Ansprechen von PCB-Designproblemen

Das richtige Design von gedruckten Leiterplatten (PCB) ist entscheidend für die Fähigkeit, elektronische Prototypen herzustellen, die sowohl betrieblich als auch kommerziell effizient sind. Dies gilt insbesondere für eingebettete Anwendungen. Eingebettete Schaltkreise variieren in Größe und Art je nach Mikroprozessor, Komponenten und Betriebssystem, aber vor allem auch je nach Komplexität der Software, die von einigen hundert Byte bis zu mehreren Megabyte Code variieren kann.

Aus dem entwickelten Schaltplan ist es möglich, Simulationen durchzuführen und die Leiterplatte durch Export von Gerber-/Drill-Dateien zu konstruieren. Unabhängig von der Konstruktion müssen Ingenieure genau wissen, wie die elektrischen Schaltkreise (und elektronischen Komponenten) angeordnet werden sollen und wie sie funktionieren. Für EEs kann es eine entmutigende Aufgabe sein, die richtigen Softwaretools für das PCB-Design zu finden. Ein Softwaretool, das für ein PCB-Projekt ideal ist, kann für andere weniger geeignet sein. EEs wollen Board-Design-Tools, die intuitiv sind, nützliche Funktionen beinhalten, stabil genug sind, um Risiken zu begrenzen, und eine robuste Bibliothek haben, die sie auf mehrere Projekte anwendbar macht.

Hardwareprobleme

Bei Projekten, die auf das Internet der Dinge abzielen, bei denen die Integration von zentraler Bedeutung für Leistung und Zuverlässigkeit ist, erfordert die Integration von leitfähigen und nicht leitfähigen Materialien in eine Leiterplatte, dass IoT-Designer die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen elektrischen und mechanischen Aspekten des Designs untersuchen. Insbesondere die elektrische Erwärmung auf einer Leiterplatte wird zu einem immer kritischeren Faktor, da die Komponentengröße weiter schrumpft. Gleichzeitig steigen die funktionalen Anforderungen. Um eine leistungsbasierte Leistung wie geplant zu erreichen, sind das Temperaturverhalten, das Verhalten der elektrischen Komponenten auf der Platine und das allgemeine Wärmemanagement entscheidend für die Funktionalität und Zuverlässigkeit des Systems.

Eine Leiterplatte muss isoliert werden, um den Schutz zu gewährleisten. Kurzschlüsse werden verhindert, indem die auf der Platine platzierten Kupferleiterbahnen geschützt werden, um das elektronische System zu bilden. FR-4 wird aufgrund seiner physikalischen/mechanischen Eigenschaften, insbesondere seiner Fähigkeit, Daten bei hohen Frequenzen zu speichern, seiner hohe Hitzebeständigkeit und seine Fähigkeit, weniger Wasser aufzunehmen als andere Materialien. FR-4 wird häufig für High-End-Konstruktionen sowie für industrielle und militärische Ausrüstung verwendet. Es ist mit ultrahoher Isolierung (Ultrahochvakuum oder UHV) kompatibel.

FR-4 unterliegt jedoch als PCB-Substrat einer Reihe von Einschränkungen, die auf die chemische Verarbeitung in der Produktion zurückzuführen sind. Insbesondere neigt das Material zur Bildung von Einschlüssen (Luftblasen) und Schlieren (Längsluftblasen) sowie zur Verformung des Glasgewebes. Diese Unvollkommenheiten führen zu Inkonsistenzen in der Spannungsfestigkeit und beeinträchtigen die Leistung der PCB-Leiterbahnen. Neue Epoxidglasmaterialien lösen diese Probleme.

Andere häufig verwendete Materialien sind Polyamid/Fiberglas, das höhere Temperaturen unterstützt und steifer ist, und KAPTON, das flexibel und leicht ist und für Anwendungen wie Displays und Tastaturen geeignet ist. Zu den Faktoren, die bei der Auswahl eines dielektrischen Materials (Substrat) zu berücksichtigen sind, gehören der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE), die Glasübergangstemperatur (Tg), die Wärmeleitfähigkeit und die mechanische Steifigkeit.

PCBs für Militär/Luftfahrt erfordern spezielle Designüberlegungen, basierend auf Layout-Spezifikationen und 100 % Design-for-Test (DFT)-Abdeckung. Der MIL-STD-883-Standard legt Methoden und Verfahren zum Testen mikroelektronischer Geräte fest, die für den Einsatz in Militär- und Luft- und Raumfahrtsystemen geeignet sind, einschließlich mechanischer und elektrischer Tests, Herstellungs- und Schulungsverfahren und anderer Kontrollen, um ein einheitliches Qualitäts- und Zuverlässigkeitsniveau in allen Bereichen zu gewährleisten verschiedene Anwendungen für solche Geräte.

Das Design eines elektronischen Geräts für ein Kraftfahrzeugsystem muss einer Reihe von Regeln folgen und zusätzlich verschiedene Standards erfüllen, wie zum Beispiel die mechanischen und elektronischen AEC-Q100-Tests für verpackte integrierte Schaltkreise. Übersprecheffekte können die Fahrzeugsicherheit beeinträchtigen. Um diese Effekte zu minimieren, müssen PCB-Designer einen Mindestabstand zwischen den Signal- und Stromleitungen festlegen. Design und Standardisierung werden durch Softwaretools erleichtert, die automatisch Designaspekte hervorheben, die weitere Modifikationen erfordern, um Interferenzgrenzen und Wärmeableitungsbedingungen einzuhalten, um eine Beeinträchtigung des Systembetriebs zu vermeiden.

Abbildung 1:Altium Designer (Bild:Altium)

Störungen durch die Schaltung selbst sind nicht die einzige Bedrohung für die Signalqualität. Leiterplatten in Autos werden mit Rauschen bombardiert, das auf komplizierte Weise mit der Karosserie interagiert und unerwünschte Ströme in den Stromkreisen induziert. Und Spannungsspitzen und Spannungsschwankungen, die durch das Zündsystem des Autos verursacht werden, können Komponenten weit außerhalb ihrer Bearbeitungstoleranzen drücken.