטל את מצב הרזוננס שגרם לכשל הבלתי סדיר. תוצאות סימולציית ה-EM אף הסבירו מדוע ביחון גרם לבעיה להיעלם. הביחון הפריע וביטל את תנאי הרזוננס הבעייתיים. לאחר התיקון, הכרטיס הגרפי יצא לשוק עם שעון של 2.4 גיגה הרץ ואפשר לחברה להתחרות בשוק הגדול של הדור הבא של כרטיסי ווידאו למשחקים.
החזיות של זרם משטח ושדה אלקטרומגנטי מספקות תובנות רבות ערך המסייעות לבצע איתור תקלות לבעיות ולהימנע מסוגיות הנובעות מצימוד (coupling) של סמיכות, הארקה לא טובה, היעדר קבלי decoupling, קיום hot-spots או arcing חשמלי ברכיבים בעלי הספק גבוה.
החזיית EM יכולה לזהות את איכות ההארקה על לוח מעגל מודפס על ידי הצגת זרם ה-EM בנתיב החזרה של האַרְקָה. בתרשים 5 ניתן לראות את זרם ההארקה החוזר דרך מישור הארקה של לוח המעגל המודפס. אם זרם החזרה עובר במסלול מעגלי, אזי זהו גורם פוטנציאלי להשראות לולאת ארקה היכולה להאט אותות בעלי מהירות גבוהה ולגרום לקצב שגיאות (bit error rate)גבוה או ISI
(inter- symbol interference). התיקון במקרים כאלה הינו הקטנת אי הרציפויות במישור הארקה על מנת לספק נתיב חזרה ישיר יותר של הזרם. ניתן לאמת זאת על ידי החזייה.
תרשים 5. צפה בנתיבי חזרה של זרם הארקה על לוח המעגל המודפס כדי לאמת את איכות ההארקה.
החזיית זרם EM יכולה לזהות את המיקום של קבלי decoupling לטובת שיפור אספקת הכוח למארז או לשבב. תרשים 6 מציג את מעבר זרם המשטח בתדרי התהודה שזוהו באמצעות AFS על מנת להבטיח שזרם מלא עדיין עובר לחיבורי הכוח וההארקה. אם לא כך הדבר, ניתן להציב קבלי decoupling במיקומים בהם מעבר הזרם נחלש או נעלם ברזוננס, על מנת לספק מאגר מטען מקומי כדי לייצב את אספקת הכוח. טווח התדרים האופייני של הניתוח הינו מ-DC עד תדר השעון.
תרשים 6. זהה נקודות למיקום קבלי decoupling סביב מארז שבב על ידי החזייה של היעדר מעבר זרם לפינים של הכוח (power) או ההארקה.
לבסוף, כמוצג בתרשים 7, החזיית זרם ושדה יכולה לזהות בעיות אמינות פוטנציאליות עקב hot spots של זרם העשויים לגרום חימום יתר מקומי והיפרדות (de-lamination) שלtraces . אזורים של חוזק גבוה של שדה EM יכולים להוביל לקשת חשמלית שעלולה להרוס רכיבים רגישים.
תרשים 7. החזיית זרם משטח ושדה אלקטרומגנטי יכולה לאתר בעיות אמינות עקב hot spots של זרם או עוצמות שדה גבוהות העלולות לגרום לקשת חשמלית.
סיכום: מאמר זה הדגים את השימוש בסימולציה אלקטרומגנטית והחזייה של זרם משטח כדי לבצע דיאגנוזה ולתקן כרטיס גרפי בעל מהירות גבוהה עם כשלים לא רציפים שאירעו במהירויות שעון גבוהות. הוא אף דן באופן בו טכניקת סימולציית והחזיית EM יוכלו לשמש לזיהוי נתיבי חזרה של זרם ארקה, hot spots ו- crosstalkכדי לקבוע מיקום אופטימאלי של סיכוך,vias או קבליdecoupling . הטכניקה שימושית לתכנון ואיתור תקלות של לוחות מעגלים מודפסים בעלי מהירות גבוהה מכיוון שהיא מסייעת למתכננים לאתר גורמים פוטנציאליים לכשלים שלא ניתן לזהות בקלות אפילו עם יצירת אבי טיפוס לחומרה וביחון (probing) באמצעות אוסילוסקופ. הפתרון המוצע לכל בעיה שמזהים ניתן לאימות מהיר על ידי חזרה על אנליזת ה-EM.
האו-סיינג יאפ הינו מנהל המוצר של פלטפורמת Advanced Design System (ADS) Electronic Design Automation (EDA) של EEsof EDA השייכת ל-Agilent. הצוות שלו מפתח פתרונות תכנון עבור רכיבי RF SiP, MMIC, RFMixed signal board, אנטנות ו-RF/MW המיועדים לתעשייה האלחוטית המסחרית ותעשיות הצבא/החלל. הוא סיים בהצטיינות תואר בהנדסה מהאוניברסיטה של ניו סאות’-ווילס באוסטרליה ויש לו תעודת ניהול שלאחר תואר ראשון מבית הספר לעסקים של הלסינקי, פינלנד. כתובת הדואר האלקטרוני שלו הינהhow-siang_yap@agilent.com .
