AD自動佈線經驗/注意點/技巧
阿新 • • 發佈：2018-12-25
儘管現在的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設計的難度並不小。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、佈局和佈線的設計技巧和要點。 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，極其苛刻的佈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，現在很多廠家傾向於採用專用EDA工具來實現PCB的設計。但專用的EDA工具並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餘下的工作。
現在市面上流行的EDA工具軟體很多，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？在開始佈線之前對設計進行認真的分析以及對工具軟體進行認真的設定將使設計更加符合要求。下面是一般的設計過程和步驟。
1、確定PCB的層數
電路板尺寸和佈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)元件，就必須考慮這些器件佈線所需要的最少佈線層數。佈線層的數量以及層疊(stack-up)方式會直接影響到印製線的佈線和阻抗。板的大小有助於確定層疊方式和印製線寬度，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，但是影響電路板的製造成本還有許多其它因素。近幾年來，多層板之間的成本差別已經大大減小。在開始設計時最好採用較多的電路層並使敷銅均勻分佈，以避免在設計臨近結束時才發現有少量訊號不符合已定義的規則以及空間要求，從而被迫新增新層。在設計之前認真的規劃將減少佈線中很多的麻煩。
2、設計規則和限制
自動佈線工具本身並不知道應該做些什么。為完成佈線任務，佈線工具需要在正確的規則和限制條件下工作。不同的訊號線有不同的佈線要求，要對所有特殊要求的訊號線進行分類，不同的設計分類也不一樣。每個訊號類都應該有優先順序，優先順序越高，規則也越嚴格。規則涉及印製線寬度、過孔的最大數量、平行度、訊號線之間的相互影響以及層的限制，這些規則對佈線工具的效能有很大影響。認真考慮設計要求是成功布線的重要一步。
3、元件的佈局
為最優化裝配過程，可製造性設計(DFM)規則會對元件佈局產生限制。如果裝配部門允許元件移動，可以對電路適當優化，更便於自動佈線。所定義的規則和約束條件會影響佈局設計。
在佈局時需考慮佈線路徑(routing channel)和過孔區域。這些路徑和區域對設計人員而言是顯而易見的，但自動佈線工具一次只會考慮一個訊號，通過設定佈線約束條件以及設定可布訊號線的層，可以使佈線工具能像設計師所設想的那樣完成佈線。
4、扇出設計
在扇出設計階段，要使自動佈線工具能對元件引腳進行連線，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線時，電路板能夠進行內層連線、線上測試(ICT)和電路再處理。
為了使自動佈線工具效率最高，一定要儘可能使用最大的過孔尺寸和印製線，間隔設定為50mil較為理想。要採用使佈線路徑數最大的過孔型別。進行扇出設計時，要考慮到電路線上測試問題。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，如果這時候才考慮新增節點以實現100%可測試性就太晚了。
經過慎重考慮和預測，電路線上測試的設計可在設計初期進行，在生產過程後期實現，根據佈線路徑和電路線上測試來確定過孔扇出型別，電源和接地也會影響到佈線和扇出設計。為降低濾波電容器連線線產生的感抗，過孔應儘可能靠近表面貼裝器件的引腳，必要時可採用手動佈線，這可能會對原來設想的佈線路徑產生影響，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係並設定過孔規格的優先順序。
5、手動佈線以及關鍵訊號的處理
儘管本文主要論述自動佈線問題，但手動佈線在現在和將來都是印刷電路板設計的一個重要過程。採用手動佈線有助於自動佈線工具完成佈線工作。如圖2a和圖2b所示，通過對挑選出的網路(net)進行手動佈線並加以固定，可以形成自動佈線時可依據的路徑。
