Routing manuale o automatico: quale scegliere?

La definizione del layout è sicuramente una delle operazioni più complesse che il progettista deve affrontare durante lo sviluppo di un circuito stampato (PCB). Questa attività, infatti, è sia un'arte che una scienza e richiede un’attenta valutazione dello spazio disponibile sulla scheda e dei vincoli imposti dall’applicazione. La creazione di un circuito stampato affidabile, funzionale e allo stesso tempo economico è un compito impegnativo, soprattutto oggi in cui assistiamo a una crescente domanda di circuiti stampati per schede compatte, leggere e persino flessibili. Il flusso di progettazione di un circuito stampato parte sempre dallo schema elettrico, seguito dal posizionamento dei componenti, dalla definizione degli strati e delle tracce, per concludersi con il controllo delle regole di progettazione (Design Rule Checking) e la generazione dei file Gerber. Il processo di definizione delle tracce, noto anche come routing (o sbroglio, in italiano), può essere eseguito seguendo diverse modalità: manuale, automatico, oppure interattivo (una combinazione delle due precedenti).

Tecniche di routing

La tecnica di routing manuale è sicuramente quella che offre la maggiore soddisfazione personale, anche se richiede molto tempo e pazienza. Essa consiste nel posizionare manualmente le tracce che collegano i componenti, definendo caratteristiche tecniche come spessore, larghezza, distanza e angolo di curvatura. In questa operazione, il progettista è aiutato dallo strumento software, in grado di segnalare eventuali violazioni delle regole di routing. Lo sbroglio automatico (autorouting) opera invece in modo completamente autonomo: stabilite a priori delle regole di routing, il progetto viene elaborato dal sistema che produce in modo automatico il layout del PCB; i risultati così ottenuti possono poi essere rivisti apportando manualmente le modifiche o i miglioramenti necessari. Il routing interattivo è infine una tecnica che unisce la precisione e il controllo del routing manuale con la velocità e l’automazione tipiche dell’autorouting. In generale, il sistema provvede inizialmente a posizionare i vari componenti e le relative tracce sulla scheda, consentendo poi al progettista di apportare eventuali modifiche al routing iniziale. Le tracce e i fori di via si spostano dinamicamente quando nuove tracce e for di via sono introdotti nella stessa zona, consentendo al progettista di rivedere con calma una precisa area del PCB prima di approvare definitivamente il layout così ottenuto. Indipendentemente dalla metodologia utilizzata, il routing presenta una complessità che cresce con il numero di componenti presenti sulla scheda e diventa particolarmente critica in applicazioni dove siano presenti segnali ad elevata frequenza o componenti in grado di sviluppare molto calore. In Figura 1 è visibile un esempio di circuito stampato: sebbene il numero di componenti sia ridotto, le interconnessioni elettriche tra gli stessi sono numerose e dovranno essere trasformate in tracce rispettando lo spazio disponibile e le regole di routing. Le tracce non ancora sbrogliate (note anche come collegamenti volanti o airwires) sono rappresentate da segmenti di retta.

Figura 1: Circuito elettronico prima dello sbroglio (fonte: Autodesk).

Quale tecnica utilizzare?

Anche se l’autorouting è una tecnica che fa risparmiare tempo prezioso al progettista, non è sempre quella che fornisce i risultati migliori. Come tutti i sistemi di elaborazione automatici, l’autorouting presenta i suoi limiti e, nonostante gli enormi progressi compiuti dagli strumenti software, è da alcuni considerata come una tecnica difficile da configurare ed eseguire, che richiede molto tempo e i cui risultati sono a volte discutibili. Nel caso di PCB multistrato di una certa complessità, è prassi comune lanciare il routing automatico alla sera, per poi trovare i risultati completi il giorno seguente. Nonostante la comodità, il progettista è talvolta costretto a correggere il routing creato automaticamente, con errori comuni come tracce che girano attorno ai bordi del PCB, anziché attraversare i layer. È pertanto essenziale conoscere i limiti di applicazione di ogni tecnica e valutare quando una sia preferibile rispetto alle altre.

