2.2.3 PADS Layout/Router

PADS Layout/Router是Mentor Graphics公司的高效率布局布线的PCB设计工具, 用来解决复杂的高速、高密度互连问题, 如图2.11所示。

1. 产品特点

① 基于Windows平台的PCB设计环境, 操作界面（GUI）简便直观、容易上手。

② 兼容Protel/P-CAD/CADStar/Expedition设计。

③ 支持设计复用。

④ 优秀的RF设计功能。

⑤ 基于形状的无网格布线器, 支持人机交互式布线功能。

⑥ 支持层次式规则及高速设计规则定义。

⑦ 规则驱动布线与DRC检验。

⑧ 智能自动布线。

⑨ 支持生产（Gerber）文件、自动装配文件及物料清单文件输出。

2. 概述

电子技术的飞速发展使产品的PCB设计越来越复杂, 布线层数增加、高密度互连及高速信号处理等问题已直接影响到产品的可靠性、研发成本及上市时间。

Mentor Graphics公司的PADS Layout/Router环境作为业界主流的PCB设计平台, 以其强大的交互式布局、布线功能和易学易用等特点, 在通信、半导体、消费电子、医疗电子等当前最活跃的工业领域中得到了广泛的应用。PADS Layout/Router支持完整的PCB设计流程,涵盖了从原理图网表导入, 规则驱动下的交互式布局布线, DRC、DFT、DFM校验与分析,直到最后的生产文件、自动装配文件及物料清单文件输出等全方位的功能需求, 确保PCB工程师高效率地完成设计任务。

PADS Layout/Router兼容多种格式的PCB及封装库文件, PADS Layout可以导入Protel、P-CAD、CAD/Star、Expedition等环境下的PCB及封装库文件。导入过程中PCB上的网络、布线及元器件属性等信息均保持完好。

3. PADS Layout/Router主要功能

（1）基本的PCB设计功能

封装向导：可根据用户输入的引脚数、引脚间距等标准信息, 自动创建DIP、SOIC、Polar、PLCC、BGA等多种封装。对于复杂的、有上千个引脚的IC元器件, 使用封装向导只需几分钟, 为封装库的创建和维护节约了大量时间。在PADS Layout和Router中可以看到引脚的号码, 同时支持数字字母组合引脚命名, 如图2.12至图2.14所示。

（2）模拟PCB设计工具包

模拟PCB设计工具包包含单/双面模拟PCB设计中常用的跳线（长度/角度可变）、泪滴（直线/曲线泪滴, 尺寸可变）、异形焊盘等功能, 以及圆形PCB设计中常用的极坐标布局方式、多个封装同步旋转、任意角度布线等功能。

（3）RF电路设计

RF电路设计可以根据任何形状的布线自动创建屏蔽过孔, 根据任何形状的铺铜区域创建过孔阵, 如图2.15和图2.16所示。

（4）支持二维图形文件DXF文件的导入, 可用来创建异形焊盘、铺铜区域等, 如图2.17所示。

（5）锁定PCB文件

锁定PCB文件功能用于团队设计PCB时, 如某一设计工程师在对文件进行编辑时, 其他设计工程师对此文件只有只读权限, 而不能更改此文件。

（6）电源分割与铺铜

电源分割与铺铜功能可以根据PCB的板框自动创建电源层铺铜边界, 铺铜与电路板边缘及铺铜之间的距离可以在设计规则中定义。在完整的铺铜区域上画分割线可将其一分为二, 并分配给不同的电源网络, 支持不同电源网络的铺铜嵌套。

（7）IDF接口

PADS Layout可通过IDF接口与ProE互换数据。PCB文件可以从PADS Layout导出至ProE, 查看PCB的三维视图；也可以在ProE中修改元器件高度、布局等信息,然后回传给PADS Layout。

（8）DXF接口

PADS Layout可以通过DXF接口与机械软件如AutoCAD互换数据。对于复杂的异型PCB外框, 可以在AutoCAD中设计好, 然后通过DXF文件传递给PADS Layout；也可以将PCB文件从PADS Layout导出至AutoCAD, 进行详细的加工尺寸标注, 如图2.18所示。

