PCB Routing

Routing  is one  of  the  steps  that  is  used  during  electronic  and  manufacture  of  Printed circuit boards  (PCBs)  and  also  integrated  circuits.  It  adds  on  to  the  placement  step  which  involves  the  location  of  every  active  element  or  component  of  a  PCB  from  where  it  adds  the  wires  required  to  connect  the  components  that  have  been  placed.  In  simpler  terms  routing involved  creating  the  wires  needed  to  connect  placed  components  in  a  PCB.  While  doing  this,  one  has  to  consider  all  the  design  rules  for  the  PCB’s. As experts in the PCB world, we know PCB routing might be hectic especially for beginners. Please join us as we discuss more about the requirements of PCB routing.

The  basic  task  of  a  router  is  come  up  geometries  in  such  a  way  that  all  the  terminals  assigned  to  the  same  net  are  joined  and  that  no  terminals  are  joined  to  non-matching  nets.  The  simplest  routing  problem  is  that  of  obtaining  the  shortest  route  for  a  particular  net  in  a  particular  layer  there  being  no  obstacles.  This  routing  problem  is  referred  to  as  the  Steiner  tree  problem.

In  addition  to  that,  to  perfectly  connect  the  nets,  there  is  an  expectation  that  the  router  ensures  the  design  meets  timing,  meets  the  metal  density  requirements,  it  doesn’t  have  crosstalk  problems,  and  that  it  does  not  suffer  from  any  antenna  effects. Routers hardly attempt to get an optimum result.  However,  majority  of  the  routing  is  based  on  heuristics  which  try  to  come  up  with  a  solution  that  is  “good enough”.

  1. Ensure that  traces  are  not  routed  parallel  to  one  another  for  a  significant  length

During  routing  it  is  important  to  ensure  that  signal  lines  are  not  routed  parallel  to  each  other,  not  unless  there  is  a  desire  of  the  micro-strip  effects.  Unintentional  electro-magnetic  coupling  that  comes  about  between  traces  that  lie  close  to  one  another  on  a  PCB  is  referred  to  as  crosstalk.  Crosstalk  occurs  on  a  3  dimensional  axis  when  traces  on  adjacent  layers  are  coupled  to  one  another  (broadside coupling)  and  also  when   traces  on  the  same  layer  couple  (trace-to-trace coupling).   Inductive  coupling  reduces  when  long  parallel  traces  running  in  proximity  to  one  another  are  minimized.  It  is  also  advisable  to  maintain  a  gap  which  is  at  least  three  time  the  signal  trace  width.

It  is  also  best  to  ensure  that  signal  traces  that  require  high  isolation  be  routed  on  separate  layers,  if  they  cannot  be  distanced  well  enough  it  is  better  to  run  them  orthogonally  to  one  another  there  being  a  grounding  plane  between  them.

  1. Ensure that  digital  traces  do  not  pass  through  analogue  sections  of  the  board,  or vice versa

The  circuit  of  an  Opamp  is  of  an  analog  form,  which  is  quite  different  from  a  digital  circuit.  Therefore  by  use  of  special  layout  techniques,  it  is  important  to  partition  it  in  its  own  section  of  the  PCB  board.  This  is  because  the  PCB  effects  come  out  clearly  in  analogue  circuits  operating  at  high  speed.  It  is  important  to  minimize  effects  arising  out  of  the  PCB  itself  in  such  a  way  that  during  the  operation  of  the  actual  analogue  circuit  its  performance  will  be  as  that  of  the  design  and  its  prototype.

