Automated Board Layout using the Situs Topological Autorouter

Le routage des connexions sur une carte de circuit imprimé est une activité complexe et chronophage. Sur les cartes de grande taille ou à forte densité, le processus de routage peut prendre un temps considérable au concepteur, et un autorouteur peut l’y aider.

L’autorouteur Situs™ de Altium Designer utilise une technique d’analyse topologique pour cartographier l’espace de la carte qui, contrairement à une cartographie géométrique ou basée sur les formes, ne dépend ni de la forme des obstacles ni de leurs coordonnées. La cartographie topologique offre une plus grande flexibilité dans la détermination du chemin de routage et une direction de routage sans restriction.

Autoroutage de la carte

Le routeur topologique Situs apporte une nouvelle approche au défi de l’autoroutage. Il utilise d’abord une cartographie topologique avancée pour définir le chemin de routage, puis fait appel à une variété d’algorithmes de routage éprouvés pour convertir ce chemin « de type humain » en un routage de haute qualité. En tant que partie intégrante de l’éditeur PCB, il suit les définitions des règles électriques et de routage du PCB.

Configuration de la carte

Bien que Situs soit simple à configurer et à exécuter, certains points doivent être pris en compte pour obtenir un routage optimal.

Placement des composants

En fin de compte, le placement des composants a l’impact le plus significatif sur les performances de routage. L’éditeur PCB de Altium Designer comprend un certain nombre d’outils, tels que des lignes de connexion optimisées dynamiquement, qui vous permettent d’affiner le placement des composants. Le placement optimal des composants est obtenu lorsque les lignes de connexion sont aussi courtes et aussi peu « emmêlées » que possible.

D’autres bonnes pratiques de conception consistent à placer les composants de sorte que leurs pastilles soient sur une grille régulière (afin de maximiser l’espace libre entre les pastilles pour le routage), à placer des composants CMS de taille similaire exactement en vis-à-vis sur les cartes double face, et à consulter les fiches techniques des fabricants de composants pour les recommandations de placement des condensateurs de découplage. Cette liste n’est pas exhaustive ; il s’agit simplement de quelques suggestions.

Keepouts

Le routeur nécessite une limite fermée, constituée d’objets keepout placés. En général, cette limite suit le bord de la carte. Les objets placés respecteront la règle d’espacement applicable afin de garantir qu’ils restent à une distance appropriée de cette limite, pour satisfaire aux exigences d’espacement mécanique ou électrique du design. Le routeur respectera également les keepouts à l’intérieur de cette limite extérieure, ainsi que les keepouts spécifiques à une couche.

Vous pouvez créer une limite fermée qui suit le contour de la forme de la carte à l’aide de la boîte de dialogue Line/Arc Primitives from Board Shape dialog. Pour plus d’informations sur les keepouts, voir Object Specific Keepouts.

Remplissages de polygones

Les remplissages de polygones (ou de cuivre) peuvent être pleins (remplis avec une ou plusieurs régions de cuivre) ou hachurés (construits à partir de pistes et d’arcs). Un remplissage de polygone hachuré de taille moyenne à grande comprend un grand nombre de pistes et d’arcs. Bien que le routeur puisse router une carte qui inclut de tels remplissages de polygones, le très grand nombre d’objets qu’ils introduisent augmente la complexité du processus de routage.

En règle générale, vous ne devriez placer des remplissages de polygones avant le routage que s’ils sont nécessaires, par exemple s’ils sont utilisés pour construire un pré-routage de forme inhabituelle, comme le routage de l’alimentation secteur entrante ou une région de masse critique. Sinon, il est préférable d’ajouter les remplissages de polygones au design une fois le routage terminé.

Est-ce routable ?

Un autorouteur est une tentative humaine de comprendre et de modéliser le processus de routage, puis de reproduire automatiquement ce processus. Si la carte contient une zone qui ne peut pas être routée à la main, elle ne pourra pas non plus être autoroutée. Si le routeur échoue continuellement sur un composant ou une section de la carte, vous devriez essayer de la router de manière interactive. Il se peut qu’il y ait des problèmes de placement ou de configuration des règles qui rendent tout routage impossible.

