Что такое автоматическая маршрутизация? Определение, Типы и процесс
2026-09-10
- Что такое автоматическая маршрутизация печатных плат (Autorouting)?
- Как работает автоматическая маршрутизация печатных плат?
- Типы алгоритмов автоматической маршрутизации, используемых в печатных платах
- Ограничения автоматической маршрутизации печатных плат
- Рекомендации по использованию автоматической маршрутизации
- Заключение
плотная многослойная печатная плата обычно относится к сложной печатной плате, которая имеет три или болеемедных слоя, уложенные друг на друга слои диэлектрической изоляции и отличается высокой плотностью монтажа компонентов и высокой плотностью межсоединений.
Меньшая площадь печатной платы обычно приводит к более высокой плотности компонентов, тем самым позволяя выполнять больше функций на единицу площади и уменьшая потребность во внешней проводке.
Компактная плотность этой многослойной печатной платы обусловлена пространственной оптимизацией многослойных сегментов. Проектировщики добиваются более компактной конструкции, прокладывая трассы сигналов для размещения большего количества цепей на очень небольших площадях. Плотность является результатом интеграции следующих основных функций:
·
Межсоединения высокой плотности (HDI)Приложения для устройств: Широко используются пакеты, такие какBGA и QFNс выводами с мелким шагом (напр.g., шаг штифта < 0,5 мм), что приводит к резкому увеличению количества узлов, которые необходимо соединить между собой на единицу площади.
·
·
Усовершенствованные трассы и высоты: благодаря усовершенствованнойпроизводственных процессахширина линии / межстрочный интервал может достигать 3-4 мил (приблизительно 75-100 микрон) или даже меньше, что обеспечивает физическую основу для проводки, но также предъявляет строгие требования к настройке правил.
·
·
Сложная структура межслойных соединений: широкое использование глухих переходов, скрытых переходов и микровазов для достижения трехмерных пространственных соединений между различными уровнями сигнала, что является ключом к освобождению места для маршрутизации и достижению высокой плотности.
·
·
Многоуровневая сеть распределения электроэнергии (PDN): благодаря выделенным плоскостям питания и заземления обеспечивает стабильнуюисточник питаниядля многочисленных компонентов и контролирует пути возврата сигнала, что имеет решающее значение для целостности сигнала (SI) и электромагнитной совместимости (EMC).
·
Многослойные схемы обычно используются в средствах связи высокого класса,медицинские устройства,автомобильная электроникаи другие области, где эти устройства выигрывают от меньшего размера печатной платы. Некоторые продвинутые коммуникационные платы, особенно те, которые связаны с телекоммуникациями, сетевыми или радиолокационными модулями, могут достигать более 20 слоев печатных плат. Однако это также создает основную проблему для маршрутизации: соблюдение всех требований к электрическим характеристикам, целостности сигнала и технологичности в условиях крайне ограниченного пространства.
Что такое автоматическая маршрутизация печатных плат (Autorouting)?
Автоматическая маршрутизация печатных плат – это больше, чем инструмент для подключения; это процесс последующей обработки макета печатной платы, который управляется алгоритмами, управляемыми программным обеспечением. Автоматический маршрутизатор независимо определяет и устанавливает геометрическое расположение трасс и переходов в соответствии с заранее заданными физическими и электрическими ограничениями, которые генерируются на основе импортированного списка сетей, полученного из схемы.
Другими словами, процесс автоматической маршрутизации основан на программном обеспечении, определяющем физическое расположение сигнальных путей и переходных отверстий для многослойных печатных плат, используя описание схемы из списка сетей. Успех этого процесса зависит от полноты и точности правил, определяющих ограничения. Ограничения обычно соответствуют предопределенным форматам, которые формируют основу для процесса автоматической маршрутизации, включая:
00001.
Физические правила:Ширина трассы, расстояние между трассамисогласностандартам IPC, а также размер и ограничения для различныхтипов отверстий (сквозные, глухие и заглубленные отверстия).
00002.
00003.
Правила использования электроприборов:
00004.
·
Контроль импеданса:Определите желаемый импеданс для высокоскоростных сигналов (таких как DDR и PCIe) и примените его с помощью ширины трассы, толщины диэлектрика и опорных плоскостей.
