如何使用參數(shù)化約束進行PCB設(shè)計？

近年來對PCB布局布線的要求越來越復(fù)雜，集成電路中晶體管數(shù)量還在按摩爾定律預(yù)計的速度不斷上升，從而使得器件速度更快且每個脈沖沿上升時間縮短，同時管腳數(shù)也越來越多——常常要到500～2,000個管腳。所有這一切都會在設(shè)計PCB時帶來密度、時鐘以及串擾等方面的問題。
　　如今PCB設(shè)計考慮的因素越來越復(fù)雜，如時鐘、串擾、阻抗、檢測、制造工藝等等，這經(jīng)常使得PCB設(shè)計人員要重復(fù)進行大量的布局布線、驗證以及維護等工作。參數(shù)約束編輯器能將這些參數(shù)編到公式中，協(xié)助PCB設(shè)計人員在PCB設(shè)計和生產(chǎn)過程中更好地處理這些有時甚至還會互相對立的參數(shù)。
　　幾年前，大部分PCB上只有不多的幾個“關(guān)鍵性”節(jié)點(net)，通常是指在阻抗、長度及間隙等方面受到一些約束，PCB設(shè)計人員一般先對這些走線進行手工布線，然后再用軟件對整個電路作大規(guī)模自動布線。如今的PCB上常常會有5,000個甚至更多的節(jié)點，而其中50%以上都屬于關(guān)鍵性節(jié)點。由于面臨著上市時間的壓力，此時采用手工布線已不可能。此外，不僅僅關(guān)鍵性節(jié)點的數(shù)量有所增加，每個節(jié)點的約束條件也在增加。
　　這些約束條件主要是由于參數(shù)相關(guān)性以及PCB設(shè)計要求越來越復(fù)雜而產(chǎn)生的，例如兩條走線的間隔可能取決于一個和節(jié)點電壓及線路板材料都有關(guān)的函數(shù)，數(shù)字IC上升時間減小對高時鐘速度和低時鐘速度的PCB設(shè)計都會產(chǎn)生影響，由于脈沖產(chǎn)生更快而使建立及保持時間更短，另外互連延時作為高速電路PCB設(shè)計總延時的重要部分對低速PCB設(shè)計也同樣非常重要等等。
　　如果電路板能設(shè)計得更大一點，上面有些問題就比較容易解決，但現(xiàn)在的發(fā)展趨勢卻正好相反。由于在互連延時及高密度封裝上的要求，電路板正在不斷變小，從而出現(xiàn)了高密度電路PCB設(shè)計，同時還必須遵循小型化PCB設(shè)計規(guī)則。上升時間減小再加上這些小型化PCB設(shè)計規(guī)則，使串擾噪聲問題變得越來越突出，而球柵格陣列和其它高密度封裝本身也會加重串擾、開關(guān)噪聲及地線反彈等問題。
　　固定約束存在的限制
　　對付這些問題的傳統(tǒng)做法是憑經(jīng)驗、缺省值、數(shù)表或計算方法將電氣和工藝要求轉(zhuǎn)化為固定的約束參數(shù)。例如工程師PCB設(shè)計電路時也許先確定一個額定阻抗，然后根據(jù)最后的工藝要求“估算”出一個能達到所需阻抗的額定線寬，或者利用計算表格或算術(shù)程序?qū)Ω蓴_進行測試，再求出長度約束條件。
　　這種方法通常需要PCB設(shè)計出一整套經(jīng)驗數(shù)據(jù)作為PCB設(shè)計人員的基本指導(dǎo)原則，以便在用自動布局布線工具進行PCB設(shè)計時能夠利用這些數(shù)據(jù)。該方法的問題在于經(jīng)驗數(shù)據(jù)只是一個一般性原則，大部分情況下它們都是正確的，但有些時候卻不起作用或?qū)е洛e誤的結(jié)果。
　　我們以上面確定阻抗的例子來看看這種方法可能造成的誤差。和阻抗有關(guān)的因素包括電路板材料的電介質(zhì)特性、銅箔高度、各層到地/電源層間的距離及線寬，由于前三個參數(shù)一般由生產(chǎn)工藝決定，所以PCB設(shè)計師通常是靠線寬來控制阻抗。由于每一線路層到地或電源層的距離各不相同，因此對每一層都用同一個經(jīng)驗數(shù)據(jù)顯然是錯誤的。此外在開發(fā)過程中采用的生產(chǎn)工藝或電路板特性可能隨時會改變，所以問題還會更加復(fù)雜。
