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（ルーティング）する作業は複雑で時間がかかります。 大規模または高密度の基板では、配線プロセスに設計者が相当な時間を要することがあり、オートルータがその支援になります。

Altium Designer の Situs™ オートルータは、トポロジー解析手法を用いて基板空間をマッピングします。これは幾何学的／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。トポロジー・マッピングにより、配線経路の決定における柔軟性が高まり、配線方向の制約も少なくなります。

基板のオートルーティング

Situs Topological Router は、オートルーティングの課題に対して新しいアプローチをもたらします。まず高度なトポロジー・マッピングで配線経路を定義し、その後、実績のあるさまざまな配線アルゴリズムを呼び出して、この「人間のような」経路を高品質な配線へ変換します。PCB Editor の統合機能として、PCB の電気的ルールおよび配線ルール定義に従います。

基板セットアップ

Situs は設定と実行が容易ですが、最適な配線結果を得るために注意すべき点があります。

部品配置

最終的に、部品配置が配線性能に最も大きな影響を与えます。Altium Designer の PCB Editor には、動的に最適化される接続ラインなど、部品配置を微調整できるツールが多数用意されています。最適な部品配置とは、接続ラインができるだけ短く、かつ「絡み」が最小になる状態です。

その他の良い設計プラクティスとしては、パッドが規則的なグリッド上に来るように部品を配置する（配線のためにパッド間の空きスペースを最大化する）、両面基板では同程度のサイズの表面実装部品を正確に表裏で向かい合わせに配置する、デカップリング配置のガイドラインについてデバイスメーカーのデータシートを参照する、などがあります。これは配置検討事項の完全な一覧ではなく、いくつかの提案に過ぎません。

キープアウト

ルータには、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、この境界は基板外形に沿います。配置オブジェクトは、適用されるクリアランス・ルールに従い、この境界から適切な距離を保つことで、設計が要求する機械的／電気的クリアランス要件を満たします。ルータは、この外周境界内のキープアウト、およびレイヤ固有のキープアウトにも従います。

Line/Arc Primitives from Board Shape dialog を使用して、基板形状のエッジに沿う閉じた境界を作成できます。キープアウトの詳細は Object Specific Keepouts を参照してください。

ポリゴン・プア

ポリゴン（銅）プアは、ソリッド（1つ以上の銅領域で塗りつぶし）またはハッチ（トラックとアークで構成）のいずれかにできます。中～大サイズのハッチ・ポリゴン・プアには多数のトラックとアークが含まれます。ルータはこのようなポリゴン・プアを含む基板でも配線できますが、導入されるオブジェクト数が非常に多いため、配線プロセスの複雑さが増します。

通常、配線前にポリゴン・プアを配置するのは、それが必要な場合に限るべきです。たとえば、異形のプレルーティング構造を作るため、あるいは商用電源の引き込み配線や重要なGND領域などに使用する場合です。それ以外では、配線完了後にポリゴン・プアを設計へ追加する方が望ましいです。

配線可能か？

オートルータは、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的に再現しようとする試みです。手配線で配線できない領域が基板に含まれている場合、オートルーティングでも配線できません。ルータが特定の部品や基板の一部で繰り返し失敗する場合は、対話的に配線してみてください。配置やルール設定に問題があり、そもそも配線不可能になっている可能性があります。

プレルーティング

重要なネットは事前に配線し、配線プロセスで変更されては困る場合は、Situs Routing Strategies dialog の Lock All Pre-routes オプションを有効にしてロックしてください。ただし不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、配線問題がはるかに難しくなります。

差動ペアのネットは、オートルータを使用する前に手動で配線してロックする必要があります。これを行わないと、配線が変更され、差動ペアの信号品質（シグナルインテグリティ）が損なわれる可能性が非常に高くなります。

デザインルールの設定

使用している基板技術に対して、配線デザインルールが適切であることを確認してください。狙いが不十分、または不適切なデザインルールは、オートルーティング性能を大きく低下させる可能性があります。なお、ルータは Routing Corners ルールを除き、すべての Electrical および Routing デザインルールに従います。

ルールは PCB Rules and Constraints Editor dialog（Design » Rules）で定義します。これは Situs Routing Strategies dialog から直接アクセスできます。

