De lay-out definitie is zeker één van de meest complexe operaties waarmee de ontwerper te maken krijgt bij het ontwikkelen van een printplaat (PCB). Deze activiteit is in feite zowel een kunst als een wetenschap en vereist een zorgvuldige evaluatie van de beschikbare ruimte op de printplaat en de beperkingen opgelegd door de toepassing. Een betrouwbare, functionele en tegelijk zuinige printplaat ontwerpen is een uitdagende taak, vooral vandaag waar we een groeiende vraag zien naar printplaten voor compacte, lichte en zelfs flexibele printplaten. De ontwerpworkflow van een printplaat begint altijd met het schema, gevolgd door de plaatsing van de componenten, de definitie van de lagen en printbanen, en eindigt met de controle van de ontwerpregels (DRC) en het genereren van Gerber-bestanden. Het definiëren van de printbanen, ook bekend als routing, kan op verschillende manieren gebeuren: manueel, automatisch, of interactief (een combinatie van de vorige twee).
Routingtechnieken
De manuele routingtechniek is zeker de techniek die de meeste persoonlijke voldoening geeft, ook al vergt ze veel tijd en geduld. Het bestaat uit het handmatig plaatsen van de printbanen die de componenten verbinden, waarbij technische eigenschappen zoals dikte, breedte, afstand en krommingshoek worden bepaald. Hierbij wordt de ontwerper geholpen door een gespecialiseerd softwareprogramma, dat in staat is eventuele overtredingen van de routingregels te rapporteren.
De automatische routing (autorouting) daarentegen werkt volledig autonoom: zodra de routingregels vooraf zijn vastgesteld, wordt het project verwerkt door het systeem dat automatisch de printplaatlay-out produceert; de aldus verkregen resultaten kunnen vervolgens worden herzien door handmatig de nodige wijzigingen of verbeteringen aan te brengen. Tenslotte is interactieve routing een techniek die de precisie en de controle van manuele routing combineert met de snelheid en de automatisering die typisch zijn voor autorouting. In het algemeen plaatst het systeem eerst de verschillende componenten en hun relatieve sporen op de printplaat, waarna de ontwerper wijzigingen kan aanbrengen in de oorspronkelijke routing. Printbanen en via's verschuiven dynamisch wanneer nieuwe printbanen en via's in hetzelfde gebied worden aangebracht, zodat de ontwerper rustig een specifiek gebied van de printplaat kan bekijken alvorens uiteindelijk de resulterende layout goed te keuren. Welke methode men ook gebruikt, de routing is een complexiteit die toeneemt met het aantal componenten op de printplaat en wordt bijzonder kritisch in toepassingen waar er hoogfrequente signalen zijn of componenten die veel warmte kunnen ontwikkelen.
Figuur 1 toont een voorbeeld van een gewone printplaat: hoewel het aantal componenten klein is, zijn de elektrische verbindingen tussen die componenten talrijk en moeten zij worden omgezet in printbanen met inachtneming van de beschikbare ruimte en de routingregels. De nog niet gerouteerde printbanen (ook wel airwires genoemd) worden weergegeven door lijnsegmenten.
Figuur 1: elektronische schakeling vóór toepassing van routing (bron: Autodesk)
Welke methode moet worden gebruikt?
Hoewel autorouting een techniek is die de ontwerper kostbare tijd bespaart, is het niet altijd de techniek die de beste resultaten oplevert. Zoals alle geautomatiseerde verwerkingssystemen heeft autorouting zijn beperkingen en ondanks de enorme vooruitgang die softwaretools hebben geboekt, wordt het door sommigen beschouwd als een moeilijk op te zetten en uit te voeren techniek, die tijdrovend is en waarvan de resultaten soms twijfelachtig zijn. In het geval van complexe meerlaagse printplaten is het gebruikelijk om de automatische routing 's avonds te starten, en dan de volgende dag de volledige resultaten te zien. Ondanks het gemak wordt de ontwerper soms gedwongen om de automatisch gemaakte routing te corrigeren, met veel voorkomende fouten zoals printbanen die rond de randen van de printplaat lopen, in plaats van de lagen te doorkruisen. Het is daarom van essentieel belang de toepassingsgrenzen van elke techniek te kennen en te evalueren wanneer de ene de voorkeur verdient boven de andere.
De karakteristieken van de printplaat die vele ontwerpers ertoe brengen om manuele routing te verkiezen boven de andere technieken zijn de volgende:
- Printbanen van korte lengte: als de afstand tussen de aan te sluiten pinnen zeer klein is, is manuele routing de techniek die de betrouwbaarste en nauwkeurigste resultaten oplevert; bovendien is het een bevredigende techniek die bijna mechanisch kan worden uitgevoerd;
- hoek van de printbanen: op de printbanen moeten rechte hoeken absoluut worden vermeden omdat het etsproces tijdens de fabricage gevaarlijke kortsluitingen zou kunnen veroorzaken; scherpe hoeken moeten eveneens worden vermeden. Bij manuele routing kan de ontwerper de printbaan vorm geven door de juiste mate van kromming aan te brengen. In figuur 2 is een voorbeeld te zien van een printplaat waarbij de juiste routing-hoek in acht is genomen;
- zeer complexe schakeling: de printplaat-gebieden waar de componentendichtheid en het aantal onderlinge verbindingen bijzonder hoog zijn, vereisen bijzondere aandacht. In deze gevallen kan de ontwerper op briljante wijze vele routeringsproblemen oplossen die een automatisch gereedschap in een crisis zouden kunnen brengen.
