PCB科技 - 如何實現PCB高效自動佈線的設計技巧和關鍵點

雖然現時的EDA工具非常强大，但隨著PCB尺寸要求越來越小，器件密度越來越高，PCB設計的難度也不小。 如何實現高PCB佈局率並縮短設計時間？ 本文介紹了PCB規劃、佈局和佈線的設計技巧和要點。

現在PCB設計時間越來越短，電路板空間越來越小，器件密度越來越高，極其苛刻的佈局規則和大尺寸元件使設計人員的工作變得更加困難。 為了解决設計難題，加快產品的推出，現在許多製造商傾向於使用專用的EDA工具來實現PCB設計。 然而，專用的EDA工具無法產生理想的結果，也無法實現100%的部署率，而且非常混亂。 完成剩下的工作通常需要很多時間。

市場上有許多流行的EDA工具軟體，但除了使用的術語和功能鍵的位置外，它們都是一樣的。 如何使用這些工具更好地實現PCB設計？ 在開始佈線之前，仔細分析設計和仔細設定工具軟體將使設計更符合要求。 以下是總體設計過程和步驟。

確定PCB的層數

電路板的尺寸和佈線層數需要在設計的初始階段確定。 如果設計需要使用高密度球栅陣列（BGA）元件，則必須考慮為這些器件佈線所需的最小佈線層數。 佈線層數和堆疊方法將直接影響印刷線路的佈線和阻抗。 電路板的尺寸有助於確定堆疊方法和印刷線的寬度，以實現所需的設計效果。

多年來，人們一直認為電路板的層數越低，成本越低，但還有許多其他因素影響電路板的製造成本。 近年來，多層板之間的成本差异大大减小。 最好在設計開始時使用更多的電路層並均勻分佈銅，以避免在設計結束前發現少量訊號不符合定義的規則和空間要求，從而被迫添加新的層。 在設計之前仔細規劃將减少佈線中的許多麻煩。

設計規則和限制

自動佈線工具本身不知道該做什麼。為了完成佈線任務，佈線工具需要在正確的規則和限制下工作。 不同的訊號線有不同的佈線要求。 所有有特殊要求的訊號線必須分類。 不同的設計分類是不同的。 每個訊號類別都應該有一個優先順序，優先順序越高，規則就越嚴格。 這些規則涉及印刷線的寬度、通孔的最大數量、平行度、訊號線之間的相互影響以及層數的限制。 這些規則對佈線工具的效能有很大的影響。 仔細考慮設計要求是成功佈線的重要一步。

組件佈局

為了優化裝配過程，可製造性設計（DFM）規則對組件佈局施加了限制。 如果裝配部門允許組件移動，則可以適當地優化電路，這更便於自動佈線。定義的規則和約束將影響佈局設計。

佈局時需要考慮佈線通道和過孔面積。 這些路徑和區域對設計者來說是顯而易見的，但自動佈線工具一次只考慮一個訊號。 通過設定佈線約束和佈局，訊號線的層允許佈線工具按照設計者的設想完成佈線。

扇出設計

在扇出設計階段，為了使自動佈線工具能够連接元件引脚，表面貼裝器件的每個引脚都應該至少有一個通孔，這樣當需要更多連接時，電路板可以內部分層連接、線上測試（ICT）和電路再處理。

為了最大限度地提高自動佈線工具的效率，必須盡可能使用最大的通孔尺寸和印刷線，理想的間隔設定為50mil。 使用最大化路由路徑數量的過孔類型。 在進行扇出設計時，有必要考慮電路線上測試的問題。 測試夾具可能很昂貴，通常在即將全面生產時訂購。 如果只考慮添加節點以實現100%的可測試性，那就太晚了。

經過仔細考慮和預測，電路線上測試的設計可以在設計的早期階段進行，並在生產過程的後期實現。 通孔扇出的類型根據佈線路徑和電路線上測試確定。 電源和接地也會影響接線和扇出設計。 為了减少濾波電容器連接線產生的電感性電抗，通孔應盡可能靠近表面貼裝器件的引脚，必要時可以使用手動佈線。 這可能會影響最初設想的佈線路徑，甚至可能導致您重新考慮使用哪種類型的通孔，囙此必須考慮通孔和引脚電感之間的關係，並設定通孔規格的優先順序。

關鍵訊號的人工路由和處理

雖然本文主要討論自動佈線，但手動佈線是現在和未來印刷電路板設計的重要過程。 使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，通過手動佈線選定的網絡並固定它們，可以形成自動佈線過程中可以遵循的路徑。

無論關鍵訊號的數量多少，這些訊號都應首先手動或與自動路由工具結合路由。 關鍵訊號通常必須經過仔細的電路設計才能達到所需的效能。 接線完成後，相關工程人員將檢查訊號接線。這個過程相對容易。 檢查合格後，固定這些線路，然後開始自動路由剩餘的訊號。

電路板的外觀

以前的設計往往注重電路板的視覺效果，但現在不同了。 自動設計的電路板不如手動設計美觀，但電子特性可以滿足規定的要求，設計的完整效能得到保證。

自動佈線

關鍵訊號的佈線需要考慮在佈線過程中控制一些電力參數，如降低分佈電感和EMC等。 其他訊號的接線類似。 所有EDA供應商都將提供控制這些參數的方法。 在瞭解了自動佈線工具的輸入參數及其對佈線的影響後，可以在一定程度上保證自動佈線的質量。

訊號自動路由應使用一般規則。 通過設定限制和禁止佈線區域來限制給定訊號使用的層和使用的通孔數量，佈線工具可以根據工程師的設計思想自動佈線。 如果自動佈線工具使用的層數和通孔數量不受限制，則在自動佈線過程中將使用每一層，並生成許多通孔。

在設定約束並應用創建的規則後，自動路由將達到與預期類似的結果。 當然，可能需要一些分揀工作，並需要確保其他訊號和網路佈線的空間。 在完成部分設計後，將其固定，以防止其受到後續佈線過程的影響。

使用相同的步驟路由其餘訊號。 佈線的數量取決於電路的複雜性和您定義的一般規則的數量。 每種類型的訊號完成後，剩餘網路佈線的約束將减少。 但隨之而來的是大量需要人工干預的訊號接線。 今天的自動佈線工具非常强大，通常可以完成100%的佈線。但是，當自動佈線工具沒有完成所有訊號佈線時，其餘的訊號需要手動佈線。

自動佈線的設計要點包括：

1.稍微改變設定，嘗試各種線路佈線；

2.保持基本規則不變，嘗試不同的佈線層、不同的印刷線和間距寬度、不同的線寬和不同類型的過孔，如盲孔、埋孔等，並觀察這些因素如何影響設計結果；

3.讓佈線工具根據需要處理這些默認網絡；

4.訊號越不重要，自動佈線工具的佈線自由度就越大。

接線佈置

如果您使用的EDA工具軟體可以列出訊號的佈線長度，檢查這些數據，您可能會發現一些約束較少的訊號佈線長度很長。 這個問題相對容易處理，通過手動編輯可以縮短訊號佈線長度並减少通孔數量。 在精加工過程中，您需要確定哪些接線是合理的，哪些接線是不合理的。 與手動佈線設計一樣，自動佈線設計也可以在檢查過程中進行分類和編輯。