印刷线路板(PCB)是所有电子元器件、芯片、机电部件以及嵌入式软件的载体。几乎所有的电子产品都包含一个或多个PCB板，特别是现今日益复杂的智能设备和系统，可以说PCB是现在和未来智能设备的核心。全球PCB行业也是一个很大且持续增长的市场。2017年，全球PCB行业产值为588.4亿美元，2018年达到635.5亿美元。预计2019年将增加到658亿美元，到2020年将达到718亿美元，2024年将超越750亿美元。此外，全球PCB产业也不断向亚洲，特别是中国转移。中国PCB行业产值占比已超过一半，而且还会不断提升。

PCB板上各种器件之间的电气连接是通过导电走线、焊盘和其它特性对象实现（基本上都是铜皮层的叠加，每个铜皮层包含成千上万的复杂走线）。PCB设计越来越复杂，这就需要更复杂的电子设计自动化软件来支持。目前主流的PCB设计工具包括：Mentor Xpedition和PADS，Altium Designer和Cadence Allegro等。根据2018年全球PCB设计工具市场调查数据，市占率最高的是Mentor（37%），其次分别是Cadence（19%）、Zuken（17%）、Altium （10%）、Ansys（7%），以及其它（10%）。

流行好用且功能强大才是硬标准

从电子系统厂商和PCB设计工程师的角度来看，市场占有率是衡量一个软件优劣的重要标准之一，也就是它的普及和流行程度。Protel系列在高校很流行，因为很多高校都开设相关课程。但是，Protel在PCB设计工具中是最低端的软件之一，很少有企业使用。Mentor PADS就是以前的PowerPCB／PowerLogic系列，是低端PCB软件中最优秀的一款，其界面友好、容易上手且功能强大，因而深受中小企业的青睐，在中小企业用户中占有很大的市场份额，据说PADS是深圳市场最流行的PCB设计工具。

在企业级的高端PCB软件中，Cadence Allegro、Mentor Xpedition和Mentor Xpedition VX都是很好的选择，也受到大型公司的青睐。Mentor Xpedition是拉线最顺畅的软件，被誉为“拉线之王”，它的自动布线功能非常强大，布线规则设计非常专业。Xpedition平台的数据管理方案可实现单一环境下的高效设计协作和项目管理，特别适合在全球多个地区设有分部的跨国企业。最近，全球领先的空调厂商DAIKIN就从传统的电子线路系统设计平台转移到Mentor Xpedition，在其全球多个设计中心部署Xpedition系统，以实现跨区域的并行设计流程，提高设计效率和产品面市时间。

远程协作画PCB不是梦

在最近举办的Mentor PCB行业方案论坛上，一位来自迈瑞医疗的工程设计负责人分享了PCB设计的经验，也给出了选择PCB设计工具的客观建议。其中最吸引人的是他对设计团队进行远程协作来加速PCB设计流程和产品面市时间的构想。目前北上广深一线城市的生活成本很高，很多技术类职业开始往二三线城市流动，而PCB设计工程师这一工作似乎也适合这种远程协作办公潮流，如果有合适的PCB设计工具和系统平台的话。

从技术上来说，这已经不是问题，像Mentor Xpedition这类平台就可以支持企业多分部跨区域的远程协作。如果管理得当的话，不但不会降低工作效率，还可以充分利用不同地区的分布式优势而提高设计流程效率。比如，分布在不同时区的设计团队通过云平台或企业内部网络来同步设计流程，可以做到同一个设计项目实现一天24小时不间断进行，自然设计周期可以大大缩短，而达到企业的产品面市时间要求。

对于国内企业而言，问题不在于技术实现难度，而是企业文化和管理制度是否鼓励这种远程协作。在电子系统复杂程度越来越高、市场竞争越来越激烈的多重压力下，相信会有创新性的公司尝试这种远程协作，一部分设计团队成员居住在二三线城市，与位于一线城市的设计总部协调一致，这个梦想是可以实现的。一个生活在成都的PCB设计工程师与生活在深圳的同事协作办公，为公司创造同样的价值，享受着同样的工资待遇，但其生活质量要比深圳的同事好很多。

产品面市时间与设计项目反复的尴尬

从公司的角度出发，在购买PCB设计工具和聘用有经验的设计师时，除了成本考虑外，设计效率是主要因素，因为产品面市压力大，客户投诉和售后维护成本高，对PCB设计的要求不但要快速，而且要一次性正确。然而，电子产品的设计很难做到一次性正确且按期完成。根据市调公司Lifecycle Insights在2018年9月做的一项调查，只有25%的设计项目能够做到按时完成，且没有花费额外的人力和财务资源。而58%的项目都不能如期交付，或需要花费额外的资源才能按期完成。一个设计项目平均要经历2.9次设计反复，而一个设计反复平均需要额外8.5天，发生的额外成本大约为4.4万美元。这意味着平均下来，一个PCB设计项目要比原定计划多花25天，额外花费13万美元才能完成。

