Manuelles oder interaktives Routing – Vorteile und Unannehmlichkeiten

Die Layoutdefinition ist mit Sicherheit einer der komplexesten Vorgänge, die der Designer bei der Entwicklung einer Leiterplatte (PCB) meistern muss. Es handelt sich dabei sowohl um eine Kunst als auch um pure Wissenschaft und es ist eine sorgfältige Beurteilung des auf der Platine verfügbaren Platzes und der mit der Anwendung verbundenen Vorgaben erforderlich. Das Erstellen einer zuverlässigen, funktionalen und gleichzeitig kostengünstigen Leiterplatte ist eine Herausforderung – vor allem in Zeiten wie diesen mit einer wachsenden Nachfrage nach Leiterplatten für kompakte, leichte und sogar flexible Platinen. Der PCB-Designworkflow beginnt stets mit den Schaltplänen, gefolgt von der Platzierung der Bauteile sowie der Definition der Schichten und Leiterbahnen und endet mit dem Design Rule Check (DRC) und der Erstellung der Gerber-Dateien. Der Prozess der Definition der Leiterbahnen wird auch als Routing bezeichnet und kann auf unterschiedliche Art und Weise durchgeführt werden: manuell, automatisch oder interaktiv (eine Kombination der beiden erstgenannten).

Routingtechniken

Das manuelle Routing ist sicherlich die für den Designer zufriedenstellendste Technik, auch wenn dafür viel Zeit und Geduld erforderlich sind. Es besteht aus der manuellen Platzierung der Leiterbahnen, welche die Bauteile verbinden, sowie der Definition der technischen Daten wie Dicke, Breite, Abstand und Biegungswinkel. Bei diesem Vorgang steht dem Designer ein spezielles Softwaretool zur Verfügung, das Verstöße gegen die Routingregeln meldet.

Das automatische Routing (Autorouting) wiederum funktioniert vollkommen autonom: Sobald die Routingregeln im Vorfeld festgelegt wurden, wird das Projekt vom System verarbeitet, welches automatisch das PCB-Layout herstellt; das so erhaltene Ergebnis kann dann manuell überprüft und bei Bedarf geändert bzw. verbessert werden. Das interaktive Routing ist schließlich eine Methode, welche die Präzision und Kontrolle des manuellen Routings mit der Geschwindigkeit und Automatisierung des Autoroutings vereint. Im Allgemeinen platziert das System die einzelnen Bauteile und ihre jeweiligen Leiterbahnen zunächst auf der Platine und der Designer kann Änderungen am ursprünglichen Routing vornehmen. Leiterbahnen und Durchkontaktierungen bewegen sich dynamisch, wenn neue Leiterbahnen und Durchkontaktierungen in den gleichen Bereich eingefügt werden; so kann der Designer einen bestimmten Bereich der PCB in Ruhe überprüfen, bevor er das endgültige Layout genehmigt. Unabhängig von der angewandten Methode weist das Routing eine Komplexität auf, welche mit der Anzahl der Bauteile auf der Platine zunimmt und besonders bei Anwendungen mit Hochfrequenzsignalen oder Bauteilen, bei denen es zu einer großen Wärmeentwicklung kommen kann, kritisch wird.

Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für eine normale Leiterplatte: Obwohl die Anzahl der Bauteile gering ist, liegen zahlreiche elektrische Verbindungen zwischen ihnen vor, die unter Einhaltung des verfügbaren Platzes und der Routingregeln in Leiterbahnen umgewandelt werden müssen. Noch nicht geroutete Leiterbahnen (auch als Luftlinien bezeichnet) werden durch Liniensegmente dargestellt.

Abbildung 1: Elektronische Schaltung vor dem Routing (Quelle: Autodesk).

Welche Methode sollte angewendet werden?

Obwohl das Autorouting eine Technik ist, mit welcher der Designer wertvolle Zeit spart, liefert es nicht immer die besten Ergebnisse. Wie alle automatisierten Verarbeitungssysteme unterliegt auch das Autorouting Einschränkungen und wird von manchen trotz des enormen Fortschritts der Softwaretools als schwierig in der Einstellung und Ausführung, zeitraubend und mit manchmal fragwürdigen Ergebnissen angesehen. Bei komplexen mehrschichtigen PCB gilt es als bewährte Praxis, abends ein automatisches Routing zu starten und am nächsten Morgen das fertige Ergebnis vorliegen zu haben. Auch wenn dies praktisch ist, ist der Designer mitunter gezwungen, das automatisch erstellte Routing zu korrigieren; häufige Fehler sind Leiterbahnen, die um die Ecken der PCB anstatt durch die einzelnen Schichten verlaufen. Aus diesem Grund ist es wichtig, die Anwendungsgrenzen jeder Technik zu kennen und zu beurteilen, wann eine Methode den anderen vorzuziehen ist.