　　大多數(shù)時候這些問題會在樣機制作階段暴露出來，一般是找出問題后通過對線路板修補或重新進行板子PCB設(shè)計來解決。這樣做成本比較高，并且修補經(jīng)常還會帶來額外的問題而需要作進一步調(diào)試，最后由于延誤上市時間而造成收入上的損失更是遠遠高于調(diào)試成本。幾乎每家電子生產(chǎn)商都面臨著這樣的問題，最終都歸結(jié)到傳統(tǒng)的PCB設(shè)計軟件無法跟上當前對電氣性能要求的實際情況，在這一點上它不像機械PCB設(shè)計的經(jīng)驗數(shù)據(jù)那么簡單。
　　解決方案：參數(shù)化約束
　　目前PCB設(shè)計軟件供應(yīng)商們試圖通過在約束條件上增加參數(shù)的辦法來解決這個問題。這種方法最先進的地方在于能夠詳細說明完全反映各種內(nèi)部電氣特性的機械指標，只要將其加入到PCB設(shè)計中，PCB設(shè)計軟件就可利用這些信息對自動布局布線工具進行控制。
　　當后續(xù)生產(chǎn)工藝改變時也不需要重新作PCB設(shè)計，PCB設(shè)計人員只需簡單地更新工藝特性參數(shù)，即可自動改變相關(guān)約束條件。PCB設(shè)計人員然后可以運行DRC(PCB設(shè)計規(guī)則檢查)確定新工藝是否還違反了其它PCB設(shè)計規(guī)則，并找出應(yīng)該對PCB設(shè)計的哪些方面進行更改才能糾正所有錯誤。
　　約束條件可以用數(shù)學(xué)表達式的形式輸入，包含常數(shù)、各種運算符、向量以及其它PCB設(shè)計約束，為PCB設(shè)計人員提供一個參數(shù)化規(guī)則驅(qū)動系統(tǒng)。約束條件甚至能以查表的形式輸入，將它們存放在PCB或原理圖的PCB設(shè)計文件中。PCB布線、銅箔區(qū)位置及布局工具都要遵照這些條件生成的約束規(guī)則，DRC則驗證整個PCB設(shè)計是否都符合這些約束，包括線寬、間隔及空間方面的要求(如面積和高度限制)等。
　　一個很簡單的例子是上升時間約束，一般將其設(shè)置為常數(shù)1.5ns，根據(jù)此條件就可得出最大走線長度的約束，即用5,800mil/ns乘以上升時間1.5ns。稍為復(fù)雜一點的例子是元件間隔，它通過將檢測角的正切值乘以器件高度來決定，該算式可算出元件最小間隔值。
　　分級管理
　　參數(shù)化約束的一個主要的好處在于它能分級進行處理。例如全局線寬規(guī)則可作為一個PCB設(shè)計約束用于整個PCB設(shè)計中，當然會有個別區(qū)域或節(jié)點不能照搬這個原則，這時就可繞過高一級約束而采用分級PCB設(shè)計中的低級約束。以ACCEL Technologies的約束條件編輯器Parametric Constraint Solver為例，共有7級約束：
　　1.PCB設(shè)計約束，用于所有無其它約束的對象。
　　2.層級約束，用于某一層上的對象。
　　3.節(jié)點類型約束，用于某個類型包含的所有節(jié)點。
　　4.節(jié)點約束，用于某一個節(jié)點。
　　5.類間約束，表示兩類節(jié)點之間的約束。
　　6.空間約束，用于某個空間內(nèi)的所有器件。
　　7.器件約束，用于某一個器件。
　　該軟件按照從個別器件到整個PCB設(shè)計規(guī)則的順序遵循各個PCB設(shè)計約束，并用圖形的方式顯示出這些規(guī)則在PCB設(shè)計中的應(yīng)用次序。
　　例1：線寬=f(阻抗，層間距，介電常數(shù)，銅箔高度)
