Come ottenere il routing automatico PCB in modo efficiente

In questo articolo verranno analizzati i criteri progettuali per un corretto design dei PCB. Al giorno d'oggi, infatti, i circuiti operano a livelli elevati di velocità, per cui un'attenta progettazione dei PCB è fondamentale per poter ottenere  il giusto compromesso tra costi di produzione, livelli di affidabilità, corretta trasmissione del segnale ed elevate prestazioni, anche in quei contesti nei quali la complessità del design rende più critica la fase di prototipazione. 

1. Determinare il numero di layer del PCB

Le dimensioni della scheda e il numero di layer di instradamento devono essere determinati nella fase iniziale del processo di progettazione. Se il progetto richiede l'utilizzo di componenti BGA (Ball Grid Array) ad alta densità, è necessario considerare il numero minimo di layer di instradamento richiesti per il routing di questi dispositivi. Il numero di layer di instradamento e il metodo di impilamento influiscono direttamente sull'instradamento e sull'impedenza del routing stampato. Le dimensioni della scheda aiutano a determinare l'impilamento e la larghezza della linea per ottenere il design desiderato.
Per molti anni, le persone hanno sempre pensato che più basso è il numero di layer della scheda, minore è il costo, ma ci sono molti altri fattori che influenzano il costo di fabbricazione di una scheda. Negli ultimi anni, infatti, la differenza di costo tra le schede multilayer si è notevolmente ridotta. All'inizio del progetto, è meglio utilizzare più layer di circuito e distribuire uniformemente il rame per evitare un piccolo numero di segnali che non soddisfano le regole definite e i requisiti di spazio alla fine del progetto, e quindi si è costretti ad aggiungere nuovi strati. Un'attenta pianificazione prima della progettazione ridurrà molti problemi di instradamento.

2. Regole di progettazione e restrizioni

Lo strumento di routing automatico non sa cosa fare. Per completare l'attività di instradamento, lo strumento di routing deve funzionare secondo le regole e i vincoli corretti. Linee di segnale diverse hanno requisiti di instradamento differenti e tutte le linee di segnale speciali richieste sono classificate, e le diverse classificazioni di progettazione sono differenti. Ciascuna classe di segnale dovrebbe avere una priorità. Maggiore è la priorità, più rigorose sono le regole. Le regole riguardano l'ampiezza della traccia, il numero massimo di vias, il parallelismo, l'interazione tra le linee del segnale e le limitazioni dei layer, che hanno un grande impatto sulle prestazioni dello strumento di instradamento. Un'attenta considerazione dei requisiti progettuali è un passo importante per un routing di successo.

3. Il layout dei componenti

Per ottimizzare il processo di assemblaggio, le regole del "design for manufacturability" (DFM) impongono restrizioni al layout dei componenti. Se il reparto assemblaggio consente ai componenti di spostarsi, il circuito può essere ottimizzato correttamente per un routing automatico più semplice. Le regole e i vincoli definiti influiscono sulla progettazione del layout.
I canali di instradamento e le aree dei vias dovrebbero essere considerati al momento del layout. Questi percorsi e aree sono evidenti per il progettista, ma lo strumento di routing automatico considera solo un segnale alla volta. Impostando i vincoli di instradamento ed i livelli delle linee di segnale, gli strumenti di routing possono completare l'instradamento immaginato dal progettista.

4. Progettazione fan-out

Nella fase di progettazione fan-out, affinché lo strumento di routing automatico colleghi i pin dei componenti, ciascun pin del dispositivo di montaggio superficiale dovrebbe avere almeno una via in modo che la scheda possa eseguire la connettività del layer interno, testing online (ICT) e rielaborazione del circuito quando sono necessarie più connessioni.
Al fine di rendere lo strumento di routing automatico il più efficiente, è necessario utilizzare il più possibile dimensioni maggiori di via e routing stampato, e l'intervallo è preferibilmente impostato su 50 milioni. Utilizzare un tipo di via che massimizzi il numero di percorsi di routing. Quando si esegue la progettazione fan-out, è necessario considerare il test online del circuito. I dispositivi di prova possono essere costosi e generalmente ordinati quando sono pronti per la produzione completa. È troppo tardi per considerare l'aggiunta di nodi per ottenere una testabilità al 100%.
Dopo attenta considerazione e previsione, la progettazione del test online del circuito può essere eseguita all'inizio della fase di progettazione, implementata nella fase successiva del processo di produzione. Il tipo di via fan-out è determinato in base al percorso di instradamento e al test online del circuito. L'alimentazione e la messa a terra influiscono anche sul routing e sul design fan-out. Al fine di ridurre la reattanza induttiva della connessione del condensatore del filtro, la via deve essere posizionata il più vicino possibile ai pin del dispositivo di montaggio superficiale. Se necessario, è possibile utilizzare il routing manuale, che può influire sul percorso di routing proposto originariamente e può anche far riconsiderare quale via viene utilizzata, quindi è necessario considerare la relazione tra via e induttanza del pin e impostare la priorità della specifica di via.