Figuur 2: een voorbeeld van een printplaat met een correcte routeringshoek
Vergeleken met autorouting kost manuele routing heel wat tijd, die aan andere ontwerpstappen kan worden besteed. Indien verstandig gebruikt, is autorouting een zeer nuttig hulpmiddel dat, vergeleken met manuele routing, de volgende eigenschappen toevoegt:
- optimale plaatsing van componenten: veel autorouters bevatten deze functie die de ontwerper kan helpen de optimale positie op de printplaat te vinden voor elk component, wat niet altijd haalbaar is met handmatige plaatsing;
- crosstalk-eliminatie tussen signalen die over aangrenzende sporen lopen, waardoor de signaalintegriteit wordt verbeterd
- verbeterd thermisch beheer en immuniteit voor elektromagnetische interferentie;
- identificatie van kritieke verbindingen: de autorouter detecteert mogelijke kritieke punten in de verbindingen, zoals twee componenten die op een onvoldoende ruime afstand zijn geplaatst;
- een oplossing voorstellen: zelfs wanneer de ontwerper voor manuele routing kiest, kan de autorouter worden geactiveerd om de routing van bepaalde delen van de printplaat uit te voeren, waarbij hij zich laat inspireren door de oplossing die hij voorstelt.
Om bevredigende resultaten te bereiken, moet de ontwerper bij autorouting de routing-regels goed definiëren. Deze regels omvatten: afmetingen van de printplaat, elektrische karakteristieken van de printbanen (breedte, dikte en speling), aantal en richting van de lagen, fanout-regeling en andere ontwerpbeperkingen zoals het maximumaantal en de maximumgrootte van de via's, de prioriteit van de routing voor elk signaal/printbaan en aanbevelingen voor de plaatsing van de componenten, opgelegd door DFM (Design For Manufacturability) om de assemblagefase te vereenvoudigen. Fanout-controle is zeer belangrijk voor SMD-componenten, omdat ervoor moet worden gezorgd dat elke pin van de component is voorzien van ten minste één via om zowel de verbinding met de interne lagen mogelijk te maken als voor het uitvoeren van de in-circuit test (ICT) en printplaatbewerking indien meer verbindingen nodig zijn.
Interactieve routing
Vergeleken met autorouting, geeft interactieve autorouting de ontwerper volledige controle over hoe de printbanen op de printplaten worden geplaatst. Het kenmerk ervan is om alle kracht van de autorouting engine te combineren met de persoonlijke vaardigheid van de ontwerper, om hem te helpen de optimale routing-oplossing te vinden. Figuur 3 geeft een voorbeeld van zowel de autorouting-technieken (bovenzijde) als de interactieve autorouting (onderzijde). De eerste voert automatisch de routing van de airwires uit (afbeelding links), waarbij het resultaat van de afbeelding rechts wordt verkregen. De tweede stelt een routing-oplossing voor aan de ontwerper (afbeelding links), die, indien goedgekeurd, wordt toegepast op de printplaat-layout, zoals getoond in de afbeelding rechts.
Figuur 3: vergelijking tussen autorouting en interactieve autorouting (bron: Cadence)
Beide automatische routingtechnieken zijn geldig. In het algemeen raden wij interactieve autorouting aan voor de routing van printplaten die bussen bevatten met een groot aantal signalen (bijvoorbeeld DDR-geheugens), of die een hoge complexiteit hebben. Anderzijds is gewone automatische routing zeer geschikt om snel point-to-point routing uit te voeren op printplaten met een standaard complexiteit, wat een aanzienlijke tijdwinst oplevert in vergelijking met de manuele techniek.
Conclusie
We hebben gezien hoe elektronische ontwerpers vandaag kunnen vertrouwen op drie verschillende technieken voor het uitvoeren van routing, één van de meest complexe activiteiten van het fabricageproces van printplaten. In het algemeen kunnen we stellen dat geen enkele aanpak a priori fout is, en dat geen enkele techniek beter is dan de andere. Terwijl enerzijds de automatische en interactieve routing een waardevolle bijdrage leveren en helpen om kostbare tijd te besparen, verhoogt anderzijds de manuele routing de creativiteit en de vaardigheid van de ontwerper, die hem in staat stelt om zelfs zeer complexe situaties op te lossen dankzij de opgebouwde ervaring.
