實(shí)現(xiàn)PCB高效自動(dòng)布線的設(shè)計(jì)技巧和要點(diǎn)

       盡管現(xiàn)在的EDA工具很強(qiáng)大，但隨著PCB尺寸要求越來(lái)越小，器件密度越來(lái)越高，PCB設(shè)計(jì)的難度并不小。如何實(shí)現(xiàn)PCB高的布通率以及縮短設(shè)計(jì)時(shí)間呢？本文介紹PCB規(guī)劃、布局和布線的設(shè)計(jì)技巧和要點(diǎn)。

Tom Stout
高級(jí)設(shè)計(jì)工程師
PCB優(yōu)化設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)

Jean Cortjens-Stout
高級(jí)PCB設(shè)計(jì)師
Colorgraphic Communications公司

       現(xiàn)在PCB設(shè)計(jì)的時(shí)間越來(lái)越短，越來(lái)越小的電路板空間，越來(lái)越高的器件密度，極其苛刻的布局規(guī)則和大尺寸的元件使得設(shè)計(jì)師的工作更加困難。為了解決設(shè)計(jì)上的困難，加快產(chǎn)品的上市，現(xiàn)在很多廠家傾向于采用專用EDA工具來(lái)實(shí)現(xiàn)PCB的設(shè)計(jì)。但專用的EDA工具并不能產(chǎn)生理想的結(jié)果，也不能達(dá)到100%的布通率，而且很亂，通常還需花很多時(shí)間完成余下的工作。

       現(xiàn)在市面上流行的EDA工具軟件很多，但除了使用的術(shù)語(yǔ)和功能鍵的位置不一樣外都大同小異，如何用這些工具更好地實(shí)現(xiàn)PCB的設(shè)計(jì)呢？在開始布線之前對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行認(rèn)真的分析以及對(duì)工具軟件進(jìn)行認(rèn)真的設(shè)置將使設(shè)計(jì)更加符合要求。下面是一般的設(shè)計(jì)過(guò)程和步驟。

確定PCB的層數(shù)

       電路板尺寸和布線層數(shù)需要在設(shè)計(jì)初期確定。如果設(shè)計(jì)要求使用高密度球柵陣列(BGA)組件，就必須考慮這些器件布線所需要的最少布線層數(shù)。布線層的數(shù)量以及層疊(stack-up)方式會(huì)直接影響到印制線的布線和阻抗。板的大小有助于確定層疊方式和印制線寬度，實(shí)現(xiàn)期望的設(shè)計(jì)效果。

       多年來(lái)，人們總是認(rèn)為電路板層數(shù)越少成本就越低，但是影響電路板的制造成本還有許多其他因素。近幾年來(lái)，多層板之間的成本差別已經(jīng)大大減小。在開始設(shè)計(jì)時(shí)最好采用較多的電路層并使敷銅均勻分布，以避免在設(shè)計(jì)臨近結(jié)束時(shí)才發(fā)現(xiàn)有少量信號(hào)不符合已定義的規(guī)則以及空間要求，從而被迫添加新層。在設(shè)計(jì)之前認(rèn)真的規(guī)劃將減少布線中很多的麻煩。

設(shè)計(jì)規(guī)則和限制

       自動(dòng)布線工具本身并不知道應(yīng)該做些什么。為完成布線任務(wù)，布線工具需要在正確的規(guī)則和限制條件下工作。不同的信號(hào)線有不同的布線要求，要對(duì)所有特殊要求的信號(hào)線進(jìn)行分類，不同的設(shè)計(jì)分類也不一樣。每個(gè)信號(hào)類都應(yīng)該有優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)越高，規(guī)則也越嚴(yán)格。規(guī)則涉及印制線寬度、過(guò)孔的最大數(shù)量、平行度、信號(hào)線之間的相互影響以及層的限制，這些規(guī)則對(duì)布線工具的性能有很大影響。認(rèn)真考慮設(shè)計(jì)要求是成功布線的重要一步。

