高速PCB设计指南（十六）

第二篇实现PCB高效自动布线的设计技巧和要点

尽管现在的EDA工具很强大，但随着PCB尺寸要求越来越小，器件密度越来越高，PCB设计的难度并不小。如何实现PCB高的布通率以及缩短设计时间呢？本文介绍PCB规划、布局和布线的设计技巧和要点。现在PCB设计的时间越来越短，越来越小的电路板空间，越来越高的器件密度，极其苛刻的布局规则和大尺寸的元件使得设计师的工作更加困难。为了解决设计上的困难，加快产品的上市，现在很多厂家倾向于采用专用EDA工具来实现PCB的设计。但专用的EDA工具并不能产生理想的结果，也不能达到100%的布通率，而且很乱，通常还需花很多时间完成余下的工作。
现在市面上流行的EDA工具软件很多，但除了使用的术语和功能键的位置不一样外都大同小异，如何用这些工具更好地实现PCB的设计呢？在开始布线之前对设计进行认真的分析以及对工具软件进行认真的设置将使设计更加符合要求。下面是一般的设计过程和步骤。

1、确定PCB的层数
电路板尺寸和布线层数需要在设计初期确定。如果设计要求使用高密度球栅阵列(BGA)组件，就必须考虑这些器件布线所需要的最少布线层数。布线层的数量以及层叠(stack-up)方式会直接影响到印制线的布线和阻抗。板的大小有助于确定层叠方式和印制线宽度，实现期望的设计效果。
多年来，人们总是认为电路板层数越少成本就越低，但是影响电路板的制造成本还有许多其他因素。近几年来，多层板之间的成本差别已经大大减小。在开始设计时最好采用较多的电路层并使敷铜均匀分布，以避免在设计临近结束时才发现有少量信号不符合已定义的规则以及空间要求，从而被迫添加新层。在设计之前认真的规划将减少布线中很多的麻烦。

2、设计规则和限制
自动布线工具本身并不知道应该做些什么。为完成布线任务，布线工具需要在正确的规则和限制条件下工作。不同的信号线有不同的布线要求，要对所有特殊要求的信号线进行分类，不同的设计分类也不一样。每个信号类都应该有优先级，优先级越高，规则也越严格。规则涉及印制线宽度、过孔的最大数量、平行度、信号线之间的相互影响以及层的限制，这些规则对布线工具的性能有很大影响。认真考虑设计要求是成功布线的重要一步。

3、元件的布局
为最优化装配过程，可制造性设计(DFM)规则会对元件布局产生限制。如果装配部门允许元件移动，可以对电路适当优化，更便于自动布线。所定义的规则和约束条件会影响布局设计。
在布局时需考虑布线路径(routing channel)和过孔区域。

所示。这些路径和区域对设计人员而言是显而易见的，但自动布线工具一次只会考虑一个信号，通过设置布线约束条件以及设定可布信号线的层，可以使布线工具能像设计师所设想的那样完成布线。

4、扇出设计
    在扇出设计阶段，要使自动布线工具能对元件引脚进行连接，表面贴装器件的每一个引脚至少应有一个过孔，以便在需要更多的连接时，电路板能够进行内层连接、在线测试(ICT)和电路再处理。
    为了使自动布线工具效率最高，一定要尽可能使用最大的过孔尺寸和印制线，间隔设置为50mil较为理想。要采用使布线路径数最大的过孔类型。进行扇出设计时，要考虑到电路在线测试问题。测试夹具可能很昂贵，而且通常是在即将投入全面生产时才会订购，如果这时候才考虑添加节点以实现100%可测试性就太晚了。
    经过慎重考虑和预测，电路在线测试的设计可在设计初期进行，在生产过程后期实现，根据布线路径和电路在线测试来确定过孔扇出类型，电源和接地也会影响到布线和扇出设计。为降低滤波电容器连接线产生的感抗，过孔应尽可能靠近表面贴装器件的引脚，必要时可采用手动布线，这可能会对原来设想的布线路径产生影响，甚至可能会导致你重新考虑使用哪种过孔，因此必须考虑过孔和引脚感抗间的关系并设定过孔规格的优先级。

