Routage manuel ou interactif : avantages et inconvénients

La définition du Layout de la carte constitue certainement l’une des tâches les plus complexes que les concepteurs doivent effectuer lors de l’élaboration d’un circuit imprimé. En effet, cette opération relève tant de l’art que de la science et nécessite une évaluation minutieuse de l’espace disponible sur la carte et des contraintes imposées par l’application. Il est difficile de concevoir un circuit imprimé à la fois fiable, fonctionnel et économique, surtout à notre époque où l’on constate une demande croissante en circuits imprimés destinés à des cartes compactes, légères et même souples. Le flux de travail de conception de circuits imprimés commence toujours par les schémas logiques, suivis du placement des composants, puis de la définition des couches et des pistes avant de terminer par la vérification des règles de conception (DRC) et la génération des fichiers Gerber. Le processus de définition des pistes, également appelé routage, peut s’effectuer de différentes manières : manuelle, automatique ou interactive (combinaison des deux méthodes précédentes).

Techniques de routage

La technique du routage manuel est certainement celle qui procure le plus de satisfaction personnelle, bien qu’elle exige beaucoup de temps et de patience. Elle consiste à placer manuellement les pistes qui relient les composants, en définissant les propriétés techniques telles que l’épaisseur, la largeur, la distance et l’angle de courbure. Lors de cette opération, le concepteur est assisté par un logiciel spécialisé qui signale les éventuelles violations des règles de routage.

En revanche, le routage automatique fonctionne de manière totalement autonome : une fois les règles de routage établies, le projet est traité par le système qui génère le layout du circuit imprimé de manière automatique. Les résultats ainsi obtenus peuvent ensuite être révisés en apportant manuellement les modifications ou améliorations nécessaires. Enfin, le routage interactif est une technique qui allie la précision et la maîtrise du routage manuel à la vitesse et à l’automatisation propres au routage automatique. En général, le système commence par placer les différents composants et leurs pistes correspondantes sur la carte, puis permet au concepteur d’apporter les modifications nécessaires au routage initial. Les pistes et les vias se déplacent de manière dynamique lorsque de nouvelles pistes et vias sont placés dans la même zone. Le concepteur peut ainsi examiner posément une zone précise du circuit imprimé avant d’approuver de manière définitive le layout obtenu. Quelle que soit la méthode employée, la complexité du routage croît avec le nombre de composants sur la carte et devient particulièrement critique dans les applications impliquant des signaux haute fréquence ou des composants susceptibles de dégager une grande quantité de chaleur.

L’image 1 montre un exemple de circuit imprimé ordinaire. Bien que le nombre de composants soit faible, les interconnexions électriques sont nombreuses et doivent être transformées en pistes en respectant l’espace disponible et les règles de routage. Les pistes qui ne sont pas encore reliées (airwire en anglais) sont représentées par des segments de ligne.

Image 1 : Circuit électronique avant routage (source : Autodesk).

Quelle méthode employer ?

Bien que le routage automatique permette un précieux gain de temps au concepteur, il ne s’agit pas toujours de la technique qui aboutit aux meilleurs résultats. Comme tous les systèmes de traitement automatisé, le routage automatique comporte des limites et, malgré les énormes progrès réalisés par les logiciels, certains considèrent cette technique comme difficile à mettre en place et à exécuter, chronophage et discutable en termes de résultats. Dans le cas des circuits imprimés multicouches complexes, il est courant d’attendre les résultats complets le lendemain après avoir lancé le routage automatique la veille au soir. Malgré les aspects pratiques, il arrive que le concepteur doive corriger le routage créé automatiquement, avec des erreurs courantes telles que des pistes qui contournent les bords du circuit imprimé au lieu de traverser les couches. Il est donc essentiel de connaître les limites du champ d’application de chaque technique et de déterminer à quel moment il est préférable d’utiliser l’une plutôt que l’autre.

Voici les caractéristiques de circuit imprimé qui amènent de nombreux concepteurs à préférer le routage manuel aux autres techniques :

• pistes courtes: si la distance entre les broches à connecter est très faible, le routage manuel est la technique dont les résultats sont les plus fiables et les plus précis ; outre la satisfaction qu’il procure, il peut être réalisé de manière presque mécanique ;
• angle des pistes: sur les pistes, il est impératif d’éviter les angles droits, car le procédé de gravure risquerait de créer des courts-circuits dangereux lors de la fabrication ; il est également impératif d’éviter les angles vifs. Le routage manuel permet au concepteur de modeler la piste en lui appliquant le degré de courbure approprié. L’image 2 montre un exemple de circuit imprimé qui respecte l’angle de routage approprié ;
• complexité élevée du circuit: les zones du circuit imprimé où la densité des composants et le nombre d’interconnexions sont particulièrement élevés nécessitent une attention particulière. Dans ces cas, le concepteur peut résoudre de façon ingénieuse de nombreux problèmes de routage susceptibles de mettre en échec un outil automatique.

