Situsトポロジカル・オートルーターを使用した基板レイアウトの自動化

プリント基板上の接続を配線する作業は複雑で、時間がかかります。 大規模な基板や高密度な基板では、設計者が配線にかなりの時間を費やすことがありますが、オートルーターを活用すれば、この作業を支援できます。

Altium DesignerのSitus™オートルーターは、トポロジー解析手法を使用して基板空間をマッピングします。この手法は、幾何学的なマッピングや形状ベースのマッピングとは異なり、障害物の形状や座標に依存しません。トポロジカルマッピングにより、配線経路をより柔軟に決定でき、配線方向にも制限がありません。

基板の自動配線

Situsトポロジカルルーターは、自動配線の課題に新しいアプローチをもたらします。まず高度なトポロジカルマッピングで配線経路を定義し、次に実績のあるさまざまな配線アルゴリズムを使用して、この「人間らしい」経路を高品質な配線に変換します。PCBエディターに統合されているため、PCBの電気的ルールおよび配線ルールの定義に従って動作します。

基板のセットアップ

Situsの設定と実行は簡単ですが、最適な配線結果を得るために注意すべき点がいくつかあります。

部品配置

最終的に、配線性能に最も大きな影響を与えるのは部品配置です。Altium DesignerのPCBエディターには、動的に最適化される接続線など、部品配置を微調整するためのさまざまなツールが用意されています。最適な部品配置とは、接続線ができるだけ短く、かつ「絡み合い」ができるだけ少ない配置です。

そのほかの推奨される設計手法としては、パッドが規則的なグリッド上に並ぶように部品を配置すること（パッド間の配線用空きスペースを最大限に確保するため）、両面基板で同程度のサイズの表面実装部品を表裏の正確に向かい合う位置に配置すること、デカップリング部品の配置指針についてデバイスメーカーのデータシートを参照することなどがあります。これらは配置に関する考慮事項を網羅したものではなく、いくつかの提案にすぎません。

キープアウト

ルーターには、配置されたキープアウトオブジェクトで構成される閉じた境界が必要です。通常、この境界は基板の外周に沿って設定します。配置されるオブジェクトには、適用されるクリアランスルールが適用され、この境界から適切な距離を保つことで、設計に必要な機械的または電気的クリアランス要件を満たします。ルーターは、この外周境界の内側にあるキープアウトや、レイヤー固有のキープアウトにも従います。

基板形状からライン／アークプリミティブを作成するダイアログを使用すると、基板形状の外周に沿った閉じた境界を作成できます。キープアウトの詳細については、オブジェクト固有のキープアウトを参照してください。

ポリゴンポア

ポリゴンポア（銅箔の塗りつぶし）には、ソリッド（1つ以上の銅箔領域で塗りつぶす形式）とハッチング（トラックとアークで構成する形式）があります。中規模から大規模のハッチングポリゴンポアには、多数のトラックとアークが含まれます。このようなポリゴンポアがある基板でもルーターは配線できますが、追加されるオブジェクトの数が非常に多いため、配線処理が複雑になります。

通常、配線前にポリゴンポアを配置するのは、必要な場合に限るべきです。たとえば、商用電源の入力配線や重要なグランド領域など、特殊な形状の事前配線を作成するために使用する場合です。それ以外の場合は、配線の完了後にポリゴンポアを設計に追加することをお勧めします。

配線は可能か？

オートルーターは、人間が配線プロセスを理解してモデル化し、そのプロセスを自動で再現しようとするものです。手動で配線できない領域が基板にある場合、その領域は自動でも配線できません。特定の部品や基板の一部でルーターが繰り返し配線に失敗する場合は、インタラクティブ配線を試してください。部品配置やルール設定に問題があり、そもそも配線できない状態になっている可能性があります。

事前配線

重要なネットは事前に配線しておき、配線処理によって変更されないことが必須であれば、Situs配線ストラテジーダイアログのLock All Pre-routesオプションを有効にしてロックします。ただし、不必要なロックは避けてください。ロックされたオブジェクトが多いと、配線がはるかに難しくなることがあります。