無論關鍵訊號的數量有多少，首先對這些訊號進行佈線，手動佈線或結合自動佈線工具均可。關鍵訊號通常必須通過精心的電路設計才能達到期望的效能。佈線完成後，再由有關的工程人員來對這些訊號佈線進行檢查，這個過程相對容易得多。檢查通過後，將這些線固定，然後開始對其餘訊號進行自動佈線。
6、自動佈線
對關鍵訊號的佈線需要考慮在佈線時控制一些電引數，比如減小分佈電感和EMC等，對於其它訊號的佈線也類似。所有的EDA廠商都會提供一種方法來控制這些引數。在瞭解自動佈線工具有哪些輸入引數以及輸入引數對佈線的影響後，自動佈線的質量在一定程度上可以得到保證。
應該採用通用規則來對訊號進行自動佈線。通過設定限制條件和禁止佈線區來限定給定訊號所使用的層以及所用到的過孔數量，佈線工具就能按照工程師的設計思想來自動佈線。如果對自動佈線工具所用的層和所布過孔的數量不加限制，自動佈線時將會使用到每一層，而且將會產生很多過孔。
在設定好約束條件和應用所建立的規則後，自動佈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訊號和網路佈線的空間。在一部分設計完成以後，將其固定下來，以防止受到後邊佈線過程的影響。
採用相同的步驟對其餘訊號進行佈線。佈線次數取決於電路的複雜性和你所定義的通用規則的多少。每完成一類訊號後，其餘網路佈線的約束條件就會減少。但隨之而來的是很多訊號佈線需要手動干預。現在的自動佈線工具功能非常強大，通常可完成100%的佈線。但是當自動佈線工具未完成全部訊號佈線時，就需對餘下的訊號進行手動佈線。
7、自動佈線的設計要點包括:
7.1 略微改變設定，試用多種路徑佈線；
7.2 保持基本規則不變，試用不同的佈線層、不同的印製線和間隔寬度以及不同線寬、不同型別的過孔如盲孔、埋孔等，觀察這些因素對設計結果有何影響；
7.3讓佈線工具對那些預設的網路根據需要進行處理；
7.4訊號越不重要，自動佈線工具對其佈線的自由度就越大。
8、佈線的整理
如果你所使用的EDA工具軟體能夠列出訊號的佈線長度，檢查這些資料，你可能會發現一些約束條件很少的訊號佈線的長度很長。這個問題比較容易處理，通過手動編輯可以縮簡訊號佈線長度和減少過孔數量。在整理過程中，你需要判斷出哪些佈線合理，哪些佈線不合理。同手動佈線設計一樣，自動佈線設計也能在檢查過程中進行整理和編輯。
9、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，而且設計的完整效能得到保證。
現在市面上流行的EDA工具軟體很多，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？在開始佈線之前對設計進行認真的分析以及對工具軟體進行認真的設定將使設計更加符合要求。下面是一般的設計過程和步驟。
1、確定PCB的層數
電路板尺寸和佈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)元件，就必須考慮這些器件佈線所需要的最少佈線層數。佈線層的數量以及層疊(stack-up)方式會直接影響到印製線的佈線和阻抗。板的大小有助於確定層疊方式和印製線寬度，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，但是影響電路板的製造成本還有許多其它因素。近幾年來，多層板之間的成本差別已經大大減小。在開始設計時最好採用較多的電路層並使敷銅均勻分佈，以避免在設計臨近結束時才發現有少量訊號不符合已定義的規則以及空間要求，從而被迫新增新層。在設計之前認真的規劃將減少佈線中很多的麻煩。
2、設計規則和限制
自動佈線工具本身並不知道應該做些什么。為完成佈線任務，佈線工具需要在正確的規則和限制條件下工作。不同的訊號線有不同的佈線要求，要對所有特殊要求的訊號線進行分類，不同的設計分類也不一樣。每個訊號類都應該有優先順序，優先順序越高，規則也越嚴格。規則涉及印製線寬度、過孔的最大數量、平行度、訊號線之間的相互影響以及層的限制，這些規則對佈線工具的效能有很大影響。認真考慮設計要求是成功布線的重要一步。
3、元件的佈局
為最優化裝配過程，可製造性設計(DFM)規則會對元件佈局產生限制。如果裝配部門允許元件移動，可以對電路適當優化，更便於自動佈線。所定義的規則和約束條件會影響佈局設計。
