使用參數(shù)約束進行(xíng)PCB設計(jì)

    如今pcb設計(jì)考慮的因素越來(lái)越複雜，如時(shí)鍾、串擾、阻抗、檢測、制(zhì)造工藝等等，這經常使得(de)設計(jì)人(rén)員要重複進行(xíng)大(dà)量的布局布線、驗證以及維護等工作(zuò)。參數(shù)約束編輯器(qì)能将這些(xiē)參數(shù)編到公式中，協助設計(jì)人(rén)員在設計(jì)和(hé)生(shēng)産過程中更好地處理(lǐ)這些(xiē)有(yǒu)時(shí)甚至還(hái)會(huì)互相對立的參數(shù)。 

    近年來(lái)對pcb布局布線的要求越來(lái)越複雜，集成電(diàn)路中晶體(tǐ)管數(shù)量還(hái)在按摩爾定律預計(jì)的速度不斷上(shàng)升，從而使得(de)器(qì)件速度更快且每個(gè)脈沖沿上(shàng)升時(shí)間(jiān)縮短(duǎn)，同時(shí)管腳數(shù)也越來(lái)越多(duō)——常常要到500～2,000個(gè)管腳。所有(yǒu)這一切都會(huì)在設計(jì)pcb時(shí)帶來(lái)密度、時(shí)鍾以及串擾等方面的問題。 

    幾年前，大(dà)部分pcb上(shàng)隻有(yǒu)不多(duō)的幾個(gè)“關鍵性”節點(net)，通(tōng)常是指在阻抗、長度及間(jiān)隙等方面受到一些(xiē)約束，pcb設計(jì)人(rén)員一般先對這些(xiē)走線進行(xíng)手工布線，然後再用軟件對整個(gè)電(diàn)路作(zuò)大(dà)規模自動布線。如今的pcb上(shàng)常常會(huì)有(yǒu)5,000個(gè)甚至更多(duō)的節點，而其中50%以上(shàng)都屬于關鍵性節點。由于面臨着上(shàng)市時(shí)間(jiān)的壓力，此時(shí)采用手工布線已不可(kě)能。此外，不僅僅關鍵性節點的數(shù)量有(yǒu)所增加，每個(gè)節點的約束條件也在增加。 

    這些(xiē)約束條件主要是由于參數(shù)相關性以及設計(jì)要求越來(lái)越複雜而産生(shēng)的，例如兩條走線的間(jiān)隔可(kě)能取決于一個(gè)和(hé)節點電(diàn)壓及線路闆材料都有(yǒu)關的函數(shù)，數(shù)字IC上(shàng)升時(shí)間(jiān)減小(xiǎo)對高(gāo)時(shí)鍾速度和(hé)低(dī)時(shí)鍾速度的設計(jì)都會(huì)産生(shēng)影(yǐng)響，由于脈沖産生(shēng)更快而使建立及保持時(shí)間(jiān)更短(duǎn)，另外互連延時(shí)作(zuò)為(wèi)高(gāo)速電(diàn)路設計(jì)總延時(shí)的重要部分對低(dī)速設計(jì)也同樣非常重要等等。 

    如果電(diàn)路闆能設計(jì)得(de)更大(dà)一點，上(shàng)面有(yǒu)些(xiē)問題就比較容易解決，但(dàn)現在的發展趨勢卻正好相反。由于在互連延時(shí)及高(gāo)密度封裝上(shàng)的要求，電(diàn)路闆正在不斷變小(xiǎo)，從而出現了高(gāo)密度電(diàn)路設計(jì)，同時(shí)還(hái)必須遵循小(xiǎo)型化設計(jì)規則。上(shàng)升時(shí)間(jiān)減小(xiǎo)再加上(shàng)這些(xiē)小(xiǎo)型化設計(jì)規則，使串擾噪聲問題變得(de)越來(lái)越突出，而球栅格陣列和(hé)其它高(gāo)密度封裝本身也會(huì)加重串擾、開(kāi)關噪聲及地線反彈等問題。 

    固定約束存在的限制(zhì) 