Die folgenden PCB-Merkmale veranlassen viele Designer dazu, das manuelle Routing den anderen Techniken vorzuziehen:

• Kurze Leiterbahnen: Ist der Abstand zwischen den zu verbindenden Kontakten sehr gering, liefert das manuelle Routing das zuverlässigste und präziseste Ergebnis; dies ist nicht nur zufriedenstellend, sondern kann auch fast mechanisch durchgeführt werden.
• Leiterbahnwinkel: Auf den Leiterbahnen müssen rechte Winkel unbedingt vermieden werden, da der Ätzvorgang während der Fertigung zu gefährlichen Kurzschlüssen führen könnte; auch spitze Winkel sollten vermieden werden. Beim manuellen Routing kann der Designer die Leiterbahn in der gewünschten Kurvenführung formen. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für eine PCB, bei der die korrekten Routingwinkel eingehalten wurden.
• Hochkomplexe Schaltung: Es muss besonders auf jene PCB-Bereiche geachtet werden, in denen die Bauteildichte und die Anzahl der Zusammenschaltungen besonders hoch sind. In diesen Fällen kann der Designer zahlreiche Routingprobleme mühelos lösen, mit denen ein automatisches Tool nicht zurechtkommen würde.

Abbildung 2: Ein Beispiel für eine PCB mit korrekten Routingwinkeln.

Im Vergleich zum Autorouting benötigt das manuelle Routing einige Zeit, die sonst für andere Designschritte zur Verfügung stehen würde. Wird das Autorouting klug eingesetzt, ist es ein sehr praktisches Tool, bei dem im Vergleich zum manuellen Routing die folgenden Funktionen hinzukommen:

• Optimale Bauteilplatzierung: Viele Autorouter bieten diese Funktion, die dem Designer dabei hilft, für jedes Bauteil die optimale Position auf der PCB zu finden, was beim manuellen Platzieren nicht immer gelingt.
• Keine Nebensignale zwischen Signalen, die sich zwischen nebeneinanderliegenden Leiterbahnen bewegen, und somit eine verbesserte Signalintegrität.
• Verbessertes Wärmemanagement und Immunität gegen elektromagnetische Interferenz.
• Identifikation von kritischen Schaltungen: Der Autorouter erkennt mögliche kritische Zustände in den Verbindungen, beispielsweise wenn zwei Bauteile nicht einen ausreichenden Abstand zueinander haben.
• Lösungsvorschläge: Auch wenn sich der Designer für das manuelle Routing entscheidet, kann er das Autorouting für manche Teile der PCB aktivieren, um sich von dessen Lösungen inspirieren zu lassen.

Für zufriedenstellende Ergebnisse muss der Designer für das Autorouting die Routingregeln entsprechend festlegen. Zu diesen Regeln gehören: Platinengröße, elektrische Eigenschaften der Leiterbahnen (Breite, Dicke und Abstände), Anzahl und Richtung der Schichten, Fan-Out-Kontrolle und andere Designeinschränkungen wie die maximale Anzahl und Größe der Durchkontaktierungen, die Routingpriorität im Hinblick auf jedes Signal/jede Leiterbahn und Empfehlungen zur Bauteilplatzierung von DFM (Design For Manufacturability) zur Vereinfachung der Montagephase. Die Fan-Out-Kontrolle ist für SMD-Komponenten sehr wichtig, da sichergestellt werden muss, dass jeder Kontakt der Komponente mit zumindest einer Durchkontaktierung ausgestattet ist, sodass sowohl die Verbindung mit den inneren Schichten als auch die Durchführung des In-Circuit-Tests (ICT) und einer PCB-Aufbereitung möglich sind, sollten mehr Verbindungen erforderlich sein.

Interaktives Routing

Im Vergleich zum Autorouting lässt das interaktive Autorouting dem Designer die vollkommene Kontrolle darüber, wie die Leiterbahnen auf der PCB platziert werden. Es zeichnet sich dadurch aus, dass alle Vorteile des Autoroutings mit dem persönlichen Können des Designers vereint werden und ihm dabei helfen, die optimale Routinglösung zu finden. Abbildung 3 zeigt ein Beispiel für Autorouting (oben) und interaktives Autorouting (unten). Ersteres führt das Routing der Luftlinien automatisch durch (Bild links) und erhält damit das Ergebnis im rechten Bild. Zweiteres schlägt dem Designer eine Routinglösung vor (Bild links), die bei Genehmigung wie im rechten Bild gezeigt auf das PCB-Layout anwendet wird.

Abbildung 3: Vergleich zwischen Autorouting und interaktivem Autorouting (Quelle: Cadence).

Beide automatischen Routingtechniken haben ihre Gültigkeit. Im Allgemeinen schlagen wir das interaktive Autorouting für das Routing von Platinen vor, die Busse mit einer größeren Anzahl von Signalen aufweisen (z. B. DDR-Speicher) oder hochkomplex sind. Andererseits ist das herkömmliche automatische Routing sehr praktisch, um rasch ein Punkt-zu-Punkt-Routing auf PCB mit standardmäßiger Komplexität durchzuführen, da es im Vergleich zur manuellen Technik Zeit spart.

Fazit

Heutzutage können Elektronikdesigner auf drei unterschiedliche Techniken zurückgreifen, um ein Routing, eine der komplexesten Aktivitäten im Fertigungsverfahren für PCB, durchzuführen. Im Allgemeinen kann man sagen, dass kein Ansatz von vornherein falsch und keine einzelne Technik besser als die anderen ist. Während das automatische und interaktive Routing einerseits einen wertvollen Beitrag liefern, indem sie zeitsparend sind, erhöht andererseits das manuelle Routing die Kreativität und die Kenntnisse des Designers, wodurch er auch sehr komplexe Situationen durch Erfahrung lösen kann.