·
·
Ограничение по времени:Выполните маршрутизацию равной длины или сопоставление по длине для групп сигналов, которые нуждаются в синхронизации, таких как временные области и шины данных, чтобы контролировать задержки сигнала.
·
00005.
Правила топологии:Укажите порядок подключения основных сетей для решения проблем перегрузки при планировании маршрутов и компоновок.
00006.
Основная цель состоит в создании решения для маршрутизации, которое может соответствовать электрическим ограничениям, оптимизировать целостность сигнала и соответствоватьограничениям по технологичности (DFM).
Как работает автоматическая маршрутизация печатных плат?
Автоматическая маршрутизация печатных плат – это многоступенчатый процесс оптимизации, и его общий рабочий процесс выглядит следующим образом:
00001.
Предварительная обработка и настройка ограничений:
00002.
·
Включите оптимизированную компоновку компонентов, поскольку неэффективная компоновка компонентов является основной причиной сбоя маршрутизации.
·
·
Загрузите набор правил для электрических ограничений (трассировка / пространство), параметров для дифференциальных пар, целевых значений импеданса и правил для толщины и диаметра переходных отверстий.
·
·
Эти правила лежат в основе всех следующих операций, выполняемых алгоритмом.
·
00001.
Сортировка по сетевому приоритету:
00002.
·
Инструмент различает типы сетей на основе критичности (например, сети синхронизации, дифференциальные пары, высокоскоростные сигналы) и на основе сложности маршрутизации (например, BGA escape routing).
·
·
Сети с высоким приоритетом получают предпочтение при распределении ресурсов маршрутизации.
·
00001.
Исследование пути и маршрутизация (этап основного алгоритма):
00002.
·
Механизм маршрутизации использует множество алгоритмов для поиска путей в сетке ресурсов маршрутизации печатной платы. Основная цель состоит в том, чтобы найти наилучший путь (минимизация определенной функции затрат, возможно, с учетом длины, количества проходов, загруженности и т.д.), который существует между двумя точками без нарушения правил проектирования (DRC).
·
·
Комбинация гибридных алгоритмов:Современные автоматические маршрутизаторы используют гибридный подход, а не чистый алгоритм. Таким образом, например, алгоритм кратчайшего пути на основе графа (такой как A *) может быть использован при начальной маршрутизации подключения; затем алгоритм, учитывающий перегрузку, может быть использован при глобальной маршрутизации; наконец, маршрутизация на основе перемещения или формы может быть использована при детализации геометрии трассы.
·
00001.
С помощью стратегии и оптимизации:
00002.
·
Алгоритм автоматически добавляет переходы, когда требуются переходы слоев. Опытный маршрутизатор учитывает пути возврата сигнала, тепловой анализ и плоскости для предотвращения чрезмерного использования переходов, особенно ввысокоскоростныхтрассах.
·
00001.
Итеративная оптимизация и разрешение конфликтов:
00002.
·
Для тех сетей, которые не имеют пути маршрутизации или не следуют правилам автоматической маршрутизации, запускается процесс “отключения и перенаправления”, а затем повторяются попытки до сходимости или достижения предела итераций.
·
·
Постобработка и валидация: После завершения процесса автоматической прокладки маршрута выполняетсяпроверка правил проектирования (DRC)и сравнение компоновки со схемой (LVS).
·
00001.
Важнейший замкнутый цикл моделирования:
00002.
·
Результаты автоматической маршрутизации печатных плат не могут быть использованы непосредственно в производстве. Отражение, перекрестные помехи и синхронизация должны быть проверены с помощью моделирования целостности сигнала (SI); импеданс и шум сети электропитания должны быть проверены с помощью моделирования целостности питания (PI). Результаты моделирования часто необходимо возвращать в правила ограничений или макет для нескольких раундов итеративной оптимизации.