Pré-routage

Pré-routez les nets critiques et, s’il est essentiel qu’ils ne soient pas modifiés par le processus de routage, verrouillez-les en activant l’option Lock All Pre-routes dans la boîte de dialogue Situs Routing Strategies dialog. Évitez toutefois les verrouillages inutiles ; un grand nombre d’objets verrouillés peut rendre le problème de routage beaucoup plus difficile.

Les nets de paires différentielles doivent être routés manuellement et verrouillés avant d’utiliser l’autorouteur. Si vous ne le faites pas, le routage risque fortement d’être modifié et d’altérer l’intégrité du signal de la paire différentielle.

Configuration des règles de conception

Assurez-vous que les règles de conception de routage sont adaptées à la technologie de carte que vous utilisez. Des règles de conception mal ciblées ou inappropriées peuvent entraîner de très mauvaises performances d’autoroutage. Notez que le routeur respecte toutes les règles de conception Electrical et Routing, à l’exception de la règle Routing Corners.

Les règles sont définies dans la boîte de dialogue PCB Rules and Constraints Editor dialog (Design » Rules), accessible directement depuis la boîte de dialogue Situs Routing Strategies.

Si une règle comprend des valeurs Minimum, Preferred et Maximum, l’autorouteur utilisera la valeur Preferred.

Les règles les plus importantes sont les règles Width et Clearance. Ces paramètres de technologie de routage définissent à quel point le routage peut être « compact ». Leur sélection est un processus d’équilibre : plus les pistes sont larges et plus l’espacement est grand, plus la carte est facile à fabriquer ; à l’inverse, plus les pistes et les espacements sont étroits, plus la carte est facile à router. Il est conseillé de consulter votre fabricant afin d’établir ses « seuils tarifaires » pour les largeurs de routage et les espacements, c’est-à-dire les valeurs en dessous desquelles les rendements de fabrication diminuent et le prix des PCB augmente. En plus de satisfaire les exigences électriques du design, la technologie de routage doit également être choisie en fonction de la technologie des composants, afin de permettre le routage jusqu’à chaque broche.

La troisième règle faisant partie de la technologie de routage est la règle Routing Via Style. Elle doit également être choisie en fonction des pistes et espacements utilisés, tout en tenant compte des coûts de fabrication liés à la taille de trou et à la couronne annulaire choisies.

Vous devez également éviter les règles excessives ou inutiles : plus il y a de règles, plus le temps de traitement est long et plus le routage est lent. Les règles peuvent être désactivées si elles ne sont pas nécessaires pour l’autoroutage.

Largeur de routage

Assurez-vous qu’il existe une règle Width rule avec une requête de type All (une règle par défaut), et que le paramètre Preferred est approprié pour la largeur de routage la plus courante dont vous avez besoin. Assurez-vous que cette largeur, combinée à la règle d’espacement appropriée, permet le routage vers toutes les pastilles. Configurez des règles supplémentaires de largeur de routage pour les nets nécessitant un routage plus large ou plus étroit.

S’il existe des composants à pas fin dont les broches appartiennent à des nets avec des largeurs de routage plus importantes — par exemple, des nets d’alimentation — testez le routage à partir d’une broche d’alimentation et routez également les broches de part et d’autre afin de vous assurer qu’il est physiquement possible de router ces broches.

Contrainte d’espacement

Vérifiez s’il existe des exigences particulières en matière d’espacement, comme des composants à pas fin dont les pastilles sont plus proches que les espacements standard de la carte. Cela peut être pris en charge à l’aide d’une règle de conception correctement ciblée et priorisée. Notez que, bien que vous puissiez définir une règle ciblant une empreinte, elle ne ciblera pas le routage qui se connecte à cette empreinte. Comme indiqué dans la section Largeur de routage, effectuez un routage de test pour vous assurer que les broches du composant sont routables.

