PCB規(guī)劃、布局和布線的設(shè)計技巧和要點

   盡管現(xiàn)在的EDA工具很強(qiáng)大，但隨著PCB尺寸要求越來越小，器件密度越來越高，PCB設(shè)計的難度并不小。如何實現(xiàn)PCB高的布通率以及縮短設(shè)計時間呢?本文介紹PCB規(guī)劃、布局和布線的設(shè)計技巧和要點?，F(xiàn)在PCB設(shè)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(guī)則和大尺寸的組件使得設(shè)計師的工作更加困難。為了解決設(shè)計上的困難，加快產(chǎn)品的上市，現(xiàn)在很多廠家傾向于采用專用EDA工具來實現(xiàn)PCB的設(shè)計。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(xiàn)PCB的設(shè)計呢?在開始布線之前對設(shè)計進(jìn)行認(rèn)真的分析以及對工具軟件進(jìn)行認(rèn)真的設(shè)置將使設(shè)計更加符合要求。下面是一般的設(shè)計過程和步驟。

    1、確定PCB的層數(shù)

    電路板尺寸和布線層數(shù)需要在設(shè)計初期確定。如果設(shè)計要求使用高密度球柵數(shù)組(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(xiàn)期望的設(shè)計效果。

    多年來，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它因素。近幾年來，多層板之間的成本差別已經(jīng)大大減小。在開始設(shè)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(shè)計臨近結(jié)束時才發(fā)現(xiàn)有少量信號不符合已定義的規(guī)則以及空間要求，從而被迫添加新層。在設(shè)計之前認(rèn)真的規(guī)劃將減少布線中很多的麻煩。

    2、設(shè)計規(guī)則和限制

    自動布線工具本身并不知道應(yīng)該做些什幺。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。不同的信號線有不同的布線要求，要對所有特殊要求的信號線進(jìn)行分類，不同的設(shè)計分類也不一樣。每個信號類都應(yīng)該有優(yōu)先級，優(yōu)先級越高，規(guī)則也越嚴(yán)格。規(guī)則涉及印制線寬度、過孔的最大數(shù)量、平行度、信號線之間的相互影響以及層的限制，這些規(guī)則對布線工具的性能有很大影響。認(rèn)真考慮設(shè)計要求是成功布線的重要一步。

    3、組件的布局

    為最優(yōu)化裝配過程，可制造性設(shè)計(DFM)規(guī)則會對組件布局產(chǎn)生限制。如果裝配部門允許組件移動，可以對電路適當(dāng)優(yōu)化，更便于自動布線。所定義的規(guī)則和約束條件會影響布局設(shè)計。

    在布局時需考慮布線路徑(routing channel)和過孔區(qū)域。這些路徑和區(qū)域?qū)υO(shè)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(shè)置布線約束條件以及設(shè)定可布信號線的層，可以使布線工具能像設(shè)計師所設(shè)想的那樣完成布線。

    4、扇出設(shè)計

    在扇出設(shè)計階段，要使自動布線工具能對組件引腳進(jìn)行連接，表面貼裝器件的每一個引腳至少應(yīng)有一個過孔，以便在需要更多的連接時，電路板能夠進(jìn)行內(nèi)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(shè)置為50mil較為理想。要采用使布線路徑數(shù)最大的過孔類型。進(jìn)行扇出設(shè)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(chǎn)時才會訂購，如果這時候才考慮添加節(jié)點以實現(xiàn)100%可測試性就太晚了。

    經(jīng)過慎重考慮和預(yù)測，電路在線測試的設(shè)計可在設(shè)計初期進(jìn)行，在生產(chǎn)過程后期實現(xiàn)，根據(jù)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(shè)計。為降低濾波電容器連接線產(chǎn)生的感抗，過孔應(yīng)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(shè)想的布線路徑產(chǎn)生影響，甚至可能會導(dǎo)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(guān)系并設(shè)定過孔規(guī)格的優(yōu)先級。

    5、手動布線以及關(guān)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(xiàn)在和將來都是印刷電路板設(shè)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。通過對挑選出的網(wǎng)絡(luò)(net)進(jìn)行手動布線并加以固定，可以形成自動布線時可依據(jù)的路徑。

    無論關(guān)鍵信號的數(shù)量有多少，首先對這些信號進(jìn)行布線，手動布線或結(jié)合自動布線工具均可。關(guān)鍵信號通常必須通過精心的電路設(shè)計才能達(dá)到期望的性能。布線完成后，再由有關(guān)的工程人員來對這些信號布線進(jìn)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(jìn)行自動布線。

    6、自動布線

    對關(guān)鍵信號的布線需要考慮在布線時控制一些電參數(shù)，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(shù)。在了解自動布線工具有哪些輸入?yún)?shù)以及輸入?yún)?shù)對布線的影響后，自動布線的質(zhì)量在一定程度上可以得到保證。

    應(yīng)該采用通用規(guī)則來對信號進(jìn)行自動布線。通過設(shè)置限制條件和禁止布線區(qū)來限定給定信號所使用的層以及所用到的過孔數(shù)量，布線工具就能按照工程師的設(shè)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(shù)量不加限制，自動布線時將會使用到每一層，而且將會產(chǎn)生很多過孔。

    在設(shè)置好約束條件和應(yīng)用所創(chuàng)建的規(guī)則后，自動布線將會達(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，同時還需要確保其它信號和網(wǎng)絡(luò)布線的空間。在一部分設(shè)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(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。每完成一類信號后，其余網(wǎng)絡(luò)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(yù)?，F(xiàn)在的自動布線工具功能非常強(qiáng)大，通?？赏瓿?00%的布線。但是當(dāng)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(jìn)行手動布線。

    7、自動布線的設(shè)計要點包括:

    7.1 略微改變設(shè)置，試用多種路徑布線;

    7.2 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、不同類型的過孔如盲孔、埋孔等，觀察這些因素對設(shè)計結(jié)果有何影響;

    7.3讓布線工具對那些默認(rèn)的網(wǎng)絡(luò)根據(jù)需要進(jìn)行處理;

    7.4信號越不重要，自動布線工具對其布線的自由度就越大。

    8、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(shù)據(jù)，你可能會發(fā)現(xiàn)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(shù)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(shè)計一樣，自動布線設(shè)計也能在檢查過程中進(jìn)行整理和編輯。

    9、電路板的外觀

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