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、複雑で時間のかかる工程です。 大規模または高密度の基板では、配線処理に設計者のかなりの時間を要することがあり、その点でオートルーターが役立ちます。

Altium Designer の Situs™ オートルーターは、基板空間をマッピングするためにトポロジー解析技術を使用します。これは、幾何学ベースまたは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、配線経路の決定においてより高い柔軟性と、制約のない配線方向が得られます。

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カルマッピングを用いて配線経路を定義し、その後、実績あるさまざまな配線アルゴリズムを呼び出して、この「人間らしい」経路を高品質な配線へと変換します。PCB Editor の統合機能として、PCB の電気ルールおよび配線ルール定義に従って動作します。

基板設定

Situs は設定と実行が簡単ですが、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、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多数のツールが含まれています。最適な部品配置とは、接続ラインができるだけ短く、かつ「絡み合い」が最小限になっている状態です。

その他の優れた設計手法としては、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（配線のためにパッド間の空きスペースを最大化するため）、両面基板では同程度のサイズの表面実装部品を正確に向かい合わせに配置すること、そしてデカップリング部品の配置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ことなどがあります。これは配置に関する考慮事項の完全な一覧ではなく、あくまでいくつかの提案です。

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、この境界は基板外形に沿って設定されます。配置されたオブジェクトは、適用されるクリアランスルールに従って、この境界から適切な距離を保つため、設計上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、この外側境界内のキープアウトおよびレイヤー固有のキープアウトにも従います。

Line/Arc Primitives from Board Shape dialog を使用すると、基板外形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、Object Specific Keepouts を参照してください。

ポリゴン注入

ポリゴン（または銅箔）注入は、ソリッド型（1つ以上の銅領域で塗りつぶされる）またはハッチ型（トラックとアークで構成される）のいずれかです。中規模から大規模のハッチ型ポリゴン注入には、多数のトラックとアークが含まれます。ルーターはそのようなポリゴン注入を含む基板でも配線できますが、それらが追加するオブジェクト数が非常に多いため、配線処理の複雑さが増します。

通常、配線前にポリゴン注入を配置するのは、それが必要な場合のみにすべきです。たとえば、特殊な形状の事前配線、商用電源入力の配線、あるいは重要なグラウンド領域の構築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注入を設計へ追加する方が望ましいです。

配線可能か？

オートルーターとは、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。基板内に手作業でも配線できない領域がある場合、オートルーティングでも配線できません。ルーターが特定の部品や基板の一部分で繰り返し失敗する場合は、対話配線を試してください。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。

事前配線

重要なネットは事前に配線し、配線処理によって変更されては困る場合は、Lock All Pre-routes オプションを Situs Routing Strategies dialog で有効にしてロックしてください。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、配線問題がはるかに難しくなります。

差動ペアネットは、オートルーターを使用する前に手動で配線してロックしておく必要があります。そうしないと、配線が変更されて差動ペアの信号整合性が損なわれる可能性が非常に高くなります。

設計ルールの設定

使用している基板技術に対して、配線設計ルールが適切であることを確認してください。対象が不適切または不適切な設計ルールは、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、ルーターは Routing Corners ルールを除くすべての Electrical および Routing 設計ルールに従います。

ルールは PCB Rules and Constraints Editor dialog（Design » Rules）で定義され、このダイアログには Situs Routing Strategies dialog から直接アクセスできます。

ルールに Minimum、Preferred、Maximum の値が含まれている場合、オートルーターは Preferred 値を使用します。

最も重要なルールは、Width ルールと Clearance ルールです。これらの配線技術設定は、配線をどれだけ高密度に「詰め込める」かを定義します。これらの選定はバランス作業です。トラック幅が広くクリアランスが大きいほど基板は製造しやすくなりますが、一方でトラック幅とクリアランスが狭いほど基板は配線しやすくなります。配線幅やクリアランスについて、どの値を下回ると製造歩留まりが低下し PCB 価格が上昇するかという、製造業者の「価格ポイント」を確認するために、製造業者へ相談することを推奨します。設計の電気的要件を満たすだけでなく、各ピンへ配線できるように、配線技術は部品技術にも適合するよう選定する必要があります。

配線技術の一部を成す3つ目のルールは、Routing Via Style です。これも、使用するトラック幅とクリアランスに適合するよう選定しつつ、選択した穴径とアニュラリングによる製造コストも考慮する必要があります。

また、過剰または不要なルールは避けるべきです。ルールが多いほど処理時間が増え、配線速度が低下します。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