　　這里舉例說明參數(shù)化約束條件如何作為PCB設(shè)計規(guī)則控制阻抗。如前所述，阻抗是介電常數(shù)、到最近線路層距離、銅線寬度及高度的函數(shù)，由于已確定了PCB設(shè)計所要求的阻抗，因此可任意取這四個參數(shù)作為相關(guān)變量重新寫出阻抗公式，大多數(shù)情況下PCB設(shè)計人員能夠控制的參數(shù)只有線寬。
　　正因為此，對線寬的約束就是阻抗、介電常數(shù)、到最近線路層距離及銅箔高度的函數(shù)。如果將該公式定義為層級約束而將制造工藝參數(shù)定義為PCB設(shè)計級約束，那么當所PCB設(shè)計的線路層改變時軟件會自動調(diào)整線寬以進行補償。同樣道理，如果PCB設(shè)計的線路板用另一種工藝進行生產(chǎn)而使銅箔高度發(fā)生了變化，則只要改變PCB設(shè)計級里的銅箔高度參數(shù)就可使層級里的相關(guān)規(guī)則自動重新計算。
　　例2：器件間隔=max(默認間隔，f(器件高度，檢測角度))
　　同時使用參數(shù)約束和PCB設(shè)計規(guī)則檢查顯而易見的好處是當PCB設(shè)計修改時，參數(shù)化方法具有很好的可移植性和可監(jiān)測性。本例表明如何由工藝特性及測試要求來決定器件間隔，上面的公式表示器件間隔是器件高度和檢測角度的函數(shù)。
　　通常檢測角度對整塊板都是一個常數(shù)，所以可在PCB設(shè)計級進行定義。當改由不同的機器進行檢測時，只需在PCB設(shè)計級中輸入新的值即可更新整個PCB設(shè)計。將新機器性能參數(shù)輸入之后，PCB設(shè)計人員只要簡單地運行一下DRC以檢查器件間隔是否與新的間隔值有沖突，即可知道PCB設(shè)計是否可行，這要比先分析再改正然后按新間隔要求硬性計算容易得多。
　　例3：元器件布局
　　除了對PCB設(shè)計對象和約束條件進行組織，PCB設(shè)計規(guī)則還可用于元器件布局，也即它能夠根據(jù)約束條件檢測出在哪里放置器件不會帶來錯誤。
　　事實上用模塊化方式生成約束條件可極大提高其可維護性和可復(fù)用性。參考前一階段不同層的約束參數(shù)可生成新表達式，如頂層線寬取決于頂層的距離和銅線高度及PCB設(shè)計級中的變量Temp和Diel_Const。請注意PCB設(shè)計規(guī)則是按由低到高的順序顯示的，改變一個高一級約束會立刻影響參考這個約束的所有表達式。
　　PCB設(shè)計復(fù)用和文檔
　　參數(shù)化約束不僅可以顯著改進初始PCB設(shè)計流程，而且對工程更改和PCB設(shè)計復(fù)用更為有用，約束條件可作為PCB設(shè)計、系統(tǒng)和文件資料的一部分，如果不這樣而只存放在工程師或PCB設(shè)計人員的頭腦中，那么當他們轉(zhuǎn)到其它項目時可能就會慢慢忘掉。約束文檔記錄了PCB設(shè)計過程中應(yīng)遵循的電性能規(guī)則，可使他人有機會了解PCB設(shè)計者意圖，從而易于將這些規(guī)則應(yīng)用到新的制造工藝中或根據(jù)電性能要求進行改變。以后的復(fù)用者也可以知道準確的PCB設(shè)計規(guī)則，并通過輸入新的工藝要求而進行更改，不必再去猜測諸如線寬是如何得到之類的問題。
　　本文結(jié)論
　　參數(shù)約束編輯器有助于多維約束條件下的PCB布局布線，這也是第一次使自動布線軟件和PCB設(shè)計規(guī)則完全按照復(fù)雜的電氣和工藝要求進行檢查，而不是僅僅靠經(jīng)驗或簡單沒多大用處的PCB設(shè)計規(guī)則。其結(jié)果是PCB設(shè)計能夠做到一次成功，減少甚至取消樣機調(diào)試。