5、手动布线以及关键信号的处理
尽管本文主要论述自动布线问题，但手动布线在现在和将来都是印刷电路板设计的一个重要过程。采用手动布线有助于自动布线工具完成布线工作。如图2a和图2b所示，通过对挑选出的网络(net)进行手动布线并加以固定，可以形成自动布线时可依据的路径。
无论关键信号的数量有多少，首先对这些信号进行布线，手动布线或结合自动布线工具均可。关键信号通常必须通过精心的电路设计才能达到期望的性能。布线完成后，再由有关的工程人员来对这些信号布线进行检查，这个过程相对容易得多。检查通过后，将这些线固定，然后开始对其余信号进行自动布线。

6、自动布线
    对关键信号的布线需要考虑在布线时控制一些电参数，比如减小分布电感和EMC等，对于其它信号的布线也类似。所有的EDA厂商都会提供一种方法来控制这些参数。在了解自动布线工具有哪些输入参数以及输入参数对布线的影响后，自动布线的质量在一定程度上可以得到保证。
    应该采用通用规则来对信号进行自动布线。通过设置限制条件和禁止布线区来限定给定信号所使用的层以及所用到的过孔数量，布线工具就能按照工程师的设计思想来自动布线。如果对自动布线工具所用的层和所布过孔的数量不加限制，自动布线时将会使用到每一层，而且将会产生很多过孔。
    在设置好约束条件和应用所创建的规则后，自动布线将会达到与预期相近的结果，当然可能还需要进行一些整理工作，同时还需要确保其它信号和网络布线的空间。在一部分设计完成以后，将其固定下来，以防止受到后边布线过程的影响。
    采用相同的步骤对其余信号进行布线。布线次数取决于电路的复杂性和你所定义的通用规则的多少。每完成一类信号后，其余网络布线的约束条件就会减少。但随之而来的是很多信号布线需要手动干预。现在的自动布线工具功能非常强大，通常可完成100%的布线。但是当自动布线工具未完成全部信号布线时，就需对余下的信号进行手动布线。

7、自动布线的设计要点包括：
    7.1 略微改变设置，试用多种路径布线；
    7.2 保持基本规则不变，试用不同的布线层、不同的印制线和间隔宽度以及不同线宽、不同类型的过孔如盲孔、埋孔等，观察这些因素对设计结果有何影响；
    7.3让布线工具对那些默认的网络根据需要进行处理；
    7.4信号越不重要，自动布线工具对其布线的自由度就越大。

8、布线的整理
如果你所使用的EDA工具软件能够列出信号的布线长度，检查这些数据，你可能会发现一些约束条件很少的信号布线的长度很长。这个问题比较容易处理，通过手动编辑可以缩短信号布线长度和减少过孔数量。在整理过程中，你需要判断出哪些布线合理，哪些布线不合理。同手动布线设计一样，自动布线设计也能在检查过程中进行整理和编辑。

9、电路板的外观
以前的设计常常注意电路板的视觉效果，现在不一样了。自动设计的电路板不比手动设计的美观，但在电子特性上能满足规定的要求，而且设计的完整性能得到保证

第三篇布局布线技术的发展

摘要：随着微孔和单片高密度集成系统等新硬件技术的应用，自由角度布线、自动布局和3D布局布线等新型软件将会成为电路板设计人员必备的设计工具之一。
在早期的电路板设计工具中，布局有专门的布局软件，布线也有专门的布线软件，两者之间没什么联系。随着球栅阵列封装的高密度单芯片、高密度连接器、微孔内建技术以及3D板在印刷电路板设计中的应用，布局和布线已越来越一体化，并成为设计过程的重要组成部分。
自动布局和自由角度布线等软件技术已渐渐成为解决这类高度一体化问题的重要方法，利用此类软件能在规定时间范围内设计出可制造的电路板。在目前产品上市时间越来越短的情况下，手动布线极为耗时，不合时宜。因此，现在要求布局布线工具具有自动布线功能，以快速响应市场对产品设计提出的要求。

1、设计约束条件
由于要考虑电磁兼容(EMC)及电磁干扰、串扰、信号延迟和差分对布线等高密度设计因素，布局布线的约束条件每年都在增加。例如，在几年前，一般的电路板仅需6个差分对来进行布线，而现在则需600对。在一定时间内仅依赖手动布线来实现这600对布线是不可能的，因此自动布线工具必不可少。
尽管与几年前相比，当今设计中的节点(net)数目没有大的改变，只是硅片复杂性有所增加，但是设计中重要节点的比例大大增加了。当然，对于某些特别重要的节点，要求布局布线工具能够加以区分，但无需对每个管脚或节点都加以限制。