在佈局時需考慮佈線路徑(routing channel)和過孔區域。這些路徑和區域對設計人員而言是顯而易見的，但自動佈線工具一次只會考慮一個訊號，通過設定佈線約束條件以及設定可布訊號線的層，可以使佈線工具能像設計師所設想的那樣完成佈線。
4、扇出設計
在扇出設計階段，要使自動佈線工具能對元件引腳進行連線，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線時，電路板能夠進行內層連線、線上測試(ICT)和電路再處理。
為了使自動佈線工具效率最高，一定要儘可能使用最大的過孔尺寸和印製線，間隔設定為50mil較為理想。要採用使佈線路徑數最大的過孔型別。進行扇出設計時，要考慮到電路線上測試問題。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，如果這時候才考慮新增節點以實現100%可測試性就太晚了。
經過慎重考慮和預測，電路線上測試的設計可在設計初期進行，在生產過程後期實現，根據佈線路徑和電路線上測試來確定過孔扇出型別，電源和接地也會影響到佈線和扇出設計。為降低濾波電容器連線線產生的感抗，過孔應儘可能靠近表面貼裝器件的引腳，必要時可採用手動佈線，這可能會對原來設想的佈線路徑產生影響，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係並設定過孔規格的優先順序。
5、手動佈線以及關鍵訊號的處理
儘管本文主要論述自動佈線問題，但手動佈線在現在和將來都是印刷電路板設計的一個重要過程。採用手動佈線有助於自動佈線工具完成佈線工作。如圖2a和圖2b所示，通過對挑選出的網路(net)進行手動佈線並加以固定，可以形成自動佈線時可依據的路徑。
無論關鍵訊號的數量有多少，首先對這些訊號進行佈線，手動佈線或結合自動佈線工具均可。關鍵訊號通常必須通過精心的電路設計才能達到期望的效能。佈線完成後，再由有關的工程人員來對這些訊號佈線進行檢查，這個過程相對容易得多。檢查通過後，將這些線固定，然後開始對其餘訊號進行自動佈線。
6、自動佈線
對關鍵訊號的佈線需要考慮在佈線時控制一些電引數，比如減小分佈電感和EMC等，對於其它訊號的佈線也類似。所有的EDA廠商都會提供一種方法來控制這些引數。在瞭解自動佈線工具有哪些輸入引數以及輸入引數對佈線的影響後，自動佈線的質量在一定程度上可以得到保證。
應該採用通用規則來對訊號進行自動佈線。通過設定限制條件和禁止佈線區來限定給定訊號所使用的層以及所用到的過孔數量，佈線工具就能按照工程師的設計思想來自動佈線。如果對自動佈線工具所用的層和所布過孔的數量不加限制，自動佈線時將會使用到每一層，而且將會產生很多過孔。
在設定好約束條件和應用所建立的規則後，自動佈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訊號和網路佈線的空間。在一部分設計完成以後，將其固定下來，以防止受到後邊佈線過程的影響。
採用相同的步驟對其餘訊號進行佈線。佈線次數取決於電路的複雜性和你所定義的通用規則的多少。每完成一類訊號後，其餘網路佈線的約束條件就會減少。但隨之而來的是很多訊號佈線需要手動干預。現在的自動佈線工具功能非常強大，通常可完成100%的佈線。但是當自動佈線工具未完成全部訊號佈線時，就需對餘下的訊號進行手動佈線。
7、自動佈線的設計要點包括:
7.1 略微改變設定，試用多種路徑佈線；
7.2 保持基本規則不變，試用不同的佈線層、不同的印製線和間隔寬度以及不同線寬、不同型別的過孔如盲孔、埋孔等，觀察這些因素對設計結果有何影響；
7.3讓佈線工具對那些預設的網路根據需要進行處理；
7.4訊號越不重要，自動佈線工具對其佈線的自由度就越大。
8、佈線的整理
如果你所使用的EDA工具軟體能夠列出訊號的佈線長度，檢查這些資料，你可能會發現一些約束條件很少的訊號佈線的長度很長。這個問題比較容易處理，通過手動編輯可以縮簡訊號佈線長度和減少過孔數量。在整理過程中，你需要判斷出哪些佈線合理，哪些佈線不合理。同手動佈線設計一樣，自動佈線設計也能在檢查過程中進行整理和編輯。
9、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，而且設計的完整效能得到保證。