    對付這些(xiē)問題的傳統做(zuò)法是憑經驗、缺省值、數(shù)表或計(jì)算(suàn)方法将電(diàn)氣和(hé)工藝要求轉化為(wèi)固定的約束參數(shù)。例如工程師(shī)設計(jì)電(diàn)路時(shí)也許先确定一個(gè)額定阻抗，然後根據最後的工藝要求“估算(suàn)”出一個(gè)能達到所需阻抗的額定線寬，或者利用計(jì)算(suàn)表格或算(suàn)術(shù)程序對幹擾進行(xíng)測試，再求出長度約束條件。 

    這種方法通(tōng)常需要設計(jì)出一整套經驗數(shù)據作(zuò)為(wèi)pcb設計(jì)人(rén)員的基本指導原則，以便在用自動布局布線工具進行(xíng)設計(jì)時(shí)能夠利用這些(xiē)數(shù)據。該方法的問題在于經驗數(shù)據隻是一個(gè)一般性原則，大(dà)部分情況下它們都是正确的，但(dàn)有(yǒu)些(xiē)時(shí)候卻不起作(zuò)用或導緻錯誤的結果。 

    我們以上(shàng)面确定阻抗的例子來(lái)看看這種方法可(kě)能造成的誤差。和(hé)阻抗有(yǒu)關的因素包括電(diàn)路闆材料的電(diàn)介質特性、銅箔高(gāo)度、各層到地/電(diàn)源層間(jiān)的距離及線寬，由于前三個(gè)參數(shù)一般由生(shēng)産工藝決定，所以設計(jì)師(shī)通(tōng)常是靠線寬來(lái)控制(zhì)阻抗。由于每一線路層到地或電(diàn)源層的距離各不相同，因此對每一層都用同一個(gè)經驗數(shù)據顯然是錯誤的。此外在開(kāi)發過程中采用的生(shēng)産工藝或電(diàn)路闆特性可(kě)能随時(shí)會(huì)改變，所以問題還(hái)會(huì)更加複雜。 

    大(dà)多(duō)數(shù)時(shí)候這些(xiē)問題會(huì)在樣機制(zhì)作(zuò)階段暴露出來(lái)，一般是找出問題後通(tōng)過對線路闆修補或重新進行(xíng)闆子設計(jì)來(lái)解決。這樣做(zuò)成本比較高(gāo)，并且修補經常還(hái)會(huì)帶來(lái)額外的問題而需要作(zuò)進一步調試，最後由于延誤上(shàng)市時(shí)間(jiān)而造成收入上(shàng)的損失更是遠遠高(gāo)于調試成本。幾乎每家(jiā)電(diàn)子生(shēng)産商都面臨着這樣的問題，最終都歸結到傳統的pcb設計(jì)軟件無法跟上(shàng)當前對電(diàn)氣性能要求的實際情況，在這一點上(shàng)它不像機械設計(jì)的經驗數(shù)據那(nà)麽簡單。 

    解決方案：參數(shù)化約束 

    目前設計(jì)軟件供應商們試圖通(tōng)過在約束條件上(shàng)增加參數(shù)的辦法來(lái)解決這個(gè)問題。這種方法最先進的地方在于能夠詳細說明(míng)完全反映各種內(nèi)部電(diàn)氣特性的機械指标，隻要将其加入到pcb設計(jì)中，設計(jì)軟件就可(kě)利用這些(xiē)信息對自動布局布線工具進行(xíng)控制(zhì)。 

    當後續生(shēng)産工藝改變時(shí)也不需要重新作(zuò)設計(jì)，設計(jì)人(rén)員隻需簡單地更新工藝特性參數(shù)，即可(kě)自動改變相關約束條件。設計(jì)人(rén)員然後可(kě)以運行(xíng)DRC(設計(jì)規則檢查)确定新工藝是否還(hái)違反了其它設計(jì)規則，并找出應該對設計(jì)的哪些(xiē)方面進行(xíng)更改才能糾正所有(yǒu)錯誤。 

    約束條件可(kě)以用數(shù)學表達式的形式輸入，包含常數(shù)、各種運算(suàn)符、向量以及其它設計(jì)約束，為(wèi)設計(jì)人(rén)員提供一個(gè)參數(shù)化規則驅動系統。約束條件甚至能以查表的形式輸入，将它們存放在pcb或原理(lǐ)圖的設計(jì)文件中。pcb布線、銅箔區(qū)位置及布局工具都要遵照這些(xiē)條件生(shēng)成的約束規則，DRC則驗證整個(gè)設計(jì)是否都符合這些(xiē)約束，包括線寬、間(jiān)隔及空(kōng)間(jiān)方面的要求(如面積和(hé)高(gāo)度限制(zhì))等。 