Le caratteristiche del PCB che spingono molti progettisti a preferire la tecnica di routing manuale sono le seguenti:

• tracce di lunghezza ridotta: se la distanza tra i pin da connettere è molto piccola, il routing manuale è la tecnica che produce i risultati più affidabili e accurati; oltre a essere appagante, può essere eseguita in modo quasi meccanico;
• angolatura delle tracce: sulle tracce, gli angoli a 90° devono assolutamente essere evitati in quanto, durante la fabbricazione, il processo di etching potrebbe creare dei pericolosi corto circuiti; anche gli angoli acuti andrebbero evitati. Operando manualmente, il progettista può modellare la traccia applicando il grado di curvatura appropriato. In Figura 2 possiamo osservare un esempio di PCB in cui la corretta angolatura delle tracce è stata rispettata;
• circuito di elevata complessità: le aree del PCB dove la densità di componenti e il numero di interconnessioni sono particolarmente elevati richiedono un’attenzione particolare. In questi casi, il progettista può riuscire a risolvere brillantemente molti problemi di routing che potrebbero mettere in crisi uno strumento automatico.

Figura 2: Esempio di PCB con corretta angolatura delle tracce.

Rispetto all’autorouting, il routing manuale richiede una discreta quantità di tempo, che potrebbe essere spesa su altre attività del progetto. Se usato in modo saggio, l’autorouting è uno strumento molto utile che, rispetto a quello manuale, aggiunge le seguenti funzionalità:

• posizionamento ottimale dei componenti: molti autorouter includono questa funzione in grado di assistere il progettista nel trovare la posizione ottimale sul PCB per ogni componente, non sempre ottenibile con il posizionamento manuale;
• eliminazione dei fenomeni di crosstalk tra segnali che attraversano tracce adiacenti, migliorando così l’integrità del segnale;
• miglioramento della gestione termica e della immunità alle interferenze elettromagnetiche;
• individuazione delle connessioni critiche: l’autorouter rileva possibili criticità nelle connessioni, come ad esempio due componenti posti a una distanza non sufficientemente ampia;
• suggerisce una soluzione: anche se si opta per il routing manuale, l’autorouting può essere attivato per eseguire lo sbroglio di alcune parti del PCB, traendo spunto dalla soluzione che esso propone.

Al fine di produrre risultati soddisfacenti, l’autorouting richiede che il progettista definisca opportunamente le regole di routing. Tali regole includono: dimensioni della scheda, caratteristiche elettriche delle tracce (ampiezza, spessore e distanza), numero e direzione dei layer, controllo del fanout e altri vincoli progettuali come massimo numero e dimensione dei fori di via, priorità di routing associata a ciascun segnale e raccomandazioni sul posizionamento dei componenti imposte dal DFM (Design For Manufacturability) in modo da semplificare la fase di assemblaggio. Il controllo del fanout è molto importante per i componenti SMD, in quanto occorre garantire che ogni pin del componente sia provvisto di almeno un foro di via per consentire sia il collegamento con i layer interni, che per l’esecuzione del test circuitale (ICT) e il riprocessamento del PCB qualora si renda necessario aumentare il numero di connessioni.

Routing interattivo

Rispetto all’autorouting, il routing automatico interattivo offre al progettista il pieno controllo su come le tracce vengono posizionate sul PCB. La sua caratteristica è quella di combinare tutta la potenza del motore di autorouting con l'abilità personale del progettista, aiutandolo a trovare la soluzione di routing ottimale. Nell’esempio di Figura 3 sono visibili le tecniche di autorouting (in alto) e di routing interattivo (in basso). Il primo provvede ad eseguire automaticamente il routing degli airwires (immagine a sinistra), ottenendo il risultato visibile nell’immagine a destra. Il secondo propone al progettista una soluzione di routing (immagine a sinistra), che se approvata viene applicata al layout del PCB, come indicato nell’immagine a destra.

Figura 3: Confronto tra autorouting e routing interattivo (fonte: Cadence).

Entrambe le due tecniche di routing automatico sono valide. In generale possiamo consigliare il routing interattivo per lo sbroglio di schede che includono bus con un elevato numeri di segnali (ad esempio memorie DDR), oppure abbiano una complessità elevata. Il routing automatico normale è invece molto comodo per eseguire rapidamente il routing punto a punto su PCB di complessità standard, consentendo un risparmio di tempo notevole rispetto alla tecnica manuale.

Conclusioni

Abbiamo visto come il progettista elettronico possa oggi contare su tre diverse tecniche per eseguire lo sbroglio, una delle attività più complesse del processo di fabbricazione del PCB. In generale possiamo affermare come nessun approccio sia a priori sbagliato e nessuna tecnica sia migliore delle altre. Se da un lato il routing automatico e quello interattivo forniscono un prezioso aiuto, aiutando a risparmiare tempo prezioso, dall’altro il routing manuale esalta l’estro e l’abilità del progettista, consentendogli di risolvere situazioni anche molto complesse grazie all’esperienza accumulata.