PCB設計布局布線技術的發展

 摘要：隨著微孔和單片高密度集成系統等新硬件技術的應用，自由角度布線、自動布局和3D布局布線等新型軟件將會成為電路板設計人員必備的設計工具之一。

在早期的電路板設計工具中，布局有專門的布局軟件，布線也有專門的布線軟件，兩者之間沒什么聯系。隨著球柵陣列封裝的高密度單芯片、高密度連接器、微孔內建技術以及3D板在印刷電路板設計中的應用，布局和布線已越來越一體化，并成為設計過程的重要組成部分。

自動布局和自由角度布線等軟件技術已漸漸成為解決這類高度一體化問題的重要方法，利用此類軟件能在規定時間范圍內設計出可制造的電路板。在目前產品上市時間越來越短的情況下，手動布線極為耗時，不合時宜。因此，現在要求布局布線工具具有自動布線功能，以快速響應市場對產品設計提出的要求。

設計約束條件

由于要考慮電磁兼容(EMC)及電磁干擾、串擾、信號延遲和差分對布線等高密度設計因素，布局布線的約束條件每年都在增加。例如，在幾年前，一般的電路板僅需6個差分對來進行布線，而現在則需600對。在一定時間內僅依賴手動布線來實現這600對布線是不可能的，因此自動布線工具必不可少。

盡管與幾年前相比，當今設計中的節點(net)數目沒有大的改變，只是硅片復雜性有所增加，但是設計中重要節點的比例大大增加了。當然，對于某些特別重要的節點，要求布局布線工具能夠加以區分，但無需對每個管腳或節點都加以限制。

自由角度布線

隨著單片器件上集成的功能越來越多，其輸出管腳數目也大大增加，但其封裝尺寸并沒隨之擴大。因此，再加上管腳間距和阻抗因素的限制，這類器件必須采用更細的線寬。同時產品尺寸的總體減小也意味著用于布局布線的空間也大大減小了。在某些消費類產品中，底板的大小與其上器件大小相差無幾，元件占據的板面積高達80%。

某些高密度元件管腳交錯，即使采用具45°布線功能的工具也無法進行自動布線。盡管45°布線工具能對某些恰成45°的線段進行完美的處理，但自由角度布線工具具有更大的靈活性，并能大程度提高布線密度。

拉緊(pull-tight)功能使每個節點在布線后自動縮短以適應空間要求，它能大大降低信號延遲，同時降低平行路徑數，有助于避免串擾的產生。

盡管自由角度設計具有可制造性，并且性能良好，但是這種設計會導致主板看起來不如以前的設計美觀。主板設計在上市時間之后，就可能不再是一件藝術品了。

高密度器件

新的高密度系統級芯片采用BGA或COB封裝，管腳間距日益減小。球間距已低至1mm，并且還會繼續降低，導致封裝件信號線不可能采用傳統布線工具來引出。目前有兩種方法可解決這個問題：一是通過球下面的孔將信號線從下層引出；二是采用極細布線和自由角度布線在球柵陣列中找出一條引線通道。對這種高密度器件而言，采用寬度和空間極小的布線方式是唯一可行的，只有這樣，才能保證較高的成品率。現代的布線技術也要求能自動地應用這些約束條件。

自由布線方法可減少布線層數，降低產品成本。同時也意味著在成本不變的情況下，可以增加一些接地層和電源層來提高信號完整性和EMC性能。

下一代電路板設計技術

微孔等離子蝕刻技術在多層板，尤其是在蜂窩電話和家用電器中的應用大大改變了對布局布線工具的要求。采用等離子蝕刻法在路徑寬度內添加一個新孔不會導致底板本身或制造成本的增加，因為對等離子蝕刻法而言，制作一千個孔的成本與制作一個孔的成本一樣低廉(這與激光鉆孔法大不一樣)。

這就要求布線工具具有更大的靈活性，它必須能夠應用不同的約束條件，能適應不同的微孔和構建技術的要求。

元件密度的不斷增加也對布局設計產生了某些影響。布局布線工具總是假設板上有足夠的空間讓元件拾放機來拾放表面安裝元件，而不會對板上已有元件產生影響。但是元件順序放置會產生這樣一個問題，即每當放置一個新元件后，板上每個元件的佳位置都會發生改變。

這就是布局設計過程自動化程度低而人工干預程度高的原因。盡管目前的布局工具對依次布局的元件數沒什么限制，但是某些工程師認為布局工具用于依次布局時實際上是受到限制的，這個限制大約為500個元件。還有一些工程師認為當在一個板上放置的元件多達4,000個時，會產生很大問題。

同順序算法技術相比，并行布局技術能實現更好的自動布局效果。因此，當Zuken收購Incases公司后，Incases的并行布局技術使Zuken獲益非淺。

三維布局

3D工具針對目前應用日益廣泛的異形和定形板進行布局布線。如 Zuken的Freedom新工具采用三維底板模型來進行元件的空間布局，隨后再進行二維布線。此過程也能告知：此板是否具備可制造性？

將來，諸如在兩個不同層上采用陰影差分對的設計方法將會變得日益重要，布線工具也必須能處理這種設計，而且信號速率也將會繼續提高。

目前也出現了將布局布線工具同用于虛擬原型的高級仿真工具集成起來的工具，如Zuken的Hot Stage工具，所以即使在虛擬原型時也能對布線問題進行考慮。

現在，自動布線技術已極為普及。我們相信，自由角度布線、自動布局和3D布局等新型軟件技術也會同自動布線技術一樣成為底板設計人員的日常設計工具，設計人員可用這些新工具來解決微孔和單片高密度集成系統等新型硬件技術問題。