    一個(gè)很(hěn)簡單的例子是上(shàng)升時(shí)間(jiān)約束，一般将其設置為(wèi)常數(shù)1.5ns，根據此條件就可(kě)得(de)出最大(dà)走線長度的約束，即用5,800mil/ns乘以上(shàng)升時(shí)間(jiān)1.5ns。稍為(wèi)複雜一點的例子是元件間(jiān)隔，它通(tōng)過将檢測角的正切值乘以器(qì)件高(gāo)度來(lái)決定，該算(suàn)式可(kě)算(suàn)出元件最小(xiǎo)間(jiān)隔值。 

    分級管理(lǐ) 

    參數(shù)化約束的一個(gè)主要的好處在于它能分級進行(xíng)處理(lǐ)。例如全局線寬規則可(kě)作(zuò)為(wèi)一個(gè)設計(jì)約束用于整個(gè)設計(jì)中，當然會(huì)有(yǒu)個(gè)别區(qū)域或節點不能照搬這個(gè)原則，這時(shí)就可(kě)繞過高(gāo)一級約束而采用分級設計(jì)中的低(dī)級約束。以ACCEL Technologies的約束條件編輯器(qì)Parametric Constraint Solver為(wèi)例，共有(yǒu)7級約束： 

    1.設計(jì)約束，用于所有(yǒu)無其它約束的對象。 

    2.層級約束，用于某一層上(shàng)的對象。 

    3.節點類型約束，用于某個(gè)類型包含的所有(yǒu)節點。 

    4.節點約束，用于某一個(gè)節點。 

    5.類間(jiān)約束，表示兩類節點之間(jiān)的約束。 

    6.空(kōng)間(jiān)約束，用于某個(gè)空(kōng)間(jiān)內(nèi)的所有(yǒu)器(qì)件。 

    7.器(qì)件約束，用于某一個(gè)器(qì)件。 

    該軟件按照從個(gè)别器(qì)件到整個(gè)設計(jì)規則的順序遵循各個(gè)設計(jì)約束，并用圖形的方式顯示出這些(xiē)規則在設計(jì)中的應用次序。 

    · 例1：線寬=f(阻抗，層間(jiān)距，介電(diàn)常數(shù)，銅箔高(gāo)度) 

    這裏舉例說明(míng)參數(shù)化約束條件如何作(zuò)為(wèi)設計(jì)規則控制(zhì)阻抗。如前所述，阻抗是介電(diàn)常數(shù)、到最近線路層距離、銅線寬度及高(gāo)度的函數(shù)，由于已确定了設計(jì)所要求的阻抗，因此可(kě)任意取這四個(gè)參數(shù)作(zuò)為(wèi)相關變量重新寫出阻抗公式，大(dà)多(duō)數(shù)情況下設計(jì)人(rén)員能夠控制(zhì)的參數(shù)隻有(yǒu)線寬。 

    正因為(wèi)此，對線寬的約束就是阻抗、介電(diàn)常數(shù)、到最近線路層距離及銅箔高(gāo)度的函數(shù)。如果将該公式定義為(wèi)層級約束而将制(zhì)造工藝參數(shù)定義為(wèi)設計(jì)級約束，那(nà)麽當所設計(jì)的線路層改變時(shí)軟件會(huì)自動調整線寬以進行(xíng)補償。同樣道(dào)理(lǐ)，如果設計(jì)的線路闆用另一種工藝進行(xíng)生(shēng)産而使銅箔高(gāo)度發生(shēng)了變化，則隻要改變設計(jì)級裏的銅箔高(gāo)度參數(shù)就可(kě)使層級裏的相關規則自動重新計(jì)算(suàn)。 

   · 例2：器(qì)件間(jiān)隔=max(默認間(jiān)隔，f(器(qì)件高(gāo)度，檢測角度)) 