·
Типы алгоритмов автоматической маршрутизации, используемых в печатных платах
| Типы алгоритмов | Особенности | Вариантов использования |
| маршрутизации в лабиринте | Выполните поиск пространства маршрутизации в каждой ячейке, чтобы определить, существует ли допустимый путь между двумя выводами при заданных ограничениях. | Первоначальное обнаружение путей при маршрутизации печатных плат и СБИС |
| Кратчайший путь на основе графика | Находит пути с минимальной стоимостью на основе длины, переходов и штрафов за перегрузку | Подпрограмма внутри автотрассы |
| Rip-Up and Re-Route (R & R) | Удаляет существующие маршруты и перенаправляет их с учетом обновленных затрат | Глобальная оптимизация маршрутизации |
| Согласованная маршрутизация за перегрузку | Постепенно наказывает за чрезмерно используемые ресурсы, пока перегрузка не устранится | Глобальная маршрутизация в плотных конструкциях |
| Маршрутизация “Толкай-и-толкай” | Перемещает существующие трассы для создания пространства при сохранении DRC | Интерактивная и автоматическая маршрутизация печатных плат маршрутизация |
| Маршрутизация на основе формы | Маршруты с использованием реальных контуров вместо ячеек сетки | Современные автотрассы печатных плат (fine pitch, HDI) |
| Топологическая маршрутизация | Определяет относительный порядок маршрутизации и топологию до определения геометрии | Раннее планирование маршрутизации |
| Иерархическая маршрутизация | Разбивает большие проекты на области и прокладывает маршруты иерархически | Большие многослойные платы |
| Генетические алгоритмы | Эволюционирующие решения маршрутизации на протяжении поколений | Исследовательские прототипы |
| Поиск по дереву Монте-Карло (MCTS) | Исследует решения о маршрутизации с использованием стохастической выборки | Новые исследования EDA |
Ограничения автоматической маршрутизации печатных плат
·
Плохая компоновка компонентов сделает любой автоматический маршрут неэффективным
·
·
Оптимальноеразмещение компонентовможет привести к неразрешимой перегрузке маршрутизации
·
·
Аналоговые, радиочастотные сети, силовые цепи и силовые преобразователи, чувствительные к шуму, требующие специального согласования или экранирования, должны полагаться на инженеров при ручной маршрутизации или управляемой маршрутизации для обеспечения целостности сигнала
·
·
Алгоритмы обычно ищут “приемлемые решения”, а не математически глобальные оптимальные решения, что может привести к чрезмерному количеству переходов или неидеальной маршрутизации, усилению таких эффектов, как отражение от земли и перекрестные помехи, и ухудшению электрических характеристик
·
·
Чрезмерно сложные или противоречивые правила проектирования могут привести к застою алгоритма или появлению непредвиденныхшаблонов маршрутизации.
·
Рекомендации по использованию автоматической маршрутизации
00001.
Ограничения Во-первых, совместная работа с макетом:Разработайте подробные и согласованные правила ограничений перед автоматической прокладкой маршрута и сотрудничайте с макетом печатной платы для оптимизации.
00002.
00003.
Предварительная маршрутизация критически важных сетей вручную:Часы предварительной маршрутизации вручную, критические дифференциальные пары, чувствительные аналоговые сигналы и т.д., заблокируйте их пути и слои и установите “основные дороги” для автоматической маршрутизации.
00004.
00005.
Иерархическая и зональная стратегия:Планируйте основные направления маршрутизации для каждого сигнального уровня (e.g., горизонтальная маршрутизация для слоя X и вертикальная маршрутизация для слоя Y), и используйте силовые /наземные плоскостидля эффективной изоляции.
00006.
00007.
Поэтапная и выборочная маршрутизация:Сначала запустите сети с высоким приоритетом, проверьте результаты, а затем маршрутизируйте сети общего назначения. Для чрезвычайно сложных модулей рассмотрите маршрутизацию по регионам.
00008.
00009.
Итеративная оптимизация на основе моделирования:Установите замкнутый цикл “маршрутизация – моделирование – корректировка правил / компоновки – повторная маршрутизация”, который является единственным надежным путем к достижению высокопроизводительного проектирования.
00010.
Заключение
Автоматическое перенаправление плотноймногослойные печатные платы– это сложная технология, которая объединяет строгие правила проектирования, эффективные алгоритмы поиска и глубокий инженерный опыт. Понимание принципов его работы, умение устанавливать ограничения и четкое осознание его ограничений являются ключами к достижению эффективного взаимодействия человека и машины. Только объединив мощные вычислительные возможности автоматической маршрутизации печатных плат с профессиональным суждением инженеров в области архитектуры системы, целостности сигнала и технологичности, мы сможем эффективно и надежно решать задачи проектирования печатных плат для современных высокопроизводительных электронных изделий высокой плотности.