5. Routing manuale ed elaborazione del segnale chiave

Sebbene questo articolo si concentri sui problemi di routing automatico, il routing manuale è un processo importante per la progettazione di circuiti stampati sia ora sia in futuro. Il routing manuale aiuta lo strumento di routing automatico a completare il lavoro di instradamento.
Indipendentemente dal numero di segnali critici, questi segnali possono essere instradati per primi, instradati manualmente o combinati con uno strumento di routing automatico. I segnali critici, di solito, devono essere attentamente progettati per ottenere le prestazioni desiderate. Una volta completato il routing, è relativamente semplice il controllo del routing del segnale da parte di personale tecnico competente. Questo è un processo relativamente facile. Dopo aver superato il controllo, vengono fissati i fili e i segnali rimanenti vengono instradati automaticamente.

6. Percorso automatico

L'instradamento di segnali critici richiede la considerazione del controllo di alcuni parametri elettrici durante l'instradamento, come la riduzione dell'induttanza distribuita ed EMC (compatibilità elettromagnetica), etc., e l'instradamento per altri segnali è simile. Tutti i fornitori EDA offrono un modo per controllare questi parametri. Dopo aver compreso i parametri di input dello strumento di routing automatico e l'influenza dei parametri di input sul routing, la qualità del routing automatico può essere garantita in una certa misura.
Le regole generali dovrebbero essere utilizzate per instradare automaticamente i segnali. Impostando i vincoli e disabilitando l'area di instradamento per definire i layer utilizzati per un determinato segnale e il numero di vias utilizzati, lo strumento di routing può essere instradato automaticamente secondo la filosofia di progettazione dell'ingegnere. Se non ci sono restrizioni sul numero di layer e sul numero di vias utilizzati per lo strumento di routing automatico, ogni layer verrà utilizzato per il routing automatico e verranno creati molti vias.
Dopo aver impostato i vincoli e le regole create a partire dall'applicazione, il routing automatico otterrà risultati simili alle aspettative. Naturalmente, potrebbero essere necessari alcuni lavori di finitura, così come altri spazi di routing del segnale e della rete. Dopo aver completato una parte del progetto, correggere per evitare che venga influenzato dal processo di routing precedente.
Gli stessi passaggi vengono utilizzati per instradare i segnali rimanenti. Il numero di fili dipende dalla complessità del circuito e dalle regole generali definite. Dopo aver completato ciascun tipo di segnale, i vincoli del cablaggio di rete rimanente vengono ridotti. Ma ciò che accade è che molti routing di segnale richiedono un intervento manuale. Gli strumenti di routing automatici di oggi sono molto potenti e in genere completano il routing al 100%. Tuttavia, quando lo strumento di routing automatico non completa tutto il routing del segnale, i segnali rimanenti devono essere instradati manualmente.

7. I punti della progettazione per il routing automatico includono:

  1. Modificare leggermente le impostazioni, provare una varietà di percorsi.
  2. Mantenere invariate le regole di base, provare diversi layer di instradamento, diverse linee stampate e larghezze di spaziatura e diverse larghezze di linea, diversi tipi di vias come fori ciechi, fori interrati, etc., per osservare come questi fattori influenzano i risultati finali del progetto.
  3. Consentire agli strumenti di routing di gestire le reti predefinite secondo necessità.
  4. Meno importante è il segnale, maggiore è la libertà di instradarlo dello strumento di routing automatico.

8. Finitura del routing

Se lo strumento EDA che state utilizzando può elencare la lunghezza di instradamento del segnale, controllare i dati, e si potrebbe scoprire che alcuni routing del segnale con pochissimi vincoli sono molto lunghi. Questo problema è più facile da gestire e la modifica manuale può ridurre la lunghezza del routing del segnale e il numero di vias. Nel processo di finitura, è necessario determinare quale routing è ragionevole e quale non lo è. Come per la progettazione del routing manuale, la progettazione del routing automatico può anche essere organizzata e modificata durante il processo di ispezione.

9. L'aspetto della scheda

I progetti precedenti prestano spesso attenzione agli effetti visivi della scheda, che ora è diversa. Il circuit board progettato in modo automatico non è più esteticamente piacevole del design manuale, ma soddisfa i requisiti specificati in termini di caratteristiche elettroniche, e le prestazioni complete del progetto sono garantite.

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Articolo pubblicato per PCBWay - versione originale in inglese sulla pagina del blog di PCBWay.

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