键盘柔性板链路智能布线算法设计与应用探讨论文

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　　摘 要：键盘柔性板链路设计与键盘触点功能和外观密切相关,是整个设计中最为重要的环节。传统的键盘布线基本由人 工完成,布线周期长、效率低,费时费力、布局线路调整不灵活,无法自动统计布线的数量和总长度。本文详细探讨了键盘智 能布线的一些思路和方法,阐述了其重点和难点,最后,展望智能布线技术在该领域的应用和价值。

　　关键词：智能布线,柔性板链路,行优先


　　【Abstract】： The keyboard flexible board link design is closely related to the keyboard contact function and appearance, and is the most important link in the entire design. The traditional keyboard wiring is basically done manually, which has long wiring cycle, low efficiency, time-consuming and labor-intensive, and inflexible adjustment of layout lines. It is impossible to automatically count the number and total length of wiring. This paper discusses some ideas and methods of keyboard intelligent wiring in detail, expounds its key points and difficulties, and finally, looks forward to the application and value of intelligent wiring technology in this field.

　　【Key words】： smart routing;flexible board links;row first


　　1 研究背景

　　伴随着全球市场上智能手机、电脑、可穿戴设备、 汽车电子等现代电子产品的不断发展,柔性印制电路板 (Flexible Printed Circuit Board,FPC) 产值整体呈现 上升趋势。2018 年全球 FPC 产值规模达 127 亿美元, 同比增长 1.4%。可以预见, 未来 FPC 的市场需求将维 持一定的增长速度(如图 1 所示)。21 世纪以来,随着 欧美国家的生产成本提高,以及亚洲地区 FPC 下游市 场不断兴起, FPC 生产重心逐渐转向亚洲。随着产业 转移的影响以及电子产品消费市场的日益增长,我国的 FPC 制造行业快速增长,目前国内 FPC 市场规模已经 超过 300 亿人民币,占全球产业比重超过 30%。


　　传统的印制电路板 (Printed Circuit Boards,PCB) 布线技术已有大量的研究 [1-6],随着 FPC 产业的高速发展和应用的日益广泛,整个产业的自动化和智能化水平逐年提高,而柔性板的布线设计作为制造工艺中最重要 的环节之一,其智能化的需求已经日渐迫切,并逐渐成 为该产业技术研究的热点,同时,也是最迫切需要解决 的核心难题之一。

　　相较于传统的以人工操作为主, 生产周期长, 效率低下 的 FPC 布线,现代的 FPC 设计越来越趋于高精度、高密度 化。随着计算机技术的发展和人工智能算法的更新,实现对 FPC 自动布线已成为该领域非常迫切需要解决的问题。传统 的电子设计自动化 (Electronic Design Automation, EDA) 布线工具在电子线路板布线设计中已经有着广泛的应 用,但在 FPC 领域,由于布线的规范和链路的技术要 求差异极大,很难适用到柔性板行业。同时,相关领域 布线设计也鲜有相关技术和产品的报道。

　　如图 2、图 3 所示显示了工业上 FPC 键盘的布线设 计图, 包括 A 面和 B 面。其中, 在 A 面中, PIN 头是线 路起点,通过走线连接到 A 面的触点 K 点 ;另一方面, PIN 线通过 AB 面连接处的 ACL 层, 将导入引入 B 面, 并走到对应的触点 K 点,实现 B 面布局, K 点是触点, 即当用户敲击键盘, A 面和 B 面导线接通,触发按键信号。


　　传统的 FPC 布线基本由人工完成,存在众多缺点 和不足,例如 ：布线周期长、效率低下,费时费力,且 布局线路调整不够方便,链路统计功能薄弱。据了解, 目前主要 FPC 由中国生产,集中在珠三角和长三角区 域。每个生产企业都有其固定的工艺设计工程师,其布 线效率和质量主要依赖于工艺设计师个人的经验与能力, 该设计模式逐渐落伍,不符合产业未来发展的需求。

　　2 布线目标

　　依据 FPC 布线规范,智能布线算法应该实现核心 目标 ：灵活运用智能优化算法,能够计算最佳的布线 路径,实现触点 K 和 PIN 头的有效链接(包括跳线设计)。具体实现如下 ：通过给定的 FPC 键盘分布图,提 取有效信息,构建对应的布局模型数据,包括通道数 据、K 点数据、ACL 层数据、PIN 接口数据,并依据逻 辑拓扑图,通过自动路径规算法,实现链路从 PIN 接 口到 K 点的电路布局,在满足逻辑拓扑和阻抗等技术规 范之后,尽量缩短路径,减少跳线,以减少工艺制造的 难度,并节省原材料成本。

　　自动布线算法牵涉的布线规则和优化策略算法较多, 为了按进度有规划实现智能化布线过程,整个技术路线将 从简单到复杂,循序渐进,迭代开发核心模块及相关算法。

　　依据布线的规则和逻辑布局要求,先设计单个算 法,验证局部布线策略或布线规则 ;然后,进一步验证 多种算法组合和布线规则应用,进一步优化布线算法或 规则 ;最后,按模块划分逐步完善相关功能和算法,并 整合进行系统测试。

　　系统按功能可以分为如下主要模块, CAD 图纸识 别、FPC 自动布线、链路核查和统计、交互与展示,如 图 4 所示。


　　2.1 CAD 图纸识别

　　依据用户提供的 CAD 图纸,识别主要布局相关目标。 例如, PIN 头、触点、机构孔、布局边界、PIN 头和触点 的拓扑矩阵等信息。同时,依据此类信息,构建主要的布 局数据模型,包括 K 点、通道、ACF 通道、PIN 接口等。

