3D LineExplore: en 3D-linjeutforskningsmetod för geometrisk routing på flerskikts-PCB

Smartare ledningar för kretskorten i allt omkring oss

Varje smartphone, laptop och bil döljer numera små kopparmotorvägar som för signaler mellan kretsar. När elektronik paketeras med fler komponenter på mindre yta har det blivit en av de svåraste momenten i hårdvarudesign att rita dessa mikroskopiska ”vägar” på tryckta kretskort (PCB). Denna artikel presenterar ett nytt sätt att automatiskt planera dessa banor i tre dimensioner, vilket lovar snabbare design, färre fel och bättre prestanda för de enheter vi använder dagligen.

Varför traditionell routing stöter på problem

Dagens automatiska PCB-routerare tänker oftast i termer av ett schackbräde-likt rutnät: kortet delas upp i små rutor och algoritmer som A* söker efter den billigaste vägen mellan två stift. Det fungerar, men har nackdelar. Om rutnätet är grovt blir banorna oprecisa och kan bryta mot designregler. Om rutnätet är mycket fint exploderar sökomfånget och blir smärtsamt långsamt, särskilt på flerskiktskort där spår kan hoppa mellan lager via små borrade hål kallade vias. Metoder utan rutnät undviker det artificiella rutnätet och arbetar direkt med former, men hittills har de i stor utsträckning begränsats till platta, tvådimensionella layouter och har haft svårt att effektivt hantera verklig 3D-routing över flera lager.

En 3D-“radar” för att hitta säkra vägar

Författarna introducerar 3D LineExplore, en gridless routing-metod som arbetar direkt i kontinuerligt utrymme över flera lager. Kärnan är en ”radar”-inspirerad skanningsalgoritm. Istället för att undersöka varje rutnätscell tittar metoden runt den aktuella punkten i en lokal närhet, identifierar närliggande hinder såsom komponenter och redan placerade ledare, och samlar utvalda hörnpunkter från dessa former. Utifrån dessa föreslår den en kompakt uppsättning lovande ”utforskningspunkter” där en ledning säkert kan passera. Om den omedelbara närheten inte ger en rutt utökas skanningsradien, men endast vid behov. Denna selektiva sondering håller sökningen fokuserad, undviker redundanta kontroller och utvidgas naturligt till flera lager genom att projicera målpunktspunkter mellan lager och lägga till särskilda utforskningspunkter som representerar potentiella via-placeringar.

Låta kostnader styra den bästa vägen

När utforskningspunkterna är kända väljer en andra modul den faktiska banan. Denna hinderundvikande heuristiska sökalgoritm fungerar som en vägledd sökning: den väger den redan avverkade sträckan, avståndet till varje nästa kandidatpunkt, den extra kostnaden för att borra en via till ett annat lager, och en rätlinjig uppskattning av hur långt som återstår till målet. Genom att använda dessa faktorer i en enda kostnadsfunktion och en prioritetskö expanderar algoritmen alltid nästa mest lovande steg. I bakgrunden byggs en gles graf av möjliga förflyttningar utan att någonsin lägga ett fullständigt rutnät. När målstiftet nås återskapas vägen genom att följa sparade föregångarlänkar tillbaka till start, vilket ger en komplett 3D-rutt som slingrar sig runt hinder och byter lager endast när den extra kostnaden är motiverad.

Rensa upp komplexa nät och skärpa linjerna

På riktiga PCB kopplas sällan bara ett par stift åt gången. Många nät binder samman tre eller fler stift, vilket lätt kan leda till återvändsgränder eller trassliga rutter. 3D LineExplore hanterar dessa fall genom att dela upp ett multipinstift-nät i en sekvens av närmaste-granne-par, routa dem ett efter ett, och sedan reparera eventuella misslyckanden. Om en anslutning inte kan slutföras som planerat söker algoritmen efter en alternativ anslutning till ett närliggande redan-anslutet stift och återställer nätet med minimal extra ledning. När all koppling är säkrad förbättrar en efterbehandlingsfas ledningarnas fysiska form. Många högfrekvensdesigner föredrar böjningar på ungefär 135 grader istället för skarpa rätvinklar för att underlätta tillverkning och minska elektriska reflektioner. Författarna introducerar en geometrisk ”parallellogram”-justering som omformar polylinje-segment till jämnare banor begränsade till 135 grader, samtidigt som alla anslutningar bevaras och nya kollisioner undviks.

Sätta den nya metoden på prov

Teamet utvärderade 3D LineExplore på elva offentliga benchmarkkort från enkla till komplexa och jämförde med både kommersiella och akademiska verktyg, inklusive FreeRouting, ELECTRA, DeepPCB och en optimerad 3D A*-algoritm. I dessa fall lyckades den nya metoden ansluta omkring 98 % av de kräva stiftparen, i nivå med eller bättre än etablerade routerare. Mer anmärkningsvärt var att dess totala ledningslängd i genomsnitt var kortare—ungefär 15 % mindre än ett ledande kommersiellt verktyg—vilket hjälper till att minska signalfördröjning och effektförluster. Även om den ibland använde fler vias för att ta sig runt trängsel, förbättrade denna avvägning utnyttjandet av ytan och minskade trängsel på individuella lager. Vad gäller hastighet möjliggjorde en enpasslösning tillsammans med adaptiv lokal skanning att de flesta designer kunde färdigställas på sekunder, och i vissa inställningar minskade den adaptiva sökningen routingtiden med över 90 % jämfört med en brutalt genomgående fullkortssökning, samtidigt som ledningslängden endast ökade något.

Vad detta betyder för framtida elektronik

Enkelt uttryckt ger 3D LineExplore PCB-designers ett sätt att routa täta, flerskiktskort mer som en skicklig människa skulle göra: genom att titta lokalt omkring, välja endast de mest användbara kandidatvägarna och väga korta banor mot kostnaden för att byta lager. Den undviker den stora overheaden av fina rutnät samtidigt som den respekterar strikta designregler och producerar jämna, tillverkningsbara spår. När elektronik fortsätter att bli mer komplex och mindre kan metoder som denna—särskilt i kombination med framtida maskininlärningsstyrning—göra automatisk routing både snabbare och mer pålitlig, vilket hjälper nya generationer av enheter att nå marknaden snabbare och fungera effektivare.

Citering: Sun, N., Zhang, J., Xu, N. et al. 3D LineExplore: a 3D line exploration method for multi-layer PCB geometric routing. Sci Rep 16, 6588 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36925-0

Nyckelord: PCB-routing, flerskiktskort, algoritm utan rutnät, elektronisk designautomatisering, 3D-vägsplanering