（9）设计复用

通过设计复用可以最大限度地利用现有的设计成果, 如经典电路、多路并行信号处理模块、BGA器件的外围电路及外围线等, 避免投入大量的时间进行重复性的工作。设计复用可以在原理图和PCB之间同步进行, 复用出来的元器件和网络等信息在原理图与PCB之间保持一一对应, 不会造成前后端设计数据不一致。在设计周期很紧张的情况下, 也可以进入ECO模式, 直接向PCB中添加复用电路模块, 以快速完成设计。软件可以为复用模块中的元器件位号或网络名称自动指定前后缀, 避免与PCB上其他内容相冲突, 如图2.19所示。

（10）自动标注尺寸

自动标注尺寸可以让设计工程师快速标注水平、垂直、斜面尺寸, 以及圆和圆弧的角度、直径, 支持自定义公差。

（11）汉字输入及TrueType Windows字体

支持简体/繁体汉字输入及标准的TrueType Windows字体, 便于中国用户在PCB上添加中文文字标注信息。

嵌入式连接OLE可以将元器件DataSheet注释性文档等资料嵌入设计中, 也可以嵌入其他设计工具中增强设计工程师的设计能力, 如图2.20所示。

（12）交互式布局、布线功能

PADS Layout/Router包括交互定位与模块化布局功能, 通过交互定位可以将原理图与PCB的视图切换到设计最关心的地方, 以便快速找出目前急需的元器件或网络。在布局设计时, 同一电路模块的封装通常要一起考虑, 软件提供了模块化的布局功能, 可以自动将电路模块的所有封装依次“捕捉”到鼠标上, 无须逐一查找, 提高了布局效率, 如图2.21所示。

（13）正反标注

PADS Layout/Router在原理图与PCB并行设计过程中, 任何一方对设计数据的修改（ECO）操作, 都可以通过正反标注来更新对方的数据。封装类型及属性、网表与设计规则等均可作为正反标注的内容, 这样就确保了原理图和PCB数据的同步性和一致性, 避免因人为错误造成设计反复。

（14）层次式设计规则

PADS Layout/Router的物理设计规则分为3个层次, 优先级最高的是元器件规则, 可以根据PCB中的封装类型甚至个别元器件的特殊要求进行单独布局、布线约束, 如扇出方式、引脚连出线的尺寸与角度等规则；优先级次之的是网络规则, 可以将同种信号归纳为一个网络组, 然后统一定义其布线方式, 如线长、线宽、间距、布线层设置、可用过孔、最大过孔数及拓扑结构等规则, 也可以对单个网络, 甚至某个网络里的关键连接（通常是芯片引脚间的连接）进行特殊的布线规则定义；优先级最低的是通用规则, 可对没有特殊要求的网络、元器件进行常规的布线参数定义。软件可以根据定义好的层次式规则对PCB上的网络和元器件进行规则驱动布线及DRC验证, 提高设计的可靠性。规则中关于Router功能的设置可以传递到Router设计环境, 如元器件扇出方式、差分对规则等。

（15）交互式布线

PADS Layout/Router通过业界最先进的人机交互式布线功能, 把工程师的布线经验和计算机的布线算法有效地结合在一起。在布线过程中只需定义几个关键节点, 其余的布线部分由软件根据空间尺寸及最短路径原则自动设计, 并优化45°布线拐角。当布线空间有限时,可以用当前布线推挤沿途的布线及过孔, 支持平移、垂直的推挤方向, 所有被推挤布线的形状和拐角都能自动优化。

这种智能的交互式布线功能可以大幅度减轻手工调线的工作量, 提高复杂的高密度互连设计效率。

（16）总线布线

PADS Layout/Router在总线布线模式下, 只需控制总线中一根信号的布线, 其他信号会自动跟进, 并在跟进过程中自动保持合理的拐角、间距及过孔排列。对数字电路PCB中的数据线/地址线设计尤为适用, 使布线高效且美观, 如图2.22所示。