Width rule が存在し、その Query が All（デフォルトルール）であること、さらに Preferred 設定が最も一般的に必要となる配線幅に適していることを確認してください。この幅が、適切なクリアランスルールとの組み合わせで、すべてのパッドへ配線可能であることも確認してください。より広いまたは狭い配線幅を必要とするネットについては、追加の配線幅ルールを設定します。

ファインピッチ部品があり、そのピンがより広い配線幅のネット、たとえば電源ネットに接続されている場合は、電源ピンからの引き出し配線を試し、さらにその両隣のピンからの引き出し配線も行って、これらのピンが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

標準的な基板クリアランスよりもパッド間隔が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、適切なスコープと優先順位を持つ設計ルールで対応できます。なお、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、そのフットプリントに接続される配線自体は対象になりません。先に配線幅のセクションで述べたように、部品ピンが配線可能であることを確認するために試験配線を行ってください。

Routing Via Style

Routing Via Style rule が存在し、その Query が All であり、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を必要とするネットについては、より高い優先順位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）で定義された Via Types によって許可されるレイヤースワップで決まります。対話配線と同様に、オートルーターが2つのレイヤー間を切り替える際には、現在の Via Type 定義を確認します。これらのレイヤーがブラインドまたはベリードのレイヤー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ーを開始層および終了層として持ちます。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うえ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て、信頼性やテストアクセス性の考慮事項もあります。設計者によっては、ブラインド/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。

配線レイヤー

Routing Layers rule が存在し、その Query が All であることを確認してください。有効なすべての信号レイヤー（レイヤースタックで定義）は一覧表示されます。必要に応じて、配線を許可したいレイヤーを有効にしてください。特定のレイヤーのみに配線したいネットについては、より高い優先順位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）をオートルーターによる配線対象から除外したい場合は、そのネットまたは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ーに対する 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（Query が All のもの）より高くなければなりません。

レイヤ方向

Layer Directionsダイアログでは、推奨配線方向を指定します。このダイアログには、Situs Routing Strategies dialog からアクセスします。すべての有効な信号レイヤ（レイヤスタックで定義）が一覧表示されます。

接続ラインの流れに合う適切なレイヤ方向を選択してください。Situs は配線経路の定義にトポロジカルマッピングを使用するため、水平方向および垂直方向の配線に制約されません。通常、外層は水平と垂直に設定するのが最適です。ただし、多層基板で「2時方向」の角度を持つ接続が多数ある場合は、1つ以上の内部レイヤの推奨配線方向をその角度に設定してください。特に Layer Patterns パスではこの情報が活用されるため、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ことがあります。なお、角度付きレイヤを使用する場合、そのレイヤに対して 90 度のパートナーレイヤを用意する必要はありません。ルータは通常、角度付きレイヤ上で障害物を回避する必要がある場合、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

配線優先度

Routing Priority rules を使用して、配線が難しいネットや、できるだけクリーンに配線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、IsLCC（Leadless Chip Carrier）、IsSOIC（Small Outline IC）、IsBGA（Ball Grid Array）など、さまざまな表面実装部品パッケージを特定するためのキーワードが含まれています。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、ファンアウトパスは自動配線プロセス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ほとんど不利益はありません。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設定する必要があります。すべての表面実装部品を対象とする単一ルールに適したクエリは 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、パッドを内向きにファンアウトするか、外向きにファンアウトするか、あるいはその両方を混在させるかを制御する設定が含まれています。Fanout Control ルール属性の動作に慣れるために、Route » Fanout » Component コマンドを、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実行できます。これにより、基板で現在定義されている配線テクノロジでその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後、部品とファンアウト配線およびビアをライブラリにコピー＆ペーストしてください。

ルール優先度

ルールの優先順位は、優先度とも呼ばれ、設計者が定義します。ルール優先度は、あるオブジェクトが複数のルールの対象になっている場合に、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') というクエリを持つルールの優先度が、All というクエリを持つルールより低い場合、VCC ネットには All ルールが適用されます。優先度を必要に応じて調整するには、PCB Rules and Constraints Editor dialog の Priorities ボタンを使用して、Edit Rule Priorities dialog にアクセスします。なお、2 つのルールスコープが重複しない（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') のどちらのルールスコープの優先度が高くても違いはありません。

黄金律

最も重要なステップは、自動配線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実行し、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、その設計に対するレポートを確認し、配線時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、トポロジカルマップで特定された「仮想」配線経路を、基板上の高品質かつ高効率な実際の配線へ変換するために、さまざまな配線アルゴリズムのどれをいつ使用するかを定義します。