差動ペアのネットは、オートルーターを使用する前に手動で配線し、ロックする必要があります。そうしないと、配線が変更され、差動ペアのシグナルインテグリティに影響が及ぶ可能性が非常に高くなります。

デザインルールの設定

配線のデザインルールが、使用する基板技術に適していることを確認してください。対象の指定が不適切なルールや、用途に適さないデザインルールは、自動配線の性能を大幅に低下させる原因になります。なお、ルーターは、配線コーナールールを除くすべての電気的デザインルールおよび配線デザインルールに従います。

ルールは、PCBルールと制約エディターダイアログ（Design » Rules）で定義します。このダイアログには、Situs Routing Strategiesダイアログから直接アクセスできます。

ルールに最小値、推奨値、最大値がある場合、オートルーターは推奨値を使用します。

最も重要なのは、配線幅ルールとクリアランスルールです。これらの配線技術に関する設定によって、配線をどこまで密に「詰め込める」かが決まります。設定値の選択では、バランスを取る必要があります。トラック幅とクリアランスを大きくすると基板を製造しやすくなりますが、小さくすると配線しやすくなります。配線幅とクリアランスについて、それを下回ると製造歩留まりが低下し、PCBの価格が上がる境界値を、基板メーカーに確認することをお勧めします。また、配線技術は、設計の電気的要件を満たすだけでなく、各ピンに配線できるよう、使用する部品技術にも適したものを選択する必要があります。

配線技術に関わる3つ目のルールは、配線ビアスタイルです。これも、選択した穴径とアニュラリングによる製造コストを考慮しながら、使用するトラック幅とクリアランスに適したものを選択する必要があります。

過剰なルールや不要なルールも避けてください。ルールが増えるほど処理時間が長くなり、配線速度が低下します。自動配線に不要なルールは無効にできます。

配線幅

Query が All の Width ルール（デフォルトルール）が存在し、Preferred 設定が最もよく使用する配線幅に適していることを確認してください。この配線幅と適切なクリアランスルールの組み合わせで、すべてのパッドに配線できることも確認してください。より広い、または狭い配線幅が必要なネットには、追加の配線幅ルールを設定します。

電源ネットなど、配線幅の広いネットに接続されたピンを持つファインピッチ部品がある場合は、電源ピンから引き出し配線を試し、その両隣のピンからも引き出し配線を行って、これらのピンを物理的に配線できることを確認してください。

クリアランス制約

パッド間隔が基板の標準クリアランスよりも狭いファインピッチ部品など、特別なクリアランス要件がないか確認してください。これらには、適切な適用範囲と優先順位を設定したデザインルールで対応できます。フットプリントを対象とするルールを定義することはできますが、そのルールはフットプリントに接続する配線には適用されないことに注意してください。配線幅のセクションで述べたように、試しに配線を行い、部品のピンに配線できることを確認してください。

配線ビアスタイル

Query が All の Routing Via Style ルールが存在し、優先設定が適切であることを確認してください。デフォルトルールとは異なるビアスタイルが必要なネットには、より優先順位の高いルールを追加します。

Altium Designer はブラインドビアとベリードビアをサポートしています。これらを使用するタイミングは、Layer Stack Manager（Design » Layer Stack Manager）で定義された Via Types によって許可される層間遷移によって決まります。インタラクティブ配線と同様に、オートルーターは2つの層の間を切り替える際、現在のビアタイプ定義を確認します。これらの層がブラインドまたはベリードの層ペアとして定義されている場合、配置されるビアでは、これらの層が開始層と終了層になります。ブラインドビアやベリードビアの使用上の制約を理解することが重要です。使用する際は、必ず基板製造業者に相談してください。製造時の積層技術による制約に加え、信頼性やテスト時のアクセス性も考慮する必要があります。設計者によっては、ブラインドビアやベリードビアを使用するよりも、配線層を増やす方がよいと考える場合もあります。

配線層

クエリが All の Routing Layers ルールが存在することを確認してください。有効なすべての信号層（レイヤースタックで定義）が一覧表示されます。必要に応じて、配線を許可する層を有効にします。特定の層でのみ配線したいネットには、より優先順位の高いルールを追加します。