    同時(shí)使用參數(shù)約束和(hé)設計(jì)規則檢查顯而易見的好處是當設計(jì)修改時(shí)，參數(shù)化方法具有(yǒu)很(hěn)好的可(kě)移植性和(hé)可(kě)監測性。本例表明(míng)如何由工藝特性及測試要求來(lái)決定器(qì)件間(jiān)隔，上(shàng)面的公式表示器(qì)件間(jiān)隔是器(qì)件高(gāo)度和(hé)檢測角度的函數(shù)。 

    通(tōng)常檢測角度對整塊闆都是一個(gè)常數(shù)，所以可(kě)在設計(jì)級進行(xíng)定義。當改由不同的機器(qì)進行(xíng)檢測時(shí)，隻需在設計(jì)級中輸入新的值即可(kě)更新整個(gè)設計(jì)。将新機器(qì)性能參數(shù)輸入之後，設計(jì)人(rén)員隻要簡單地運行(xíng)一下DRC以檢查器(qì)件間(jiān)隔是否與新的間(jiān)隔值有(yǒu)沖突，即可(kě)知道(dào)設計(jì)是否可(kě)行(xíng)，這要比先分析再改正然後按新間(jiān)隔要求硬性計(jì)算(suàn)容易得(de)多(duō)。 

   · 例3：元器(qì)件布局 

    除了對設計(jì)對象和(hé)約束條件進行(xíng)組織，設計(jì)規則還(hái)可(kě)用于元器(qì)件布局，也即它能夠根據約束條件檢測出在哪裏放置器(qì)件不會(huì)帶來(lái)錯誤。圖1中突出顯示的部分是滿足物理(lǐ)約束條件(如與闆邊沿間(jiān)隔及器(qì)件間(jiān)隔等)的器(qì)件放置區(qū)域，圖2突出顯示的是滿足電(diàn)性約束的器(qì)件放置區(qū)域，如最大(dà)走線長度，圖3僅顯示滿足空(kōng)間(jiān)約束的區(qū)域，最後，圖4是前3幅圖中各部分的交集，這就是有(yǒu)效布局區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域放置的器(qì)件可(kě)以滿足所有(yǒu)約束條件。 

    事實上(shàng)用模塊化方式生(shēng)成約束條件可(kě)極大(dà)提高(gāo)其可(kě)維護性和(hé)可(kě)複用性。參考前一階段不同層的約束參數(shù)可(kě)生(shēng)成新表達式，如頂層線寬取決于頂層的距離和(hé)銅線高(gāo)度及設計(jì)級中的變量Temp和(hé)Diel_Const。請(qǐng)注意設計(jì)規則是按由低(dī)到高(gāo)的順序顯示的，改變一個(gè)高(gāo)一級約束會(huì)立刻影(yǐng)響參考這個(gè)約束的所有(yǒu)表達式。 

    設計(jì)複用和(hé)文檔 

    參數(shù)化約束不僅可(kě)以顯著改進初始設計(jì)流程，而且對工程更改和(hé)設計(jì)複用更為(wèi)有(yǒu)用，約束條件可(kě)作(zuò)為(wèi)設計(jì)、系統和(hé)文件資料的一部分，如果不這樣而隻存放在工程師(shī)或設計(jì)人(rén)員的頭腦(nǎo)中，那(nà)麽當他們轉到其它項目時(shí)可(kě)能就會(huì)慢慢忘掉。約束文檔記錄了設計(jì)過程中應遵循的電(diàn)性能規則，可(kě)使他人(rén)有(yǒu)機會(huì)了解設計(jì)者意圖，從而易于将這些(xiē)規則應用到新的制(zhì)造工藝中或根據電(diàn)性能要求進行(xíng)改變。以後的複用者也可(kě)以知道(dào)準确的設計(jì)規則，并通(tōng)過輸入新的工藝要求而進行(xíng)更改，不必再去猜測諸如線寬是如何得(de)到之類的問題。 

    本文結論 

    參數(shù)約束編輯器(qì)有(yǒu)助于多(duō)維約束條件下的pcb布局布線，這也是第一次使自動布線軟件和(hé)設計(jì)規則完全按照複雜的電(diàn)氣和(hé)工藝要求進行(xíng)檢查，而不是僅僅靠經驗或簡單沒多(duō)大(dà)用處的設計(jì)規則。其結果是設計(jì)能夠做(zuò)到一次成功，減少(shǎo)甚至取消樣機調試。

 

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