2、自由角度布线
    随着单片器件上集成的功能越来越多，其输出管脚数目也大大增加，但其封装尺寸并没随之扩大。因此，再加上管脚间距和阻抗因素的限制，这类器件必须采用更细的线宽。同时产品尺寸的总体减小也意味着用于布局布线的空间也大大减小了。在某些消费类产品中，底板的大小与其上器件大小相差无几，元件占据的板面积高达80%。
    某些高密度元件管脚交错，即使采用具45°布线功能的工具也无法进行自动布线。尽管45°布线工具能对某些恰成45°的线段进行完美的处理，但自由角度布线工具具有更大的灵活性，并能最大程度提高布线密度。
    拉紧(pull-tight)功能使每个节点在布线后自动缩短以适应空间要求，它能大大降低信号延迟，同时降低平行路径数，有助于避免串扰的产生。
    尽管自由角度设计具有可制造性，并且性能良好，但是这种设计会导致主板看起来不如以前的设计美观。主板设计在上市时间之后，就可能不再是一件艺术品了。

3、高密度器件
最新的高密度系统级芯片采用BGA或COB封装，管脚间距日益减小。球间距已低至1mm，并且还会继续降低，导致封装件信号线不可能采用传统布线工具来引出。目前有两种方法可解决这个问题：一是通过球下面的孔将信号线从下层引出；二是采用极细布线和自由角度布线在球栅阵列中找出一条引线通道。对这种高密度器件而言，采用宽度和空间极小的布线方式是唯一可行的，只有这样，才能保证较高的成品率。现代的布线技术也要求能自动地应用这些约束条件。
自由布线方法可减少布线层数，降低产品成本。同时也意味着在成本不变的情况下，可以增加一些接地层和电源层来提高信号完整性和EMC性能。

4、下一代电路板设计技术
    微孔等离子蚀刻技术在多层板，尤其是在蜂窝电话和家用电器中的应用大大改变了对布局布线工具的要求。采用等离子蚀刻法在路径宽度内添加一个新孔不会导致底板本身或制造成本的增加，因为对等离子蚀刻法而言，制作一千个孔的成本与制作一个孔的成本一样低廉(这与激光钻孔法大不一样)。这就要求布线工具具有更大的灵活性，它必须能够应用不同的约束条件，能适应不同的微孔和构建技术的要求。
    元件密度的不断增加也对布局设计产生了某些影响。布局布线工具总是假设板上有足够的空间让元件拾放机来拾放表面安装元件，而不会对板上已有元件产生影响。但是元件顺序放置会产生这样一个问题，即每当放置一个新元件后，板上每个元件的最佳位置都会发生改变。
    这就是布局设计过程自动化程度低而人工干预程度高的原因。尽管目前的布局工具对依次布局的元件数没什么限制，但是某些工程师认为布局工具用于依次布局时实际上是受到限制的，这个限制大约为500个元件。还有一些工程师认为当在一个板上放置的元件多达4,000个时，会产生很大问题。
    同顺序算法技术相比，并行布局技术能实现更好的自动布局效果。因此，当Zuken收购Incases公司后，Incases的并行布局技术使Zuken获益非浅。

5、三维布局
    3D工具针对目前应用日益广泛的异形和定形板进行布局布线。如 Zuken的Freedom最新工具采用三维底板模型来进行元件的空间布局，随后再进行二维布线。此过程也能告知：此板是否具备可制造性？
    将来，诸如在两个不同层上采用阴影差分对的设计方法将会变得日益重要，布线工具也必须能处理这种设计，而且信号速率也将会继续提高。
    目前也出现了将布局布线工具同用于虚拟原型的高级仿真工具集成起来的工具，如Zuken的Hot Stage工具，所以即使在虚拟原型时也能对布线问题进行考虑。
    现在，自动布线技术已极为普及。我们相信，自由角度布线、自动布局和3D布局等新型软件技术也会同自动布线技术一样成为底板设计人员的日常设计工具，设计人员可用这些新工具来解决微孔和单片高密度集成系统等新型硬件技术问题。

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