出于竞争和营销的考虑，很多公司都会提前宣布新产品推向市场的时间。对企业和设计团队来说，面市时间是不可更改的期限，设计必须在这个期限之前完成，这就要求设计项目尽量做到一次性正确。要保证这一点，传统的做法是在每个设计步骤都要进行物理验证，以确定每个阶段都正确才能往下一阶段进行。物理验证成了设计流程的瓶颈，因为需要有经验的主设计师或项目负责人人为把关和确认。那么，是否有符合验证要求的自动验证方法和工具呢？

左移(Shift-left)设计验证方法论

电子系统的复杂性与日俱增，PCB 设计人员很难在设计开发的早期阶段发现问题。传统的设计验证方法更多地依赖于人工检查、物理原型和设计流程各个阶段后的验证，比如原理图设计好后有一道验证，布线后又有一道验证，NPI之后再加一道验证，而等实验室物理原型建好后再进行可靠性检查。如果能在各个阶段将验证自动集成进去，及早发现Bug，到最后出差的概率就大大降低，自然整个设计流程也更为顺畅，效率大大提高。

基于这一需求和理念，Mentor提出了“左移(Shift-left)”的设计验证方法论，意思就是尽量将验证往设计流程的左侧转移，以便及早发现问题。Mentor根据这一方法论开发出一个“Shift-Left主动集成验证”工具，工程师可以将其集成到现有设计环境中，在原理图或布局布线阶段即可及早发现问题。此外，这款工具是面向非专家级 PCB 工程师的，即便是初级设计人员也可以完成准确的并行设计分析和验证，从而在提高产品质量的同时节省大量时间和成本。

图1：左移(Shift-left)设计验证方法论的原理

这个左移(Shift-left)验证工具具体可以实现哪些方面的验证呢？如图三所示，在原理图设计阶段，左移(Shift-left)可以进行多板逻辑原理验证、模拟和混合信号分析(AMS)、可测试性设计(DFT)的约束定义、信号完整性(SI)和电源完整性(PI)的设计探索。而在布线阶段，可以进行如下验证：原理图分析验证（Schematic Valydate）、SI/PI、热分析、振动和加速分析、电气规则检查(ERC)、可制造性设计(DFM)验证，以及电磁干扰(EMI)验证。

图2：左移(Shift-left)主动集成验证工具可以完成的验证功能

左移(Shift-left)主动集成验证工具可以集成到设计人员或设计团队所熟悉的Mentor Xpedition统一设计环境中，以完成早期的虚拟设计原型，这样从概念设计到设计移交至生产部门，Xpedition平台提供全设计过程的多维度集成。然而，这一验证工具并不仅仅局限于Mentor的PCB设计系统，其它友商的平台同样可以集成。

四大主流应用将受益于左移(Shift-left)验证

在本次PCB行业方案论坛上，来自美国的Mentor 电子系统部高级副总裁 A.J. Incorvaia与300多位PCB设计相关领域的专业人士分享了当今电子系统设计的数字化转型策略。四大主流应用的系统设计将率先受益于这种创新的左移(Shift-left)验证方法和技术。

图3：Mentor电子系统部高级副总裁A.J. Incorvaia主题演讲---电子革命时代需要数字化战略

• 汽车电子：如何应对自动驾驶/ADAS的新挑战、车内电子系统规划及设计管理、提高设计质量以符合ISO26262标准、汽车电子智能制造的数字化之路；
• 5G通讯系统：通过虚拟验证来保证5G通讯产品设计质量、数字化协作在通讯产品中的应用、数据同源以打造统一的设计流程，以及2.5D/3D封装在通信IC中的物理实现；
• 新兴消费电子：智慧家电重构系统设计方法学、利用上下游资料高效设计交付、智能制造下的研发数字化变革，以及验证平台的集成化大趋势；
• 工厂自动化：西门子与Mentor的整合为PCB制造商提供完整的设计和制造流程智能化解决方案。以景旺电子公司为例，其江西一期项目建设的一个传统工厂，人均产值约70万元。而江西二期项目投资建设智能化工厂，PCB生产效率大大提升，人均产值可达到150-200万元。
  
  

结语

PCB制造和PCB设计软件都是比较成熟的行业，在PCB设计上也很难有创新性的突破。AI、5G和IoT的融合发展为电子产品和智能设备创造了前所未有的市场机会，但同时对PCB设计提出了更高的要求。除了机械、电气和尺寸等物理设计要求外，加速产品面市时间和增强用户体验也从设计理念上提出了新的挑战。业界唯有通过创新的设计理念和方法论才能满足所有这些要求，而左移(Shift-left)主动集成验证不失为一种有效的尝试。通过将这种方法和工具集成进现有设计环境，系统厂商和PCB设计工程师可以大大提高设计效率，缩短设计流程周期，从而满足市场和客户的严格要求。