元件的布局

       為最優(yōu)化裝配過(guò)程，可制造性設(shè)計(jì)(DFM)規(guī)則會(huì)對(duì)元件布局產(chǎn)生限制。如果裝配部門允許元件移動(dòng)，可以對(duì)電路適當(dāng)優(yōu)化，更便于自動(dòng)布線。所定義的規(guī)則和約束條件會(huì)影響布局設(shè)計(jì)。

       在布局時(shí)需考慮布線路徑(routing channel)和過(guò)孔區(qū)域，如圖1所示。這些路徑和區(qū)域?qū)υO(shè)計(jì)人員而言是顯而易見的，但自動(dòng)布線工具一次只會(huì)考慮一個(gè)信號(hào)，通過(guò)設(shè)置布線約束條件以及設(shè)定可布信號(hào)線的層，可以使布線工具能像設(shè)計(jì)師所設(shè)想的那樣完成布線。

扇出設(shè)計(jì)

       在扇出設(shè)計(jì)階段，要使自動(dòng)布線工具能對(duì)元件引腳進(jìn)行連接，表面貼裝器件的每一個(gè)引腳至少應(yīng)有一個(gè)過(guò)孔，以便在需要更多的連接時(shí)，電路板能夠進(jìn)行內(nèi)層連接、在線測(cè)試(ICT)和電路再處理。

       為了使自動(dòng)布線工具效率最高，一定要盡可能使用最大的過(guò)孔尺寸和印制線，間隔設(shè)置為50mil較為理想。要采用使布線路徑數(shù)最大的過(guò)孔類型。進(jìn)行扇出設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮到電路在線測(cè)試問題。測(cè)試夾具可能很昂貴，而且通常是在即將投入全面生產(chǎn)時(shí)才會(huì)訂購(gòu)，如果這時(shí)候才考慮添加節(jié)點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)100%可測(cè)試性就太晚了。

       經(jīng)過(guò)慎重考慮和預(yù)測(cè)，電路在線測(cè)試的設(shè)計(jì)可在設(shè)計(jì)初期進(jìn)行，在生產(chǎn)過(guò)程后期實(shí)現(xiàn)，根據(jù)布線路徑和電路在線測(cè)試來(lái)確定過(guò)孔扇出類型，電源和接地也會(huì)影響到布線和扇出設(shè)計(jì)。為降低濾波電容器連接線產(chǎn)生的感抗，過(guò)孔應(yīng)盡可能靠近表面貼裝器件的引腳，必要時(shí)可采用手動(dòng)布線，這可能會(huì)對(duì)原來(lái)設(shè)想的布線路徑產(chǎn)生影響，甚至可能會(huì)導(dǎo)致你重新考慮使用哪種過(guò)孔，因此必須考慮過(guò)孔和引腳感抗間的關(guān)系并設(shè)定過(guò)孔規(guī)格的優(yōu)先級(jí)。

手動(dòng)布線以及關(guān)鍵信號(hào)的處理
 

       盡管本文主要論述自動(dòng)布線問題，但手動(dòng)布線在現(xiàn)在和將來(lái)都是印刷電路板設(shè)計(jì)的一個(gè)重要過(guò)程。采用手動(dòng)布線有助于自動(dòng)布線工具完成布線工作。如圖2a和圖2b所示，通過(guò)對(duì)挑選出的網(wǎng)絡(luò)(net)進(jìn)行手動(dòng)布線并加以固定，可以形成自動(dòng)布線時(shí)可依據(jù)的路徑。

       無(wú)論關(guān)鍵信號(hào)的數(shù)量有多少，首先對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行布線，手動(dòng)布線或結(jié)合自動(dòng)布線工具均可。關(guān)鍵信號(hào)通常必須通過(guò)精心的電路設(shè)計(jì)才能達(dá)到期望的性能。布線完成后，再由有關(guān)的工程人員來(lái)對(duì)這些信號(hào)布線進(jìn)行檢查，這個(gè)過(guò)程相對(duì)容易得多。檢查通過(guò)后，將這些線固定，然后開始對(duì)其余信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)布線。