Style de via de routage

Assurez-vous qu’il existe une règle Routing Via Style rule avec une requête de type All et que le paramètre preferred est approprié. Incluez des règles de priorité plus élevée pour les nets qui nécessitent un style de via différent de celui de la règle par défaut.

Altium Designer prend en charge les vias borgnes et enterrés ; leur utilisation est déterminée par les changements de couche autorisés par les Via Types définis dans le Layer Stack Manager (Design » Layer Stack Manager). Comme pour le routage interactif, lorsque l’autorouteur bascule entre deux couches, il vérifie les définitions actuelles de Via Type ; si ces couches sont définies comme une paire de couches borgnes ou enterrées, alors le via placé aura ces couches comme couches de début et de fin. Il est important de comprendre les restrictions liées à l’utilisation des vias borgnes/enterrés ; ils ne doivent être utilisés qu’en consultation avec votre fabricant. Outre les restrictions imposées par la technologie d’empilage de fabrication, il existe également des considérations de fiabilité et d’accessibilité pour les tests. Certains concepteurs estiment qu’il vaut mieux ajouter davantage de couches de routage que d’utiliser des vias borgnes/enterrés.

Couches de routage

Assurez-vous qu’il existe une règle Routing Layers rule avec une requête de type All. Toutes les couches de signal activées (définies dans l’empilage de couches) seront listées. Activez les couches sur lesquelles vous souhaitez autoriser le routage, selon les besoins. Incluez des règles de priorité plus élevée pour les nets que vous souhaitez voir routés uniquement sur des couches spécifiques.

Si vous souhaitez exclure un net particulier (ou une classe de nets) du routage par l’autorouteur, définissez une règle Routing Layer ciblant ce net ou cette classe de nets et, dans la région Constraints de cette règle, assurez-vous que l’option Allow Routing pour chaque couche de signal activée est désactivée. La priorité de cette règle doit être supérieure à celle de la règle par défaut (celle avec une requête de type All).

Directions des couches

Les directions de routage préférées sont spécifiées dans la boîte de dialogue Layer Directions, accessible depuis la boîte de dialogue Stratégies de routage Situs. Toutes les couches de signal activées (définies dans l’empilage de couches) y sont listées.

Choisissez des directions de couche adaptées au cheminement des lignes de connexion. Situs utilise une cartographie topologique pour définir les chemins de routage ; il n’est donc pas limité à un routage horizontal et vertical. En général, il est préférable que les couches externes soient horizontales et verticales. Toutefois, si vous avez une carte multicouche avec un grand nombre de connexions à un angle de « 2 heures », définissez alors une ou plusieurs couches internes avec cette direction comme direction de routage préférée. Le passage Layer Patterns, en particulier, exploite ces informations, et le choix de la bonne direction peut faire une différence significative sur les performances de routage, tant en temps qu’en qualité. Notez que lorsque vous utilisez des couches inclinées, vous n’avez pas besoin d’avoir une couche partenaire orientée à 90 degrés par rapport à cette couche, car le routeur effectuera généralement un routage horizontal ou vertical s’il doit éviter un obstacle sur une couche inclinée.

La boîte de dialogue Layer Directions

Priorité de routage

Utilisez les règles de Priorité de routage pour attribuer une priorité plus élevée aux nets difficiles, ou à ceux pour lesquels vous souhaitez obtenir le routage le plus propre.

Contrôle du fanout SMD

Le système de requêtes inclut des mots-clés qui ciblent spécifiquement les différents boîtiers de composants montés en surface, notamment IsLCC (Leadless Chip Carrier), IsSOIC (Small Outline IC) et IsBGA (Ball Grid Array). Des règles par défaut sont automatiquement créées pour les boîtiers les plus courants et, comme les passes de fanout sont exécutées tôt dans le processus d’autoroutage, il y a peu d’inconvénient à conserver des règles qui ne s’appliquent à aucun composant. Vous devriez avoir au moins une règle de conception de contrôle du fanout SMD s’il y a des composants montés en surface sur la carte ; une requête adaptée pour une règle unique ciblant tous les composants montés en surface serait IsSMTComponent. Pour savoir comment chaque mot-clé de requête identifie un boîtier de composant, ouvrez le Query Helper, saisissez le mot-clé requis et appuyez sur F1 .