ルールに Minimum、Preferred、Maximum の値が含まれる場合、オートルータは Preferred 値を使用します。

最も重要なルールは Width と Clearance ルールです。これらの配線技術設定は、配線をどれだけ「詰めて」配置できるかを定義します。選定はトレードオフで、トラックが太くクリアランスが大きいほど基板製造は容易になりますが、トラックとクリアランスが細いほど配線は容易になります。配線幅とクリアランスについて、どの値を下回ると歩留まり低下や基板価格上昇につながるかという「価格の分岐点」を把握するため、製造業者に相談することを推奨します。設計の電気要件を満たすだけでなく、各ピンへ配線できるよう、部品技術に適した配線技術を選定する必要もあります。

配線技術の一部となる3つ目のルールは Routing Via Style です。使用するトラック幅とクリアランスに適合するように選定しつつ、選択した穴径とアニュラリング（ランド環）の製造コストも考慮してください。

過剰または不要なルールも避けてください。ルールが多いほど処理時間が増え、配線が遅くなります。オートルーティングに不要なルールは無効化できます。

配線幅

Query が All（デフォルトルール）である Width rule が存在し、Preferred 設定が必要とする最も一般的な配線幅に適していることを確認してください。また、この幅が適切なクリアランス・ルールと組み合わさったときに、すべてのパッドへ配線できることを確認してください。より太い／細い配線が必要なネットには、追加の配線幅ルールを設定します。

ファインピッチ部品に、より太い配線幅のネット（例：電源ネット）が接続されている場合は、電源ピンからの試験配線を行い、さらにその両隣のピンも配線して、物理的に配線可能であることを確認してください。

クリアランス制約

ファインピッチ部品など、パッド間隔が標準の基板クリアランスより狭いといった特別なクリアランス要件がないか確認してください。これは、適切にスコープ設定し優先度を付けたデザインルールで対応できます。なお、フットプリントを対象にするルールを定義しても、そのフットプリントに接続する配線自体は対象になりません。配線幅のセクションで述べたとおり、試験配線を行って部品ピンが配線可能であることを確認してください。

ビアスタイル（配線ビア）

Query が All の Routing Via Style rule が存在し、Preferred 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、より高い優先度のルールを含めてください。

Altium Designer はブラインドビアおよびベリードビアをサポートしており、これらを使用するかどうかは Layer Stack Manager（Design » Layer Stack Manager）で定義される Via Types によって決まります。対話的配線と同様に、オートルータが2つのレイヤ間を切り替える際、現在の Via Type 定義を確認します。これらのレイヤがブラインド／ベリードのレイヤペアとして定義されている場合、配置されるビアはそれらのレイヤを開始／終了レイヤとして持ちます。ブラインド／ベリードビアの使用制約を理解することが重要です。これらは製造業者と相談の上でのみ使用すべきです。製造スタックアップ技術による制約に加え、信頼性やテストアクセス性の観点もあります。ブラインド／ベリードビアを使うより、配線レイヤ数を増やす方が良いと考える設計者もいます。

配線レイヤ

クエリが All の Routing Layers rule が存在することを確認してください。有効な信号レイヤ（レイヤスタックで定義）がすべて一覧表示されます。必要に応じて、配線を許可したいレイヤを有効にしてください。特定のレイヤのみに配線したいネットには、より高い優先度のルールを含めてください。

特定のネット（またはネットクラス）をオートルータで配線させたくない場合は、そのネット／ネットクラスを対象とする Routing Layer ルールを定義し、そのルールの Constraints 領域で、有効な各信号レイヤの 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。ルールの優先度は、クエリが All のデフォルトルールより高くする必要があります。

レイヤ方向

推奨配線方向は Layer Directions ダイアログで指定します。このダイアログは Situs Routing Strategies dialog からアクセスします。レイヤースタックで定義されている有効な信号レイヤーがすべて一覧表示されます。

接続ラインの流れに合うように、各レイヤーの方向を適切に選択してください。Situs はトポロジカルマッピングを使用して配線パスを定義するため、水平・垂直のみに制約されません。一般的には、外層を水平と垂直にするのが最適です。ただし、多層基板で「2時方向」の角度の接続が多数ある場合は、内部レイヤーの1つ以上をその角度を推奨配線方向として設定してください。特に Layer Patterns パスはこの情報を活用するため、適切な方向を選ぶことで、時間と品質の両面で配線性能が大きく向上する可能性があります。なお、角度付きレイヤーを使用する場合、そのレイヤーに対して90度の相方レイヤーを用意する必要はありません。角度付きレイヤー上で障害物を回避する必要がある場合、ルータは通常、水平または垂直に配線するためです。