The  main  reason  behind  the  partitioning  of  the  analogue  circuit  from  the  digital  circuits  is  because  of  the  primary  limitation  of  analogue  circuits  which  is  noise.  The  noise  sources  arise  from  conducted  emissions,  internal  Opamp  noise,  radiated  emissions,  conducted  susceptibility,  radiated  susceptibility,  etc.   Also  if  during  design  the  ground  of  the  analogue  circuit  is  connected  to  the  same  ground  as  the  digital  circuit  the  auto-router  responds  thus  creating  a  disaster,  hence  it  is  important  to  ensure  that  the  grounds  of  the  analogue  circuitry  at  connected  differently  from  those  of  the  digital  circuit.  Emphasizing  further  on  the  reason  for  separation  of  the  digital  circuit  from  the  analogue  circuit,  if  the  digital  and  analogue  circuits  were  mixed  on  the  same  PCB  circuit  board  it  would  be  almost  impossible  to  separate  the  grounds  as  it  would  require  the  designers  to  lift  every  ground  in  the  analogue  circuit  from  the  board  so  as  to  connect  them  together  therefore  creating  a  mess  of  floating  IC  leads  and  passive  components.  It  is  therefore  essential  to  ensure  that  designers  do  not compromise  on  the  performance  as  they  go  along  PCB  routing  process  by  ignoring  simple  basics  rules  that  involve  relationships  between  different  electronic  circuits.

  1. Ensure that  vias  are  avoided  during  PCB  routing

It  is  important  to  ensure  that  routing  constraints  do  not  force  a  via  during  PCB  routing.  A  via  is  basically  a  connection  between  the  layers  of  a  PCB.  This  connection  of  the  layers  leads  to  formation  of  a  parasitic  inductance.  This  is  because  a  resonant  circuit  is  formed  when  inductive  bias  combines  with  parasitic  capacitance.  Another  challenge  that  comes  about  due  to  the  presence  of  vias  is  the  creation  of  ground  loops  since  holes  are  put  into  the  ground  planes  by  the  vias.  The  best  practice  to  ensure  that  the  vias  are  eliminated  or  minimized  is  come  up  with  an  analogue  layout  that  routes  the  signal  traces  on  the  upper  layer  of  the  PCB.

  1. Ensuring that  right  angle  traces  are  not  made  when  turning  by   using  curves  instead

When  a  PCB  trace  turns  a  corner  at,  a  reflection  can  occur.  A  reflection  comes  about  due  to  the  change  in  trace  width.  The  trace  width  is  multiplied  by  a  factor  of  1.41  as  its  width,  at  the  apex.  The  transmission  line  characteristics  are  upset  more  so  the  distributed  self-inductance  and  capacitance  of  the  trace  hence  resulting  into  a  reflection.

When  performing  PCB  routing  one  has  consider  the  above  requirements  so  as  to  come  up  with  high  quality  PCB’s.  Designers  can  choose  to  either  depend  on  their  knowledge  when  doing  the  PCB  routing,  use  the  knowledge  and  then  use  an  auto-router  to  perform  a  sanity  check  and  others  do  all  the  routing  on  an auto-router  software. However, with  recent  advances  in  technology  designers  have  auto-router  software  at  their  disposal  to  assist  them  in  being  more  productive.   Auto-routers  utilize  the  available  board  space  and  are  very  useful  in  making  digital  designs  by  eliminating  crosstalk  problems  that  come  about  due  to  proximity  of  the  traces.

Working  with  auto-routers  helps  designers  see  is  required  to  be  done  without  necessarily  going  through  the  conditional  design  rules  and  keying  in  of  complex  tradeoffs.  However  is  needs  to  understand  that  auto-routers  do  not  work  like  a  push-button  that  one  just  presses  and  a  routed  PCB  is  produced  instantly.  Humans  need  to  tell  it  what  it  has  to  do  after  comprehensively  deciding  what  needs  to  be  done.  After  deciding  on  the  routing  one  then  command  the  router  on  how  to  proceed.

We are one of the leading PCB assemblers, manufacturers and fabricators. We are always proud to work with our customers and our team of engineers will always ensure that all your PCB specifications are met. How can you contact us or place a quote? This is simple; simply contact us at https://www.rushpcb.co.uk/  and our customer care representatives will guide you on the way forward. Come and experience exemplary service from the experts.