自動(dòng)布線

       對(duì)關(guān)鍵信號(hào)的布線需要考慮在布線時(shí)控制一些電參數(shù)，比如減小分布電感和EMC等，對(duì)于其它信號(hào)的布線也類似。所有的EDA廠商都會(huì)提供一種方法來(lái)控制這些參數(shù)。在了解自動(dòng)布線工具有哪些輸入?yún)?shù)以及輸入?yún)?shù)對(duì)布線的影響后，自動(dòng)布線的質(zhì)量在一定程度上可以得到保證。

       應(yīng)該采用通用規(guī)則來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)布線。通過(guò)設(shè)置限制條件和禁止布線區(qū)來(lái)限定給定信號(hào)所使用的層以及所用到的過(guò)孔數(shù)量，布線工具就能按照工程師的設(shè)計(jì)思想來(lái)自動(dòng)布線。如果對(duì)自動(dòng)布線工具所用的層和所布過(guò)孔的數(shù)量不加限制，自動(dòng)布線時(shí)將會(huì)使用到每一層，而且將會(huì)產(chǎn)生很多過(guò)孔。

       在設(shè)置好約束條件和應(yīng)用所創(chuàng)建的規(guī)則后，自動(dòng)布線將會(huì)達(dá)到與預(yù)期相近的結(jié)果，當(dāng)然可能還需要進(jìn)行一些整理工作，同時(shí)還需要確保其它信號(hào)和網(wǎng)絡(luò)布線的空間。在一部分設(shè)計(jì)完成以后，將其固定下來(lái)，以防止受到后邊布線過(guò)程的影響。

       采用相同的步驟對(duì)其余信號(hào)進(jìn)行布線。布線次數(shù)取決于電路的復(fù)雜性和你所定義的通用規(guī)則的多少。每完成一類信號(hào)后，其余網(wǎng)絡(luò)布線的約束條件就會(huì)減少。但隨之而來(lái)的是很多信號(hào)布線需要手動(dòng)干預(yù)。現(xiàn)在的自動(dòng)布線工具功能非常強(qiáng)大，通常可完成100%的布線。但是當(dāng)自動(dòng)布線工具未完成全部信號(hào)布線時(shí)，就需對(duì)余下的信號(hào)進(jìn)行手動(dòng)布線。

       自動(dòng)布線的設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括：1. 略微改變?cè)O(shè)置，試用多種路徑布線；2. 保持基本規(guī)則不變，試用不同的布線層、不同的印制線和間隔寬度以及不同線寬、不同類型的過(guò)孔如盲孔、埋孔等，觀察這些因素對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果有何影響；3．讓布線工具對(duì)那些默認(rèn)的網(wǎng)絡(luò)根據(jù)需要進(jìn)行處理；4.信號(hào)越不重要，自動(dòng)布線工具對(duì)其布線的自由度就越大。

布線的整理

       如果你所使用的EDA工具軟件能夠列出信號(hào)的布線長(zhǎng)度，檢查這些數(shù)據(jù)，你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一些約束條件很少的信號(hào)布線的長(zhǎng)度很長(zhǎng)。這個(gè)問題比較容易處理，通過(guò)手動(dòng)編輯可以縮短信號(hào)布線長(zhǎng)度和減少過(guò)孔數(shù)量。在整理過(guò)程中，你需要判斷出哪些布線合理，哪些布線不合理。同手動(dòng)布線設(shè)計(jì)一樣，自動(dòng)布線設(shè)計(jì)也能在檢查過(guò)程中進(jìn)行整理和編輯。

電路板的外觀

       以前的設(shè)計(jì)常常注意電路板的視覺效果，現(xiàn)在不一樣了。自動(dòng)設(shè)計(jì)的電路板不比手動(dòng)設(shè)計(jì)的美觀，但在電子特性上能滿足規(guī)定的要求，而且設(shè)計(jì)的完整性能得到保證。