特定のネット（またはネットクラス）をオートルーターによる配線の対象から除外する場合は、そのネットまたはネットクラスを対象とする Routing Layers ルールを定義し、そのルールの Constraints 領域で、有効な各信号層の Allow Routing オプションが無効になっていることを確認してください。このルールの優先順位は、デフォルトルール（クエリが All のルール）よりも高くする必要があります。

レイヤーの配線方向

優先配線方向は、Situs Routing Strategies ダイアログからアクセスする Layer Directions ダイアログで指定します。 有効なすべての信号層（レイヤースタックで定義）が一覧表示されます。

接続線の流れに合わせて、適切なレイヤーの配線方向を選択してください。Situs はトポロジカルマッピングを使用して配線経路を定義するため、水平方向と垂直方向の配線に制限されません。通常、外層は水平方向と垂直方向に設定するのが最適です。ただし、「2時の方向」の接続が多数ある多層基板では、1つ以上の内層の優先配線方向をその方向に設定してください。特に Layer Patterns パスはこの情報を利用するため、適切な方向を選択すると、配線の所要時間と品質の両面で大きな違いが生じることがあります。斜め方向の層を使用する場合、その層に対して90度の方向となる対の層を設ける必要はありません。斜め方向の層で障害物を回避する必要がある場合、ルーターは通常、水平方向または垂直方向に配線するためです。

Layer Directions ダイアログ

配線優先順位

Routing Priority ルールを使用して、配線が難しいネットや、できるだけ整った配線にしたいネットの優先順位を高く設定します。

SMD ファンアウト制御

クエリシステムには、IsLCC（リードレスチップキャリア）、IsSOIC（小型外形 IC）、IsBGA（ボールグリッドアレイ）など、さまざまな表面実装部品パッケージを個別に対象とするキーワードが含まれています。一般的なパッケージにはデフォルトルールが自動的に作成されます。ファンアウトパスは自動配線処理の初期段階で実行されるため、どの部品にも適用されないルールを残しておいても、ほとんど負荷にはなりません。基板上に表面実装部品がある場合は、SMD ファンアウト制御のデザインルールを少なくとも1つ設定してください。すべての表面実装部品を1つのルールで対象とする場合は、クエリに IsSMTComponent を使用するのが適切です。各クエリキーワードが部品パッケージをどのように識別するかについては、Query Helper を開き、目的のキーワードを入力して F1 を押してください。

ファンアウトルールには、パッドから内側へ引き出すか、外側へ引き出すか、または両方を組み合わせるかを制御する設定があります。Fanout Control ルールの各属性の動作を把握するために、ネットが割り当てられていない任意の表面実装部品に対して、Route » Fanout » Component コマンドを実行できます。これにより、基板に現在定義されている配線技術で部品が適切にファンアウトされるかを確認できるほか、ファンアウト済みフットプリントとしてライブラリに保存したい部品をファンアウトすることもできます。PCB ワークスペースでファンアウトした後、部品とファンアウト用の配線およびビアをコピーして、ライブラリに貼り付けてください。

ルールの優先順位

ルールの適用順序、つまり優先順位は設計者が定義します。ルールの優先順位は、1つのオブジェクトに複数のルールが適用される場合に、どのルールを適用するかを決定するために使用されます。優先順位が正しく設定されていないと、あるルールがまったく適用されないことがあります。

たとえば、クエリが InNet('VCC') のルールの優先順位が、クエリが All のルールよりも低い場合、VCC ネットには All ルールが適用されます。PCB ルールと制約エディターダイアログの Priorities ボタンを使用して、ルールの優先順位の編集ダイアログを開き、必要に応じて優先順位を調整します。2 つのルールの適用範囲が重複していない（同じオブジェクトを対象としていない）場合、優先順位は関係ありません。たとえば、InNet('VCC') と InNet('GND') のどちらの適用範囲を持つルールの優先順位が高くても、結果に違いはありません。

鉄則

最も重要なのは、オートルーターを開始する前にデザインルールチェック（DRC）を実行することです。Route » Auto Route » Setup または Route » Auto Route » All コマンドを使用すると、Situs は独自の配線前解析を実行し、その結果をレポートとして Situs 配線ストラテジーダイアログに表示します。 このダイアログで設計のレポートを詳しく確認し、配線時に使用するストラテジーを選択できます。配線ストラテジーはルーターの知能に相当し、トポロジーマップで特定された「仮想」の配線経路を、基板上の高品質で効率的な実際の配線に変換するために、各種配線アルゴリズムをいつ、どのように使用するかを定義します。