Les règles de fanout incluent des paramètres qui contrôlent si les pastilles doivent être déployées vers l’intérieur, vers l’extérieur, ou selon un mélange des deux. Pour vous familiariser avec le comportement des attributs de la règle Fanout Control, la commande Route » Fanout » Component peut être exécutée sur n’importe quel composant monté en surface auquel aucun net n’est assigné. En plus de permettre de vérifier dans quelle mesure un composant se déploie correctement avec la technologie de routage actuellement définie dans la carte, vous pouvez également l’utiliser pour déployer un composant que vous souhaitez conserver dans une bibliothèque comme empreinte pré-déployée. Une fois le fanout réalisé dans l’espace de travail PCB, copiez-collez le composant ainsi que les pistes et vias de fanout dans une bibliothèque.

Priorités des règles

La préséance, ou priorité, des règles est définie par le concepteur. La priorité des règles est utilisée pour déterminer quelle règle appliquer lorsqu’un objet est couvert par plus d’une règle. Si la priorité n’est pas correctement définie, il se peut qu’une règle ne soit pas appliquée du tout.

Par exemple, si la règle avec une requête InNet('VCC') a une priorité inférieure à la règle avec une requête All, alors la règle All sera appliquée au net VCC. Utilisez le bouton Priorities dans la boîte de dialogue PCB Rules and Constraints Editor pour accéder à la boîte de dialogue Edit Rule Priorities, à partir de laquelle les priorités peuvent être affinées si nécessaire. Notez que la priorité n’est pas importante lorsque les portées de deux règles ne se chevauchent pas (ne ciblent pas les mêmes objets). Par exemple, peu importe laquelle de ces deux portées de règle a la priorité la plus élevée : InNet('VCC') ou InNet('GND').

La règle d’or

L’étape la plus importante consiste à effectuer une vérification des règles de conception (DRC) avant de démarrer l’autorouteur. Lors de l’utilisation des commandes Route » Auto Route » Setup ou Route » Auto Route » All, Situs effectue sa propre analyse préalable au routage et présente les résultats sous forme de rapport dans la boîte de dialogue Stratégies de routage Situs. Depuis cette boîte de dialogue, vous pouvez examiner le rapport du design et choisir la stratégie à utiliser pour le routage. La stratégie de routage constitue l’intelligence du routeur, définissant lesquels des différents algorithmes de routage utiliser et à quel moment afin de transformer les chemins de routage « virtuels » identifiés dans la carte topologique en un routage réel sur la carte, de haute qualité et très efficace.

Assurez-vous que le rapport de configuration du routage est exempt de problèmes avant de démarrer l’autorouteur.

Le rapport fournit notamment les informations suivantes :

• Les règles de conception actuellement définies pour le design qui seront respectées par l’autorouteur (ainsi que le nombre d’objets de conception — nets, composants, pastilles — affectés par chaque règle)
• Les directions de routage définies pour toutes les couches de routage de signal
• Les définitions des paires de couches de perçage

Le rapport répertorie les problèmes potentiels susceptibles d’affecter les performances du routeur. Lorsque cela est possible, des indications sont fournies afin de mieux préparer le design pour l’autoroutage. Toutes les erreurs/avertissements/indications listés doivent être examinés attentivement et, si nécessaire, les règles de routage correspondantes doivent être ajustées avant de poursuivre le routage du design.

Vérifiez toutes les erreurs, tous les avertissements et toutes les indications afin de comprendre les problèmes potentiels auxquels l’autorouteur sera confronté.

Il est essentiel de résoudre toute violation de règle liée au routage avant de démarrer l’autorouteur. Non seulement les violations peuvent empêcher le routage à l’emplacement de la violation, mais elles peuvent aussi considérablement ralentir le routeur, car il tente continuellement de router une zone impossible à router.