自動配線を開始する前に、Routing Setup Report に問題がないことを確認してください。

このレポートには、次のような情報が含まれます。

• 現在その設計に定義されており、自動配線で順守されるデザインルール（および各ルールの影響を受けるデザインオブジェクト数 - ネット、部品、パッド）
• すべての信号配線レイヤに定義された配線方向
• ドリルレイヤペアの定義

このレポートには、ルータ性能に影響する可能性のある問題点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。表示されたエラー／警告／ヒントはすべて精査し、必要に応じて対応する配線ルールを調整してから、設計の配線に進んでください。

すべてのエラー、警告、ヒントを確認し、自動配線が直面する可能性のある問題を把握してください。

配線関連のルール違反は、自動配線を開始する前に必ず解消しておくことが重要です。違反があると、その場所で配線できなくなるだけでなく、配線不能な領域への配線をルータが繰り返し試みるため、処理速度が大幅に低下することがあります。

Situs AutoRouter 実行時の注意

• 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 ボタンが含まれることです。
• 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に何かを試してください。中間のクリーンアップパスやストレート化パスを追加する、高密度領域の周囲に余裕を持たせる、またはレイヤ方向を変更する、といった方法があります。
• ルータを試行する際には、パス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、配線レイヤ方向の変更、ルータを直交配線のみに制限する、など、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、どの設定が自分の設計で最も効果的かを特定し、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、その品質を評価してください。問題のある領域については、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。コマンドを起動すると、Autorouter 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）上にカーソルを合わせてクリックするか、Enter を押してください。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。コマンドを起動すると、Choose Net Classes to Route ダイアログが開きます。Autorouter を使用して配線したい 1 つ以上のネットクラスを選択し、OK をクリックしてください。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含まれる（開始点と終了点の両方が含まれる）すべての接続を配線します。コマンドを起動すると、Autorouter が初期化され、カーソルが十字カーソルに変わります。カーソルを配置してクリックし、配線領域の最初の角を固定します。カーソルを移動して配線領域のサイズを決め、再度クリックして 2 つ目の角を固定します。Autorouter は、Main 配線ストラテジを使用して、指定領域内で開始および終了す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。コマンドを起動すると、Autorouter が初期化され、カーソルが十字カーソルに変わります。配線したいルーム上にカーソルを移動し、クリックするか Enterを押します。Autorouter は、ルーム境界内に完全に存在するすべての接続を、 Main 配線ストラテジーを使用して自動配線しようとします。

    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。コマンドを起動すると、Autorouter は、ルーム境界内に完全に存在するすべての接続を、 Main 配線ストラテジーを使用して自動配線しようとします。

  • 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、Autorouter 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上にカーソルを移動し、クリックするか Enterを押します。Autorouter は、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、それぞれ次に見つかるパッドまでを Main 配線ストラテジーを使用して自動配線しようとします。

    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 コマンドを選択できます。

  • Component Class - 指定したコンポーネントクラス内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。Autorouter 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。すると Autorouter は、選択したコンポーネントクラス内のすべて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、Main 配線ストラテジーを使用して自動配線しようとします。

    
    Choose Component Class to Routeダイアログ

  • Connections On Selected Components - デザインスペース内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、Autorouter は、選択され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、それぞれ次に見つかるパッドまでを Main 配線ストラテジーを使用して自動配線しようとします。
  • Connections Between Selected Components - デザインスペース内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、Autorouter は、選択されたコンポーネントのパッド間を走るすべての接続を Main 配線ストラテジーを使用して自動配線しようとします。
• 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。Autorouter は停止し、以後ボードの配線は行われません。すでに配線済みの接続は、そのまま配線済みの状態で保持されます。
  • Reset - Autorouter をリセットします。これは、Autorouter が配線を試みる前に必要なメモリを初期化するものです。これにより、ボード全体を配線している途中でも、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に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。このダイアログを使用して、現在の配線ストラテジーを変更するか（利用可能な場合）、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。Autorouter 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用に初期化されます。
  • Pause - 現在の自動配線処理を一時停止します。コマンドを起動すると、Autorouter の進行は一時的に停止します。再開するには、もう一度このコマンドを実行します（このときコマンド名は 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ボタンをクリックすると、Situs Strategy Editorダイアログにアクセスでき、そこで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、必要に応じて編集することもできます。さまざまな配線パスをどのように含め、どの順序で使用するかが Autorouter 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経路を、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している例。

以下の配線パスを使用できます。パスは任意の順序で使用できますが、ガイドとして既存のストラテジを確認し、パスの順序を参照してください。

関連項目