オートルーターを開始する前に、配線セットアップレポートに問題がないことを確認してください。

レポートには、次の情報が含まれます。

• 設計に現在定義されている、オートルーターが従うデザインルール（および各ルールの影響を受ける設計オブジェクト数：ネット、コンポーネント、パッド）
• すべての信号配線レイヤーに定義されている配線方向
• ドリルレイヤーペアの定義

レポートには、ルーターのパフォーマンスに影響する可能性がある問題が一覧表示されます。可能な場合は、自動配線に向けて設計をより適切に準備するためのヒントも提示されます。設計の配線に進む前に、一覧表示されているエラー、警告、ヒントをすべて詳しく確認し、必要に応じて対応する配線ルールを調整してください。

すべてのエラー、警告、ヒントを確認し、オートルーターが直面する可能性のある問題を把握してください。

オートルーターを開始する前に、配線に関するルール違反をすべて解消することが不可欠です。違反があると、その場所で配線できなくなるだけでなく、ルーターが配線不可能な領域で配線を繰り返し試みるため、処理速度が大幅に低下する場合もあります。

Situs AutoRouter の実行に関する注意事項

• オートルーターのコマンドは、Route » Auto Route サブメニューにあります。
• Route » Auto Route » All コマンドと Route » Auto Route » Setup コマンドは、どちらも Situs 配線ストラテジーダイアログを開きます。違いは、All を選択した場合、ダイアログに Route All ボタンが表示されることです。
• 積極的に試行してください。満足のいく結果が得られない場合は、ルーターの処理方法が変わるように何らかの変更を加えます。途中にクリーンアップや直線化のパスを追加する、密集した領域の周囲に余裕を設ける、レイヤーの配線方向を変更するなどの方法があります。
• 独自のストラテジーを作成してパスの順序を制御する、Via コントロールでビア数を変更する、配線レイヤーの方向を変更する、直交配線のみに制限するなど、ルーターでさまざまな設定を試す際は、試した組み合わせを記録しておいてください。そうすることで、設計に最適な設定を特定し、再利用できるようになります。
• まずファンアウトパスだけを実行し、その品質を評価してください。問題のある領域では、手動でファンアウトする必要がある場合があります。

• 特定の自動配線操作を実行するには、 Route » Auto Route サブメニューの次のコマンドを使用します。

  • Net - 指定したネット内のすべての接続を配線します。 コマンドを実行すると、オートルーターが初期化され、カーソルが十字形に変わります。配線するネット内の任意の接続線（またはパッド）にカーソルを合わせ、クリックするか Enter を押します。オートルーターは、 Main 配線ストラテジーを使用して、ネット内のすべての接続の自動配線を試みます。

  • Net Class - 指定したネットクラス内のすべての接続を配線します。コマンドを実行すると、Choose Net Classes to Route ダイアログが開きます。オートルーターで配線するネットクラスを 1 つ以上選択し、OK をクリックします。オートルーターは、Main 配線ストラテジーを使用して、選択したネットクラスに属するすべてのネットの全接続の自動配線を試みます。

    
    Choose Net Class to Route ダイアログ

  • Connection - 現在の設計内の特定のパッド間接続を配線します。
  • Area - 指定した領域内に完全に収まる（始点と終点の両方が領域内にある）すべての接続を配線します。 コマンドを実行すると、オートルーターが初期化され、カーソルが十字形に変わります。カーソルを配置してクリックし、配線領域の最初のコーナーを確定します。カーソルを動かして配線領域のサイズを調整し、クリックして 2 番目のコーナーを確定します。オートルーターは、 Main 配線ストラテジーを使用して、指定した領域内に始点と終点があるすべての接続の自動配線を試みます。

  • Room - 選択したルームの境界内に完全に収まるすべての接続を配線します。コマンドを実行すると、オートルーターが初期化され、カーソルが十字形に変わります。配線するルームにカーソルを合わせ、クリックするか Enter を押します。オートルーターは、 Main 配線ストラテジーを使用して、ルームの境界内に完全に収まるすべての接続の自動配線を試みます。