Layer Directions ダイアログ

配線優先度

Routing Priority rules を使用して、配線が難しいネット、または最もきれいな配線にしたいネットに高い優先度を設定します。

SMD ファンアウト制御

クエリシステムには、表面実装部品の各パッケージを特に対象とするキーワードが含まれており、IsLCC（Leadless Chip Carrier）、IsSOIC（Small Outline IC）、IsBGA（Ball Grid Array）などがあります。最も一般的なパッケージについてはデフォルトルールが自動作成され、またファンアウトパスはオートルーティング処理の早い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不利益はほとんどありません。基板上に表面実装部品がある場合は、少なくとも1つの SMD ファンアウト制御デザインルールを用意してください。すべての表面実装部品を対象とする単一ルールの適切なクエリは IsSMTComponent です。各クエリキーワードがどのように部品パッケージを識別するかについては、Query Helper を開き、必要な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、パッドを内側にファンインするか外側にファンアウトするか、またはその混在にするかを制御する設定が含まれます。Fanout Control ルール属性の挙動に慣れるために、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、基板で定義されている現在の配線テクノロジで部品がどの程度うまくファンアウトできるかを確認できるだけでなく、ライブラリに「事前ファンアウト済みフットプリント」として保持したい部品をファンアウトする用途にも使えます。PCB ワークスペースでファンアウトしたら、部品とファンアウト配線およびビアをコピー＆ペーストしてライブラリに取り込みます。

ルール優先度

ルールの優先順位（プライオリティ）は設計者が定義します。ルール優先度は、1つのオブジェクトが複数のルールに該当する場合に、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。優先度が正しく設定されていないと、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、InNet('VCC') というクエリのルールが、All というクエリのルールよりも優先度が低い場合、VCC ネットには All ルールが適用されます。PCB Rules and Constraints Editor dialog の Priorities ボタンを使用して Edit Rule Priorities dialog にアクセスし、必要に応じて優先度を調整してください。なお、2つのルールスコープが重ならない（同じオブジェクトを対象にしない）場合、優先度は重要ではありません。たとえば、InNet('VCC') と InNet('GND') のどちらのスコープが高優先度でも結果は変わりません。

黄金律

最も重要なステップは、オートルータ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 は独自の事前配線解析を行い、その結果を Situs Routing Strategies dialog にレポートとして表示します。ダイアログから設計のレポートを確認し、配線に使用するストラテジを選択できます。配線ストラテジはルータの「知能」に相当し、トポロジマップで特定された「仮想」配線パスを、基板上の高品質かつ高効率な実配線へ変換するために、どの配線アルゴリズムをいつ使用するかを定義します。

オートルータを開始する前に、Routing Setup Report がクリーンであることを確認してください。

レポートには次のような情報が含まれます。

• オートルータが遵守する、設計で現在定義されているデザインルール（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、部品、パッド））
• すべての信号配線レイヤーに定義された配線方向
• ドリルレイヤーペア定義

また、ルータ性能に影響し得る潜在的な問題も一覧表示されます。可能な場合は、オートルーティングに向けた設計準備をより良くするためのヒントも提示されます。表示されたエラー／警告／ヒントは精査し、必要に応じて該当する配線ルールを調整してから、配線を進めてください。

すべてのエラー、警告、ヒントを確認し、オートルータが直面する潜在的な問題を理解してください。

配線に関連するルール違反は、オートルータ開始前に必ず解消する必要があります。違反はその箇所での配線を妨げるだけでなく、ルータが配線不能領域を繰り返し配線しようとして大幅に遅くなる原因にもなります。

Situs AutoRouter 実行時の注意点

• Autorouter コマンドは Route » Auto Route サブメニューにあります。
• Route » Auto Route » All と Route » Auto Route » Setup の両コマンドは Situs Routing Strategies dialog を開きます。違いは、All を選択した場合、ダイアログに Route All ボタンが含まれる点です。
• 試行錯誤を恐れないでください。結果が満足できない場合は、ルータのアプローチを変えるための手を打ちます。中間的なクリーンアップや直線化パスを追加する、密集領域の周囲に余裕を作る、レイヤー方向を変更する、などです。
• ルータを試す際（パスの順序を制御する独自ストラテジの作成、Via control によるビア数の変更、配線レイヤー方向の変更、直交配線のみに制約する、など）は、試した組み合わせをメモしておいてください。そうすることで、どの設定が自分の設計に最も有効かを特定し、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単独で実行し、品質を評価してください。問題のある箇所は手動でファンアウトする必要があるかもしれません。

