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、自動布局和3D布局布線等新型軟件將會成為電路板設(shè)計人員必備的設(shè)計工具之一。
??? 在早期的電路板設(shè)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(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)計中的應(yīng)用，布局和布線已越來越一體化，并成為設(shè)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(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)定時間范圍內(nèi)設(shè)計出可制造的電路板。在目前產(chǎn)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(xiàn)在要求布局布線工具具有自動布線功能，以快速響應(yīng)市場對產(chǎn)品設(shè)計提出的要求。

1、設(shè)計約束條件
??? 由于要考慮電磁兼容(EMC)及電磁干擾、串?dāng)_、信號延遲和差分對布線等高密度設(shè)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(jìn)行布線，而現(xiàn)在則需600對。在一定時間內(nèi)僅依賴手動布線來實現(xiàn)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(dāng)今設(shè)計中的節(jié)點(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)計中重要節(jié)點的比例大大增加了。當(dāng)然，對于某些特別重要的節(jié)點，要求布局布線工具能夠加以區(qū)分，但無需對每個管腳或節(jié)點都加以限制。

2、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，即使采用具45°布線功能的工具也無法進(jìn)行自動布線。盡管45°布線工具能對某些恰成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，并能最大程度提高布線密度。
??? 拉緊(pull-tight)功能使每個節(jié)點在布線后自動縮短以適應(yīng)空間要求，它能大大降低信號延遲，同時降低平行路徑數(shù)，有助于避免串?dāng)_的產(chǎn)生。
??? 盡管自由角度設(shè)計具有可制造性，并且性能良好，但是這種設(shè)計會導(dǎo)致主板看起來不如以前的設(shè)計美觀。主板設(shè)計在上市時間之后，就可能不再是一件藝術(shù)品了。

3、高密度器件
??? 最新的高密度系統(tǒng)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(xù)降低，導(dǎo)致封裝件信號線不可能采用傳統(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(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。

4、下一代電路板設(shè)計技術(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)添加一個新孔不會導(dǎo)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(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布局設(shè)計產(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來拾放表面安裝元件，而不會對板上已有元件產(chǎn)生影響。但是元件順序放置會產(chǎn)生這樣一個問題，即每當(dāng)放置一個新元件后，板上每個元件的最佳位置都會發(fā)生改變。
??? 這就是布局設(shè)計過程自動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(rèn)為當(dāng)在一個板上放置的元件多達(dá)4,000個時，會產(chǎn)生很大問題。
??? 同順序算法技術(shù)相比，并行布局技術(shù)能實現(xiàn)更好的自動布局效果。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。

5、三維布局
??? 3D工具針對目前應(yīng)用日益廣泛的異形和定形板進(jìn)行布局布線。如 Zuken的Freedom最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，諸如在兩個不同層上采用陰影差分對的設(shè)計方法將會變得日益重要，布線工具也必須能處理這種設(shè)計，而且信號速率也將會繼續(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(jìn)行考慮。
??? 現(xiàn)在，自動布線技術(shù)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(shù)也會同自動布線技術(shù)一樣成為底板設(shè)計人員的日常設(shè)計工具，設(shè)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(tǒng)等新型硬件技術(shù)問題。