　　2.2 FPC 自动布线

　　依据 FPC 布线规范,采用智能算法,计算最佳的 布线路径,实现触点和 PIN 头的有效链接、合理跳线、 并避开机构孔等。

　　2.3 研究链路自动统计和检查技术

　　链路自动统计 ：统计链路各类数据指标,包括物 理、几何等信息,例如,各 PIN 线的银线电阻、走线 路径长度和银线面积 ;核查 ：例如 DRC 核查等功能, 并检测是否符合 FPC 规范。

　　2.4 研究相关的布局交互与展示技术

　　支持用户交互和链路设计微调, 方便图纸修改。数 据多层交互展示,数据按层展示,局部展示(例如 ：单 根 PIN 线展示)。设计实现基本模块后,在项目综合测 试环节,先从少样本选择测试到多样本大量测试,逐步 完善核心模块功能及相关算法。

　　3 核心算法及应用

　　3.1 基于行优先分级布局策略

　　FPC 布局中 K 触点布局具有很强的规律性,例如 ： 尺寸接近,按一定行列排布。基于该特点,我们提出了 基于行优先的分级布局策略 ：在布线时,对每个可能的 链接的 K 点目标,分析空间规律,尤其是触点的行信 息,选择其中最为密集的行作为布线的主通道,并对其 余点按多种优化策略继续探索布线,例如 ：局部聚类, 或单个 K 点与当前布线最短距离等,依次布线。该策 略极大模仿了人工布线策略,且能较好地节省布线的长 度,从而缩减银浆成本。

　　3.2 支持 CAD 图纸智能识别功能

　　布线空间和逻辑连接等需求往往都是以 CAD 形式 展示。实现基于 CAD 图纸的布局建模,能有效的节 省数据预处理时间。考虑到不同厂家的 CAD 图纸的差 异性,系统提出多种智能识别策略,能支持识别各类 CAD 表征的数据模型,例如 ：触点、ACF 搭接层和逻 辑链路等信息。

　　3.3 通道建模

　　在 CAD 图纸中,另外一个关键信息就是图纸中的主 通道及其容量。根据图纸风格不同,确定 FPC 图纸上的 非封闭区域,一般是水平和垂直通道,可以用来布线。该 区域越宽,表示可以并行布线的数量越多,如图 5 所示。


　　3.4 链路优化搜索功能

　　系统内部采用多种优化策略对布线路径进行有效搜 索,尽量从若干有效路径中寻找最佳的布线方案,供设 计师选择。

　　优化的设计方案,可以替代大量的人工设计工作, 从而大大提高设计效率和质量。

　　优化的路径方案能减少银浆的使用,而银浆成本在所有材料的成本中占比极大,甚至超过 50%,如果能 减少 2% ~ 3% 的布线,那每年至少可以为企业节省数 百万元的生产成本。

　　3.5 局部和全局算法的最优化

　　柔性电路板是由多层组合而成的,系统的一大特点 便是实现 FPC 同层布线的局部最优,跨层布线的全局 最优。其通过自动布线算法实现局部最优,达到最短路 径,减少了银线成本。

　　在真正布局时,融入多种算法和策略,并引入随机 因素,先按照初始策略,设计若干布局 ;然后按统计的 结果,在满足布通率的条件下,挑选部分较优布局 ;接 着,针对这些较优布局,融入一些组合优化策略和随机 因素,得到若干新的布局 ;最后,综合各种因素,选择 若干较优的布局结果,供布线工程师挑选。

　　4 总结与展望

　　随着深度学习等智能化技术不断深入和推广,越来 越多行业将其引入到设计和生产制造环节,以便进一步 提升产业制造的效率或改善产品质量。智能布线算法研 究和应用将会在下列方面产生积极的意义 ：


　　(1)将极大地提高 FPC 在设计环节的自动化程度, 填补 EDA 设计在 FPC 领域的空白,减少了 FPC 生产 企业在设计端缺少智能化的短板 ;

　　(2) 优化链路设计, 减少人工参与程度, 并便于链 路统计和调节,提高初始设计的效率和设计质量,并方 便设计师依据设计规范微调设计 ;

　　(3) 取代了大部分人工设计工作,节省了企业成本 ;

　　(4) FPC 中链路银线占据物料成本 50% 以上,优化 链路,可减少银线 2% ~ 3% 布线长度,将为制造类企业 节省上千万的物料成本支出,给企业带来巨大的经济效益。

　　参考文献

　　[1] 陈赟.大规模集成电路自动布局布线设计的方法研究[D].成 都:电子科学大学,2003.

　　[2] 杜昶旭.面向模拟和数模混合集成电路的自动布线方法研究 [D].北京:清华大学,2008.

　　[3] 於敏峰.基于PCNN的自动布线算法设计与实现[D].武汉:华 中科技大学,2008.

　　[4] 费艳.基于李群机器学习算法的智能布线[D].苏州:苏州大 学,2011.

　　[5] 周文广.基于Dijkstra的自动布线算法的优化及其应用研究 [D].武汉:华中科技大学,2007.

　　[6] 王洪申.电路CAD中PCB的自动布线算法研究[D].西安:西北 工业大学,2005.
 
 
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