    カーソル下のルームの境界内に完全に収まるすべての接続を配線するには、ルーム上で右クリックし、コンテキストメニューから Room Actions » Autoroute Room  コマンドを選択することもできます。 コマンドを実行すると、オートルーターは、 Main 配線ストラテジーを使用して、ルームの境界内に完全に収まるすべての接続の自動配線を試みます。

  • Component - 指定したコンポーネントのパッドから延びるすべての接続を配線します。 コマンドを実行すると、オートルーターが初期化され、カーソルが十字形に変わります。配線するコンポーネントにカーソルを合わせ、クリックするか Enter を押します。オートルーターは、 Main 配線ストラテジーを使用して、選択したコンポーネントのパッドから延びるすべての接続について、それぞれ次のパッドまでの自動配線を試みます。

    カーソル下のコンポーネントのパッドから延びるすべての接続を配線するには、コンポーネント上で右クリックし、コンテキストメニューから Component Actions » Autoroute Component  コマンドを選択することもできます。

  • Component Class - 指定したコンポーネントクラスに属するコンポーネントのパッドから延びるすべての接続を配線します。コマンドを実行すると、Choose Component Classes to Route ダイアログが開きます。オートルーターで配線するコンポーネントクラスを 1 つ以上選択し、Connections Routing Mode を指定してから OK をクリックします。オートルーターは、Main 配線ストラテジーを使用して、選択したコンポーネントクラスに属するすべてのコンポーネントのパッドから延びる全接続の自動配線を試みます。

    
    Choose Component Class to Route ダイアログ

  • Connections On Selected Components - デザインスペースで現在選択されているコンポーネントのパッドから延びるすべての接続を配線します。 コマンドを実行すると、オートルーターは Main 配線ストラテジーを使用して、選択したコンポーネントのパッドから、それぞれ次に到達するパッドまでのすべての接続の自動配線を試みます。
  • Connections Between Selected Components - デザインスペースで現在選択されているコンポーネント間のすべての接続を配線します。 コマンドを実行すると、オートルーターは Main 配線ストラテジーを使用して、選択したコンポーネントのパッド間のすべての接続の自動配線を試みます。
• 自動配線プロセスを制御するには、 Route » Auto Route サブメニューの以下のコマンドを使用します。
  • Stop - 現在の配線パスが完了した時点で自動配線プロセスを終了します。 オートルーターは停止し、基板の配線はそれ以上行われません。基板上ですでに配線されている接続は、そのまま維持されます。
  • Reset - オートルーターをリセットし、配線を試みる前に必要なメモリを初期化します。これにより、基板全体の配線中に、既存の配線ストラテジーを変更したり、別の配線ストラテジーに切り替えたりできます。 コマンドを実行すると、 Situs Routing Strategiesダイアログが開きます。 このダイアログで現在の配線ストラテジーを変更するか（変更可能な場合）、別のストラテジーに切り替えてから、 Route All ボタンをクリックします。オートルーターは、変更後または切り替え後のストラテジーに基づいて配線の初期化を行います。
  • Pause - 現在の自動配線操作を一時停止します。コマンドを実行すると、オートルーターの処理が一時的に停止します。再開するには、このコマンドをもう一度実行します（この時点では Route » Auto Route » Resume コマンドとして表示されます）。

配線パスと配線ストラテジーの概要

現在定義されている配線ストラテジーは、Situs Routing Strategiesダイアログの下部に一覧表示されます。AddボタンをクリックするとSitus Strategy Editorダイアログが開き、新しいストラテジーに含めるパスを指定できます。または、Duplicateボタンで既存のストラテジーを複製し、必要に応じて編集することもできます。 どの配線パスを含め、どの順序で使用するかが、オートルーターの「インテリジェンス」を構成します。これらのパスは、トポロジーマップで特定された仮想配線経路を、基板上の高品質な配線に変換するために使用されます。

複製したストラテジーの編集例。

以下の配線パスを使用できます。パスは任意の順序で実行できます。順序を決める際は、既存のストラテジーを参考にしてください。

関連項目