• 特定のオートルート動作を実行するには、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。コマンド起動後、Autorouter が初期化され、カーソルが十字に変わります。配線したいネット内の任意の接続ライン（またはパッド）上にカーソルを置き、クリックするか Enter を押します。Autorouter は Main 配線ストラテジを使用して、そのネット内のすべての接続のオートルートを試みます。

  • Net Class - 指定したネットクラスのすべての接続を配線します。コマンド起動後、Choose Net Classes to Route ダイアログが開きます。Autorouter で配線したいネットクラスを1つ以上選択して OK をクリックすると、Autorouter は Main 配線ストラテジを使用して、選択したネットクラス内のすべてのネットの全接続のオートルートを試みます。

    
    Choose Net Class to Route ダイアログ

  • Connection - 現在の設計内で、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含まれる（開始点と終点がともに含まれる）すべての接続を配線します。コマンド起動後、Autorouter が初期化され、カーソルが十字に変わります。カーソル位置でクリックして配線領域の第1コーナーを固定します。カーソルを動かして領域サイズを決め、再度クリックして第2コーナーを固定します。Autorouter は Main 配線ストラテジを使用して、指定領域内で開始・終了するすべての接続のオートルートを試みます。

  • 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。コマンド起動後、Autorouter が初期化され、カーソルが十字に変わります。配線したいルーム上にカーソルを置き、クリックするか Enter を押します。Autorouter は Main 配線ストラテジを使用して、ルーム境界内に完全に存在するすべての接続のオートルートを試みます。

    カーソル下のルーム境界内に完全に収まってい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  コマンドを選択します。コマンドを起動すると、オートルーターは Main の配線ストラテジーを使用して、ルーム境界内に完全に存在す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出ているすべての接続を配線します。コマンドを起動すると、オートルーターが初期化され、カーソルが十字カーソルに変わります。配線したいコンポーネントの上にカーソルを合わせてクリックするか、Enter を押します。オートルーターは Main の配線ストラテジーを使用し、選択したコンポーネントのパッドから出ているすべての接続について、それぞれ次に遭遇する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出てい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  コマンドを選択します。

  • Component Class - 指定したコンポーネントクラス（複数可）に属するコンポーネントのパッドから出ているすべての接続を配線します。コマンドを起動すると、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したい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 の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（複数可）に属するすべてのコンポーネントのパッドから出ている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出ているすべての接続を配線します。コマンドを起動すると、オートルーターは Main の配線ストラテジーを使用し、選択したコンポーネントのパッドから出ているすべての接続について、それぞれ次に遭遇するパッドまで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を走るすべての接続を配線します。コマンドを起動すると、オートルーターは Main の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を走る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 サブメニューの次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、以降ボードの配線は行われません。すでに配線済みの接続は配線済みのまま保持されます。
  • Reset - オートルーターをリセットします。これは、配線を試みる前にオートルーターに必要なメモリを初期化します。ボード全体を配線している最中に、既存の配線ストラテジーを実質的に変更したり、別の配線ストラテジーへオンザフライで切り替えたりできます。コマンドを起動すると Situs Routing Strategies ダイアログが開きます。ダイアログを使用して、（可能な場合は）現在の配線ストラテジーに変更を加えるか、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／別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。コマンドを起動すると、オートルーターの進行が一時的に停止します。再開するには、もう一度コマンドを実行します（このときコマンドは 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 ダイアログの下部領域に一覧表示されます。Add ボタンをクリックして Situs Strategy Editor ダイアログにアクセスすると、新しいストラテジーに含めるパスを指定できます。あるいは、Duplicate ボタンを使用して既存のストラテジーを複製し、必要に応じて編集します。さまざまな配線パスの組み込みと、その使用順序がオートルーターの「知能」を構成します。これらのパスは、トポロジカルマップで特定された仮想配線パスを、ボード上の高品質な配線へと変換するために使用されます。

複製したストラテジーを編集する例。

以下のルーティングパスが利用可能です。パスは任意の順序で使用できます。目安として、既存のストラテジを確認してパスの順序を参照してください。

See Also