Remarques sur l’exécution de l’AutoRouter Situs

• Les commandes de l’autorouteur se trouvent dans le sous-menu Route » Auto Route.
• Les commandes Route » Auto Route » All et Route » Auto Route » Setup ouvrent toutes deux la boîte de dialogue Stratégies de routage Situs ; la différence est que lorsque vous choisissez All, la boîte de dialogue inclut un bouton Route All.
• N’ayez pas peur d’expérimenter. Si les résultats ne sont pas acceptables, modifiez l’approche du routeur. Ajoutez des passes intermédiaires de nettoyage et de redressement, créez davantage d’espace autour des zones denses ou modifiez les directions des couches.
• Au fur et à mesure de vos expérimentations avec le routeur — création de vos propres stratégies pour contrôler l’ordre des passes, modification du nombre de vias avec le contrôle Via, changement des directions de routage des couches, limitation du routeur aux seuls routages orthogonaux, etc. — prenez note des combinaisons que vous avez essayées. Vous pourrez ainsi identifier et réutiliser les configurations qui fonctionnent le mieux avec vos designs.
• Exécutez d’abord les passes de fanout seules et évaluez leur qualité. Il se peut que vous deviez effectuer manuellement le fanout de certaines zones problématiques.

• Utilisez les commandes suivantes du sous-menu Route » Auto Route pour effectuer des actions d’autoroutage spécifiques :

  • Net - router toutes les connexions d’un net spécifié. Après le lancement de la commande, l’autorouteur s’initialise et le curseur se transforme en réticule. Placez le curseur sur n’importe quelle ligne de connexion (ou pastille) du net que vous souhaitez router, puis cliquez ou appuyez sur Enter. L’autorouteur tentera d’autorouter toutes les connexions du net en utilisant la stratégie de routage Main .

  • Net Class - router toutes les connexions dans la ou les classes de nets spécifiées. Après le lancement de la commande, la boîte de dialogue Choose Net Classes to Route s’ouvre. Sélectionnez une ou plusieurs classes de nets que vous souhaitez router avec l’autorouteur, puis cliquez sur OK ; l’autorouteur tentera d’autorouter toutes les connexions de tous les nets dans la ou les classes de nets choisies en utilisant la stratégie de routage Main.

    
    La boîte de dialogue Choose Net Class to Route

  • Connection - router une connexion spécifique pastille-à-pastille dans le design courant.
  • Area - router toutes les connexions entièrement contenues (début et fin) dans une zone spécifiée. Après le lancement de la commande, l’autorouteur s’initialise et le curseur se transforme en réticule. Positionnez le curseur puis cliquez pour ancrer le premier coin de la zone de routage. Déplacez le curseur pour dimensionner la zone de routage puis cliquez pour ancrer le second coin. L’autorouteur tentera d’autorouter toutes les connexions commençant et se terminant dans la zone désignée en utilisant la stratégie de routage Main .

  • Room - router toutes les connexions entièrement situées à l’intérieur des limites d’une pièce sélectionnée. Après le lancement de la commande, l’Autorouteur s’initialise et le curseur prend la forme d’un réticule. Placez le curseur sur la pièce que vous souhaitez router, puis cliquez ou appuyez sur Enter. L’Autorouteur tentera d’autorouter toutes les connexions entièrement situées dans les limites de la pièce en utilisant la stratégie de routage Main.

    Pour router toutes les connexions entièrement situées dans les limites de la pièce sous le curseur, vous pouvez cliquer avec le bouton droit sur une pièce et choisir la commande Room Actions » Autoroute Room  dans le menu contextuel. Après le lancement de la commande, l’Autorouteur tentera d’autorouter toutes les connexions entièrement situées dans les limites de la pièce en utilisant la stratégie de routage Main.

  • Component - router toutes les connexions partant des pastilles d’un composant spécifié. Après le lancement de la commande, l’Autorouteur s’initialise et le curseur prend la forme d’un réticule. Placez le curseur sur le composant que vous souhaitez router, puis cliquez ou appuyez sur Enter. L’Autorouteur tentera d’autorouter toutes les connexions partant des pastilles du composant choisi, jusqu’à la pastille suivante rencontrée dans chaque cas, en utilisant la stratégie de routage Main.

