PCB設(shè)計(jì)布局布線技術(shù)的發(fā)展

 摘要：隨著微孔和單片高密度集成系統(tǒng)等新硬件技術(shù)的應(yīng)用，自由角度布線、自動(dòng)布局和3D布局布線等新型軟件將會(huì)成為電路板設(shè)計(jì)人員必備的設(shè)計(jì)工具之一。

在早期的電路板設(shè)計(jì)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(lián)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(nèi)建技術(shù)以及3D板在印刷電路板設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，布局和布線已越來越一體化，并成為設(shè)計(jì)過程的重要組成部分。

自動(dòng)布局和自由角度布線等軟件技術(shù)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(guī)定時(shí)間范圍內(nèi)設(shè)計(jì)出可制造的電路板。在目前產(chǎn)品上市時(shí)間越來越短的情況下，手動(dòng)布線極為耗時(shí)，不合時(shí)宜。因此，現(xiàn)在要求布局布線工具具有自動(dòng)布線功能，以快速響應(yīng)市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提出的要求。

設(shè)計(jì)約束條件

由于要考慮電磁兼容(EMC)及電磁干擾、串?dāng)_、信號(hào)延遲和差分對(duì)布線等高密度設(shè)計(jì)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(gè)差分對(duì)來進(jìn)行布線，而現(xiàn)在則需600對(duì)。在一定時(shí)間內(nèi)僅依賴手動(dòng)布線來實(shí)現(xiàn)這600對(duì)布線是不可能的，因此自動(dòng)布線工具必不可少。

盡管與幾年前相比，當(dāng)今設(shè)計(jì)中的節(jié)點(diǎn)(net)數(shù)目沒有大的改變，只是硅片復(fù)雜性有所增加，但是設(shè)計(jì)中重要節(jié)點(diǎn)的比例大大增加了。當(dāng)然，對(duì)于某些特別重要的節(jié)點(diǎn)，要求布局布線工具能夠加以區(qū)分，但無需對(duì)每個(gè)管腳或節(jié)點(diǎn)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(shù)目也大大增加，但其封裝尺寸并沒隨之?dāng)U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(xì)的線寬。同時(shí)產(chǎn)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(fèi)類產(chǎn)品中，底板的大小與其上器件大小相差無幾，元件占據(jù)的板面積高達(dá)80%。

某些高密度元件管腳交錯(cuò)，即使采用具45°布線功能的工具也無法進(jìn)行自動(dòng)布線。盡管45°布線工具能對(duì)某些恰成45°的線段進(jìn)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(gè)節(jié)點(diǎn)在布線后自動(dòng)縮短以適應(yīng)空間要求，它能大大降低信號(hào)延遲，同時(shí)降低平行路徑數(shù)，有助于避免串?dāng)_的產(chǎn)生。

盡管自由角度設(shè)計(jì)具有可制造性，并且性能良好，但是這種設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致主板看起來不如以前的設(shè)計(jì)美觀。主板設(shè)計(jì)在上市時(shí)間之后，就可能不再是一件藝術(shù)品了。

高密度器件

新的高密度系統(tǒng)級(jí)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(huì)繼續(xù)降低，導(dǎo)致封裝件信號(hào)線不可能采用傳統(tǒng)布線工具來引出。目前有兩種方法可解決這個(gè)問題：一是通過球下面的孔將信號(hào)線從下層引出；二是采用極細(xì)布線和自由角度布線在球柵陣列中找出一條引線通道。對(duì)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?，F(xiàn)代的布線技術(shù)也要求能自動(dòng)地應(yīng)用這些約束條件。

自由布線方法可減少布線層數(shù)，降低產(chǎn)品成本。同時(shí)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(hào)完整性和EMC性能。

下一代電路板設(shè)計(jì)技術(shù)

微孔等離子蝕刻技術(shù)在多層板，尤其是在蜂窩電話和家用電器中的應(yīng)用大大改變了對(duì)布局布線工具的要求。采用等離子蝕刻法在路徑寬度內(nèi)添加一個(gè)新孔不會(huì)導(dǎo)致底板本身或制造成本的增加，因?yàn)閷?duì)等離子蝕刻法而言，制作一千個(gè)孔的成本與制作一個(gè)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(yīng)用不同的約束條件，能適應(yīng)不同的微孔和構(gòu)建技術(shù)的要求。

元件密度的不斷增加也對(duì)布局設(shè)計(jì)產(chǎn)生了某些影響。布局布線工具總是假設(shè)板上有足夠的空間讓元件拾放機(jī)來拾放表面安裝元件，而不會(huì)對(duì)板上已有元件產(chǎn)生影響。但是元件順序放置會(huì)產(chǎn)生這樣一個(gè)問題，即每當(dāng)放置一個(gè)新元件后，板上每個(gè)元件的佳位置都會(huì)發(fā)生改變。

這就是布局設(shè)計(jì)過程自動(dòng)化程度低而人工干預(yù)程度高的原因。盡管目前的布局工具對(duì)依次布局的元件數(shù)沒什么限制，但是某些工程師認(rèn)為布局工具用于依次布局時(shí)實(shí)際上是受到限制的，這個(gè)限制大約為500個(gè)元件。還有一些工程師認(rèn)為當(dāng)在一個(gè)板上放置的元件多達(dá)4,000個(gè)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大問題。

同順序算法技術(shù)相比，并行布局技術(shù)能實(shí)現(xiàn)更好的自動(dòng)布局效果。因此，當(dāng)Zuken收購Incases公司后，Incases的并行布局技術(shù)使Zuken獲益非淺。

三維布局

3D工具針對(duì)目前應(yīng)用日益廣泛的異形和定形板進(jìn)行布局布線。如 Zuken的Freedom新工具采用三維底板模型來進(jìn)行元件的空間布局，隨后再進(jìn)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(gè)不同層上采用陰影差分對(duì)的設(shè)計(jì)方法將會(huì)變得日益重要，布線工具也必須能處理這種設(shè)計(jì)，而且信號(hào)速率也將會(huì)繼續(xù)提高。

目前也出現(xiàn)了將布局布線工具同用于虛擬原型的高級(jí)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(shí)也能對(duì)布線問題進(jìn)行考慮。

現(xiàn)在，自動(dòng)布線技術(shù)已極為普及。我們相信，自由角度布線、自動(dòng)布局和3D布局等新型軟件技術(shù)也會(huì)同自動(dòng)布線技術(shù)一樣成為底板設(shè)計(jì)人員的日常設(shè)計(jì)工具，設(shè)計(jì)人員可用這些新工具來解決微孔和單片高密度集成系統(tǒng)等新型硬件技術(shù)問題。