Image 2 : Exemple de circuit imprimé avec un angle de routage approprié.

Par rapport au routage automatique, le routage manuel nécessite un temps considérable pouvant être consacré à d’autres étapes de conception. S’il est utilisé à bon escient, le routage automatique est un outil très utile qui présente les avantages suivants par rapport au routage manuel :

• placement optimal des composants: de nombreux routeurs automatiques incluent cette fonction qui permet au concepteur de trouver la position optimale de chaque composant sur le circuit imprimé, ce qui n’est pas toujours possible avec un placement manuel ;
• suppression de la diaphonie entre les signaux qui traversent des pistes adjacentes afin d’améliorer l’intégrité du signal ;
• amélioration de la gestion thermique et de l’immunité aux interférences électromagnétiques;
• identification des connexions critiques: le routeur automatique détecte les éventuels points critiques des connexions, par exemple deux composants placés à une distance insuffisante ;
• proposition de solution: même en routage manuel, le concepteur peut activer le routage automatique pour réaliser le routage de certaines parties du circuit imprimé, en s’inspirant de la solution proposée.

Afin de produire des résultats satisfaisants, le routage automatique nécessite une définition appropriée des règles de routage par le concepteur. Ces règles comprennent : la taille de la carte, les caractéristiques électriques des pistes (largeur, épaisseur et espacement), le nombre et la direction des couches, le contrôle de la sortance et d’autres contraintes de conception telles que le nombre et la taille maximum des vias, la priorité de routage associée à chaque signal/piste et les recommandations en matière de placement des composants imposé par le DFM (Design For Manufacturability) en vue de simplifier la phase d’assemblage. Il est très important de contrôler la sortance dans le cas des composants CMS, car il est impératif de veiller à ce que chaque broche du composant soit pourvue d’au moins un via pour permettre le raccordement avec les couches internes et pour effectuer le test en circuit (ICT) et la retouche du circuit imprimé au cas où d’autres connexions seraient nécessaires.

Routage interactif

Comparé au routage automatique, le routage automatique interactif permet au concepteur de maîtriser entièrement la façon dont les pistes sont placées sur le circuit imprimé. Il a pour caractéristique d’allier toute la puissance du moteur de routage automatique au savoir-faire personnel du concepteur de manière à permettre à ce dernier de trouver la solution de routage optimale. L’ image 3 montre un exemple de technique de routage automatique (partie supérieure) et de routage automatique interactif (partie inférieure). La première méthode effectue automatiquement le routage des pistes non reliées (image de gauche) et donne le résultat indiqué dans l’image de droite. La seconde méthode propose au concepteur une solution de routage (image de gauche) qui, si elle est approuvée, s’applique à la topologie du circuit imprimé, comme le montre l’image de droite.

Image 3 : Comparaison entre le routage automatique et le routage automatique interactif (source : Cadence).

Les deux techniques de routage automatique sont valables. En général, nous recommandons un routage automatique interactif pour les cartes qui comprennent des bus ayant un nombre élevé de signaux (par exemple des mémoires DDR) ou qui sont très complexes. D’autre part, le routage automatique standard est très pratique pour effectuer un routage point par point rapide sur des circuits imprimés de complexité standard de manière à gagner un temps considérable par rapport à la technique manuelle.

Conclusion

Nous avons vu de quelle manière les concepteurs électroniques peuvent actuellement recourir à trois techniques différentes pour effectuer le routage qui constitue l’une des tâches les plus complexes du processus de fabrication des circuits imprimés. En général, on peut dire qu’aucune approche n’est a priori mauvaise ni qu’aucune technique n’est meilleure que les autres. D’une part, le routage automatique et le routage interactif sont très pratiques pour gagner un temps précieux. D’autre part, le routage manuel favorise la créativité et le savoir-faire du concepteur en lui permettant de résoudre des configurations très complexes en mettant à profit l’ensemble de son expérience.