    Pour router toutes les connexions partant des pastilles du composant sous le curseur, vous pouvez cliquer avec le bouton droit sur le composant et choisir la commande Component Actions » Autoroute Component  dans le menu contextuel.

  • Component Class - router toutes les connexions partant des pastilles des composants dans la ou les classes de composants spécifiées. Après le lancement de la commande, la boîte de dialogue Choose Component Classes to Route s’ouvre. Sélectionnez une ou plusieurs classes de composants que vous souhaitez router à l’aide de l’Autorouteur, spécifiez Connections Routing Mode , puis cliquez sur OK — l’Autorouteur tentera d’autorouter toutes les connexions partant des pastilles de tous les composants de la ou des classes de composants choisies en utilisant la stratégie de routage Main.

    
    La boîte de dialogue Choose Component Class to Route

  • Connections On Selected Components - router toutes les connexions partant des pastilles des composants actuellement sélectionnés dans l’espace de conception. Après le lancement de la commande, l’Autorouteur tentera d’autorouter toutes les connexions partant des pastilles des composants sélectionnés, jusqu’à la pastille suivante rencontrée dans chaque cas, en utilisant la stratégie de routage Main.
  • Connections Between Selected Components - router toutes les connexions passant entre les composants actuellement sélectionnés dans l’espace de conception. Après le lancement de la commande, l’Autorouteur tentera d’autorouter toutes les connexions passant entre les pastilles des composants sélectionnés en utilisant la stratégie de routage Main.
• Utilisez les commandes suivantes du sous-menu Route » Auto Route pour contrôler le processus d’autoroutage :
  • Stop - arrêter le processus d’autoroutage à la fin de la passe de routage en cours. L’Autorouteur s’arrêtera et aucun autre routage de la carte n’aura lieu. Toutes les connexions de la carte déjà routées resteront routées.
  • Reset - réinitialiser l’Autorouteur — en initialisant la mémoire nécessaire à l’autorouteur avant qu’il ne tente de router. Cela vous permet de modifier efficacement la stratégie de routage existante, ou de passer à une autre stratégie de routage, à la volée, lors du routage de la carte entière. Après le lancement de la commande, la boîte de dialogue Situs Routing Strategies s’ouvre. Utilisez la boîte de dialogue pour apporter des modifications à la stratégie de routage actuelle (lorsque cela est possible) ou pour passer à une autre, puis cliquez sur le bouton Route All. L’Autorouteur s’initialisera pour le routage sur la base de la stratégie modifiée/différente.
  • Pause - mettre en pause l’opération d’autoroutage en cours. Après le lancement de la commande, la progression de l’Autorouteur sera temporairement interrompue. Pour reprendre, exécutez à nouveau la commande (qui apparaît désormais comme la commande Route » Auto Route » Resume ).

Résumé des passes de routage et des stratégies de routage

Les stratégies de routage actuellement définies sont répertoriées dans la partie inférieure de la boîte de dialogue Situs Routing Strategies. Cliquez sur le bouton Add pour accéder à la boîte de dialogue Situs Strategy Editor, à partir de laquelle vous pouvez spécifier les passes à inclure dans une nouvelle stratégie. Vous pouvez également utiliser le bouton Duplicate pour dupliquer une stratégie existante, puis la modifier selon vos besoins. L’inclusion de diverses passes de routage et l’ordre dans lequel elles sont utilisées constituent « l’intelligence » de l’Autorouteur. Ces passes servent à transformer les chemins de routage virtuels identifiés dans la carte topologique en routages de haute qualité sur la carte.

Exemple de modification d’une stratégie dupliquée.

Les passes de routage suivantes sont disponibles. Les passes peuvent être utilisées dans n’importe quel ordre ; à titre indicatif, examinez une stratégie existante pour voir l’ordre des passes.

Voir aussi