（17）布线预分析

PADS Layout/Router布线预分析功能能够自动检查设置, 如栅格设置、平面层网络焊盘进入方式、禁止布线层等, 如图2.23所示。错误的设置会导致时间上的浪费。

（18）设计验证

PADS Layout/Router的设计验证功能能够设计验证检查设计中间距、连接性、最大过孔等规则, 保证生产数据的正确无误, 如图2.24所示。

（19）自动变线宽布线

PADS Layout/Router的自动变线宽布线功能可以在布线过程中根据空间尺寸的变化自动调整线宽, 从而保证安全间距。这样就能最大限度地提高板面利用率, 同时克服了手工调整线宽的低效率, 如图2.25所示。

（20）任意角度布线和焊盘进入方式

PADS Layout/Router的任意角度布线和焊盘进入方式可以让设计工程师在高密度布线环境中节省空间, 任意角度焊盘进入方式则为PIN间距较小的元器件布线提供了灵活的方法,如图2.26所示。

（21）SMD封装扇出向导

PADS Layout/Router的SMD封装扇出向导为多引脚的SOIC/QUAD/BGA等SMD封装提供了标准的扇出方案, 如内/外侧扇出、同方向扇出、辐射及螺旋状扇出等。在不同设计阶段可以选择扇出电源网络、信号网络, 支持相邻引脚共享扇出, 可以设置扇出线的最大长度。软件还支持在焊盘上扇出（Via at SMD）的功能, 解决高密度SMD封装的扇出问题。在同一PCB上可以使用多种扇出方案, 提高了设计效率, 使布线工作更加容易, 如图2.27和图2.28所示。

（22）高速PCB设计功能拓扑结构设计

拓扑结构的设计会影响高速信号的阻抗匹配和时序。PADS支持常用的PCB网络拓扑结构, 如点对点、紧凑树形、菊花链、星形、远端簇形及混合型拓扑。当元器件布局改变以后, 软件会自动调整引脚连接顺序以保持原有的拓扑结构, 用户也可以自己定义网络拓扑结构。在布线过程中, 软件可以自动阻止违背拓扑结构的布线顺序, 从而确保信号的传输效果及产品的可靠性。

（23）阻抗连续设计

对于长线传输的高速信号, 传输线上的阻抗不连续也会导致严重的反射（过冲/欠冲）问题, 影响电路工作状态。而传输线阻抗的不连续通常是由换层布线引起的。PADS提供阻抗连续控制功能, 可以对信号在外层和内层的布线宽度分别定义, 并在换层布线时自动调整线宽, 从而确保传输线上阻抗的连续, 降低信号反射, 提高系统的可靠性。

（24）限长信号设计

网络的布线长度会影响信号的延迟时间, 从而对系统的时序构成危害。PADS支持线长与延迟时间的换算, 可以定义网络的最大布线长度。在布线过程中, 软件会动态地提示当前长度, 并预测最终长度, 为选择合适的布线路径提供参考, 还可以阻止“超长”的布线路径, 从而保证信号的延迟不会对时序构成致命影响, 提高了系统的稳定性, 如图2.29所示。

（25）时序匹配设计

对于有时序同步要求的网络组, 如DDR系统中的DQ/DQS信号, 必须保证其具备相同的布线延迟。PADS可以将此类信号定义为延迟匹配组, 并设定相互间的长度公差, 以确保延迟相同, 满足时序同步的要求。在布线时, 可以对延迟匹配信号进行交互式蛇形布线, 从而达到规定的线长要求。PADS提供了监控窗口, 可以检查线长匹配情况。软件还支持自动匹配, 可以对选中的一个或一组信号自动走出蛇形线, 以满足线长匹配的要求, 提高系统稳定性, 如图2.30所示。

