Программы автоматизированного проектирования печатных плат. CAD системы

Программы автоматизированного проектирования печатных плат. CAD системы

Средства автоматизированного проектирования (CAD — computer-aided design) применяются для преобразования электрической цепи, описанной принципиальной схемой, в физическую компоновку или печатную плату. Средствами проектирования CAD обычно управляет специалист по проектированию печатных плат, который имеет опыт в области производства и сборки плат, а не инженер-электротехник. Эти средства обеспечиваются таблицами соединений схем, перечнями компонентов, правилами трассировки и другой информацией размещения с помощью систем ввода этих описаний или средствами CAE. В своем простейшем виде они позволяют проектировщику создавать схемы контактных площадок для выводов компонентов и форму печатной платы, а затем вручную соединять выводы компонентов медными трассами. Наиболее изощренные средства CAD в состоянии автоматически определять оптимальное положение каждого компонента печатной платы (авторазмещение) и затем автоматически соединять (автотрассировка) все выводы, соблюдая при этом правила компоновки с сохранением быстродействия. Завершается этот процесс с помощью свода правил, определяющих, какие компоненты должны быть размещены в группах или вблизи разъемов, а также определением того, какое пространство нужно обеспечить между соседними трассами, максимально допустимой длины между точками на схеме и т.п Выходными данными программных средств проектирования CAD являются информационные файлы, которые необходимы для производства, сборки и тестирования печатной платы. К этим файлам относятся тестовые таблицы соединений, файлы для фотоплоттера, ведомости материалов, файлы по монтажу и сборочные чертежи. Средства CAD состоят из программы трассировки схем, установки компонентов, средств тестирования и средств создания выходных файлов.

Средства размещения компонентов

Используются для установки компонентов на поверхности печатной платы. Средства размещения обычно являются составной частью полной системы CAD, а не модулем, приобретаемым отдельно. К входным данным средств размещения относятся:

  • список компонентов или ведомость материалов;
  • список соединений в схеме или способ соединения компонентов друг с другом;
  • формы, размеры и пространственная расстановка выводов компонентов;
  • форма печатной платы с указанием областей, куда компоненты размещаться не могут (свободные зоны);
  • инструкции по фиксированному расположению компонентов, таких как разъемы;
  • правила электрических соединений, такие как максимальное и минимальное расстояние между точками цепи;
  • правила теплового режима, указывающие какие части следует держать в стороне или вблизи от источников потока воздуха.

Средства размещения варьируются от полностью ручного режима до полностью автоматизированных. Все их разновидности имеют некоторую форму графической обратной связи с проектировщиком, что позволяет оценивать качество размещения в терминах возможности трассировки или соединения в требуемом числе слоев сигнальной разводки. Большинство из них используют правила размещения, что обеспечивает достаточное пространство между компонентами для успешной сборки, переделок и испытания.

Трассировщики

Трассировщики печатных плат являются частью системы CAD; они осуществляют физические соединения между компонентами, как это определено списками межсоединений. Трассировщик работает по спискам соединений печатной платы и по их размещению, после того как был завершен шаг по размещению компонентов. Трассировщики варьируются от функционирующих полностью в ручном режиме, в которых проектировщик определяет, где будут размещены трассы, с помощью графического дисплея с мышью или светового пера, до полностью автоматизированных, в которых специализированная программа берет список соединений и, используя правила размещения и правила создания пространств между компонентами, а также правила трассировки, принимает все решения, необходимые для полного соединения всех компонентов между собой. Основным преимуществом ручной трассировки является то, что проектировщик может подогнать каждое соединение по своему вкусу. Основным недостатком ручной трассировки является то, что она выполняется достаточно медленно и занимает много времени, иногда затрачивая несколько минут для полной трассировки и проверки одной цепи. Автоматизированные трассировщики решают эту задачу быстро. Однако возможность детального контроля формы каждой цепи ограничена способностью автотрассировщика следовать правилам трассировки соединений. Некоторые современные автотрассировщики в состоянии согласовать трассировку с очень сложными правилами. Существенной проблемой автотрассировщиков является то, что они не в состоянии найти способ успешной трассировки всех проводников. Когда такое происходит, проектировщик должен добавить больше места для проводников за счет дополнительных слоев или попытаться завершить трассировку в ручном режиме. Важной функцией хорошего автотрассировщика является вариант трассировки в ручном режиме, поскольку это существенно влияет на упрощение выполнения этой финальной операции, которая бывает часто необходима для завершения трассировки. Почти все трассировщики имеют комплект средств проверки, и это гарантирует, что окончательная трассировка согласуется со списком соединений и что все правила по резервированию свободного пространства между компонентами были соблюдены.

