實現PCB高效自動布線的設計技巧和要點

       盡管現在的EDA工具很強大，但隨著PCB尺寸要求越來越小，器件密度越來越高，PCB設計的難度并不小。如何實現PCB高的布通率以及縮短設計時間呢？本文介紹PCB規劃、布局和布線的設計技巧和要點。

Tom Stout
高級設計工程師
PCB優化設計協會

Jean Cortjens-Stout
高級PCB設計師
Colorgraphic Communications公司

       現在PCB設計的時間越來越短，越來越小的電路板空間，越來越高的器件密度，極其苛刻的布局規則和大尺寸的元件使得設計師的工作更加困難。為了解決設計上的困難，加快產品的上市，現在很多廠家傾向于采用專用EDA工具來實現PCB的設計。但專用的EDA工具并不能產生理想的結果，也不能達到100%的布通率，而且很亂，通常還需花很多時間完成余下的工作。

       現在市面上流行的EDA工具軟件很多，但除了使用的術語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現PCB的設計呢？在開始布線之前對設計進行認真的分析以及對工具軟件進行認真的設置將使設計更加符合要求。下面是一般的設計過程和步驟。

確定PCB的層數

       電路板尺寸和布線層數需要在設計初期確定。如果設計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。布線層的數量以及層疊(stack-up)方式會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，實現期望的設計效果。

       多年來，人們總是認為電路板層數越少成本就越低，但是影響電路板的制造成本還有許多其他因素。近幾年來，多層板之間的成本差別已經大大減小。在開始設計時最好采用較多的電路層并使敷銅均勻分布，以避免在設計臨近結束時才發現有少量信號不符合已定義的規則以及空間要求，從而被迫添加新層。在設計之前認真的規劃將減少布線中很多的麻煩。

設計規則和限制

       自動布線工具本身并不知道應該做些什么。為完成布線任務，布線工具需要在正確的規則和限制條件下工作。不同的信號線有不同的布線要求，要對所有特殊要求的信號線進行分類，不同的設計分類也不一樣。每個信號類都應該有優先級，優先級越高，規則也越嚴格。規則涉及印制線寬度、過孔的最大數量、平行度、信號線之間的相互影響以及層的限制，這些規則對布線工具的性能有很大影響。認真考慮設計要求是成功布線的重要一步。

元件的布局

       為最優化裝配過程，可制造性設計(DFM)規則會對元件布局產生限制。如果裝配部門允許元件移動，可以對電路適當優化，更便于自動布線。所定義的規則和約束條件會影響布局設計。

       在布局時需考慮布線路徑(routing channel)和過孔區域，如圖1所示。這些路徑和區域對設計人員而言是顯而易見的，但自動布線工具一次只會考慮一個信號，通過設置布線約束條件以及設定可布信號線的層，可以使布線工具能像設計師所設想的那樣完成布線。

扇出設計

       在扇出設計階段，要使自動布線工具能對元件引腳進行連接，表面貼裝器件的每一個引腳至少應有一個過孔，以便在需要更多的連接時，電路板能夠進行內層連接、在線測試(ICT)和電路再處理。

       為了使自動布線工具效率最高，一定要盡可能使用最大的過孔尺寸和印制線，間隔設置為50mil較為理想。要采用使布線路徑數最大的過孔類型。進行扇出設計時，要考慮到電路在線測試問題。測試夾具可能很昂貴，而且通常是在即將投入全面生產時才會訂購，如果這時候才考慮添加節點以實現100%可測試性就太晚了。

       經過慎重考慮和預測，電路在線測試的設計可在設計初期進行，在生產過程后期實現，根據布線路徑和電路在線測試來確定過孔扇出類型，電源和接地也會影響到布線和扇出設計。為降低濾波電容器連接線產生的感抗，過孔應盡可能靠近表面貼裝器件的引腳，必要時可采用手動布線，這可能會對原來設想的布線路徑產生影響，甚至可能會導致你重新考慮使用哪種過孔，因此必須考慮過孔和引腳感抗間的關系并設定過孔規格的優先級。

手動布線以及關鍵信號的處理
 

       盡管本文主要論述自動布線問題，但手動布線在現在和將來都是印刷電路板設計的一個重要過程。采用手動布線有助于自動布線工具完成布線工作。如圖2a和圖2b所示，通過對挑選出的網絡(net)進行手動布線并加以固定，可以形成自動布線時可依據的路徑。

       無論關鍵信號的數量有多少，首先對這些信號進行布線，手動布線或結合自動布線工具均可。關鍵信號通常必須通過精心的電路設計才能達到期望的性能。布線完成后，再由有關的工程人員來對這些信號布線進行檢查，這個過程相對容易得多。檢查通過后，將這些線固定，然后開始對其余信號進行自動布線。

自動布線

       對關鍵信號的布線需要考慮在布線時控制一些電參數，比如減小分布電感和EMC等，對于其它信號的布線也類似。所有的EDA廠商都會提供一種方法來控制這些參數。在了解自動布線工具有哪些輸入參數以及輸入參數對布線的影響后，自動布線的質量在一定程度上可以得到保證。

       應該采用通用規則來對信號進行自動布線。通過設置限制條件和禁止布線區來限定給定信號所使用的層以及所用到的過孔數量，布線工具就能按照工程師的設計思想來自動布線。如果對自動布線工具所用的層和所布過孔的數量不加限制，自動布線時將會使用到每一層，而且將會產生很多過孔。

       在設置好約束條件和應用所創建的規則后，自動布線將會達到與預期相近的結果，當然可能還需要進行一些整理工作，同時還需要確保其它信號和網絡布線的空間。在一部分設計完成以后，將其固定下來，以防止受到后邊布線過程的影響。

       采用相同的步驟對其余信號進行布線。布線次數取決于電路的復雜性和你所定義的通用規則的多少。每完成一類信號后，其余網絡布線的約束條件就會減少。但隨之而來的是很多信號布線需要手動干預。現在的自動布線工具功能非常強大，通常可完成100%的布線。但是當自動布線工具未完成全部信號布線時，就需對余下的信號進行手動布線。

       自動布線的設計要點包括：1. 略微改變設置，試用多種路徑布線；2. 保持基本規則不變，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、不同類型的過孔如盲孔、埋孔等，觀察這些因素對設計結果有何影響；3．讓布線工具對那些默認的網絡根據需要進行處理；4.信號越不重要，自動布線工具對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的布線長度，檢查這些數據，你可能會發現一些約束條件很少的信號布線的長度很長。這個問題比較容易處理，通過手動編輯可以縮短信號布線長度和減少過孔數量。在整理過程中，你需要判斷出哪些布線合理，哪些布線不合理。同手動布線設計一樣，自動布線設計也能在檢查過程中進行整理和編輯。

電路板的外觀

       以前的設計常常注意電路板的視覺效果，現在不一樣了。自動設計的電路板不比手動設計的美觀，但在電子特性上能滿足規定的要求，而且設計的完整性能得到保證。