（26）差分对信号及其阻抗连续设计

差分对广泛应用于各类高速系统中, 差分对布线时必须保证线长相同、线宽相等、间距固定。可以将相邻的两个网络或网络中的关键连接（芯片到芯片间的连接）定义为差分对。在布线时, 只需从一个差分引脚上引出连线, 另一个引脚的连线会自动跟进, 且保持差分规则里的线长、线宽及间距要求。软件还可以分别定义外层与内层的差分参数, 确保差分对在换层布线时其传输线系统的阻抗连续, 降低信号反射, 提高系统的可靠性, 如图2.31所示。

（27）智能自动布线

PADS提供了基于形状的无网格布线器, 可以在设计规则的驱动下, 对多达64个信号层的PCB进行自动布线, 拥有一流的布通率与布线速度。软件支持对自动布线执行步骤的定义, 如布线前执行SMD封装、扇出以提高布通率。布线后对不同的网络执行相应的优化操作以确保信号传输效果, 包括对所有网络执行过孔优化、对两个焊盘之间的网络等间距排列优化、对高速网络执行线长匹配优化等。在布线过程中, 支持布线顺序的定义, 可对关键的网络类型、单个网络或元器件优先布线, 布线之后将其锁住, 从而不受其他布线的影响。每一个步骤完成后, 都可以让布线器暂停以检查布线结果, 如果不满意可以随时中止自动布线进程, 改善布线及优化顺序, 重新执行。PADS具备的智能自动布线技术可以帮助PCB工程师在保证信号质量的前提下, 快速完成PCB布线工作, 节约了大量时间。

（28）可测试性分析（DFT）与可制造性分析（DFF）功能

可测试性分析：可以自动为PCB上所有网络添加测试点, 并优化测试点布线；可将无法添加的测试点标示出来, 警告其不可测试性；可为PCB的ICT（In Circuit Testing）自动测试设备输出符合IPC标准的数据文件, 如图2.32所示。

可制造性分析：可以先导入PCB制造厂的加工能力数据, 检查PCB设计, 找出超过厂家加工能力的细节并给出警报。例如, 在PCB上容易引起焊接搭桥的封装、蚀刻缺陷（Acid Trips）、铜丝/阻焊丝（Copper、Solder Mask Slivers）、环宽（Annular Ring）等制造障碍的设计细节, 确保提交给PCB制造厂的设计文件和加工出来的印制电路板完全一致, 如图2.33所示。

（29）生产文件输出（Gerber）、自动装配文件输出与物料清单输出

生产文件输出：支持RX274D/RX274X等标准格式的生产文件输出, 可选择每层文件的输出内容, 能对输出层做镜像处理, 支持对Gerber文件的预览。PADS具备与CAM350软件的接口, 可直接将配置好的输出层传给CAM350。

自动装配文件输出：可为Dynapert、Universal、Phillips等自动贴片/插片机器创建标准的元器件坐标文件。

物料清单输出：可以根据用户的要求, 输出Word、Excel及文本格式的BOM文件。允许用户制订BOM表中的元器件属性信息排列格式, 并可统计相同元器件的数量。软件同时支持BOM变量管理功能, 可基于同一个设计输出多个对应不同规格产品要求的BOM文件。

（30）PCB上的裸片互连（Chip on Board）与芯片封装设计（Advanced Package Design）

裸片互连：PADS支持在PCB上直接使用裸片的设计, 可以导入GDSII和ASCII文件, 自动创建用于PCB布线的Chip模块, 支持单个或多个Chip模块的互连设计, 如图2.34所示。它可以自动产生技术文档, 如Bonding线、Substrate Router和封装输出引脚的连接数据。帮助设计工程师解决高密度、小尺寸的PCB设计。

芯片封装设计：PADS提供芯片封装设计功能, 可以导入GDSII和ASCII文件, 支持Ball Grid Area（BGA）、Chip-ScalePackage（CSP）和Multi-ChipModulePackage（MCM）的设计, 自动创建DIE封装、DIE Flag和Power Rings, 完成Bonding, 并自动连接裸片到封装引脚的连线。还可以自动产生技术文档, 如DIE、Bonding线, Substrate Router和封装输出引脚的连接数据。为芯片封装设计提供了完整的流程, 并可衔接PCB设计流程, 提高了设计效率, 如图2.35所示。