Программы трассировки поставляются в нескольких видах и могут быть приобретены в составе системы CAD или в качестве модулей, которые добавляются в системы CAD. К некоторым типам программ трассировки относятся следующие.

Трассировщик с сеткой

Этот тип трассировщика (сеточный трассировщик) работает размещением проводников на предварительно заданную координатную сетку. Вся поверхность, предназначенная под разводку, делится на регулярную сетку, которая обеспечивает должный зазор между проводниками, когда проводники проводят по каждой из линий сетки. Это является первым вариантом программы, предлагаемой в случае как автоматизированного, так и ручного трассировщика, который поступает с системой CAD. Основным недостатком трассировщиков с координатной сеткой является сложность управления более чем одной шириной трасс без потери в плотности прокладки и необходимость задания конечных точек цепей, которые должны быть на сетке трасс для их успешного соединения. Соединения компонентов вне координатной сетки обычно необходимо выполнять вручную и проверять аналогичным образом.

Трассировщик без сетки

Расположение проводников в этой разновидности программы трассировки (безсеточный трассировщик) не зависит от координатной сетки. Вместо нее программа размещает как можно больше проводников, которые только могут разместиться в имеющемся пространстве при соблюдении правил резервирования свободных промежутков, устанавливаемых инженером-конструктором для обеспечения надлежащих электрических характеристик при оптимизации технологичности процесса изготовления. Эта разновидность программы трассировки может легко обрабатывать трассы разной ширины, располагающиеся на одном слое. После выполнения трассировки программа делит любое оставшееся неиспользованное пространство на равные части. Преимущество этого метода лежит в возможности оптимизации технологичности процесса изготовления за счет поддерживания как можно больших промежутков между компонентами. Недостаток этой разновидности программы трассировки в том, что обычно она зависит от данного слоя разводки, который предполагает располагать все либо горизонтально, либо вертикально, а это является существенным недостатком при использовании технологии SMT, где компоненты не нуждаются для соединения в сквозных отверстиях, и требует очень мощную программу трассировки для регулярной матрицы очень большого числа штырьковых выводов элементов, таких как CPU или многопроцессорная система с массой выводов. Эта разновидность трассировщиков является «рабочей лошадкой» цифровых конструкций очень высокой сложности, в которых немало регулярности, и требуется реализовать прогнозируемые шаги и длины трасс из соображений быстродействия и производительности

Трассировка с учетом формы

Этот тип трассировщика (трассировщик с учетом формы) распознает формы уже установленных на монтажной поверхности элементов и прокладывает проводники в обход. Свободное пространство между проводниками и другими объектами, такими как сквозные отверстия, используемые для перехода на другой слой, и контактные площадки, сохраняется как трассировочное пространство. Этот тип трассировщика становится «рабочей лошадкой» при конструировании плат на основе SMT.

Средства проверки

С помощью этих инструментов выполняется проверка соответствия трассировки печатной платы правилам резервирования свободного пространства между трассами и между отверстиями и трассами путем сравнения фактических промежутков, имеющихся в готовых трафаретах, с теми, которые установлены правилами конструктора плат. Они также гарантируют, что все цепи полностью подключены и не соединены с объектами, с которыми соединять их не следует (другие цепи и механические элементы на печатной плате), путем сравнения результатов трассировки с данными, которые поставляются системой CAD. Некоторые средства проверки также выполняют проверку соблюдения правил прокладки линии связи и того, что перекрытие с соседними трассами находится в допустимых пределах. Комплект средств проверки обычно входит составной частью в систему CAD.

Генераторы выходных файлов

После трассировки печатной платы и проверки точности всех соединений система CAD удерживает эту информацию в нейтральной форме, которая определяется используемой операционной системой. Для того чтобы эти данные оказались полезны при изготовлении, их следует преобразовать в формат, который можно использовать на технологическом оборудовании, таком как фотоплоттеры, тестеры и монтажное оборудование. Процедуры, генерирующие выходные файлы, выполняют это преобразование. Большинство систем CAD оснащены ограниченным набором этих процедур при поставке. Дополнительные генераторы или преобразователи следует заказывать как дополнительные.