Überlegungen zum PCB-Layout

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• Grundlegende PCB-Designschritte
• Designdokumentation
• Überlegungen zu PCB-Layout und Design
• Die Bedeutung des Testens
• Lösen von PCB-Layout-Problemen mit CAD
• Auswahl eines PCB-Lieferanten

Das Entwerfen des Layouts Ihrer Leiterplatte ist entscheidend für die Erstellung einer zuverlässigen, kostengünstigen Platine. Während das Schaltungsdesign und die Komponentenauswahl ebenfalls von entscheidender Bedeutung sind, sollten Sie immer darauf achten, dass Sie genügend Zeit für das PCB-Layout einplanen. Es wird viel in die Bestimmung des optimalen PCB-Layout-Designs investiert, zumal die heutigen Boards immer komplexer, kompakter und leichter werden. Die wachsende Beliebtheit flexibler Leiterplatten erschwert den Prozess ebenfalls.

Wenn Sie wichtige Überlegungen zum PCB-Layout nicht berücksichtigen, erhalten Sie möglicherweise ein Design, das sich nicht gut in die reale Welt übertragen lässt. Ein unangemessenes Layout kann zu mehreren Problemen führen, wie z. B. elektromagnetische Interferenz, Konflikte von Komponenten auf beiden Seiten der Platine, eingeschränkte Funktionalität der Platine und sogar Totalausfall der Platine. Wenn Sie das Layout beim ersten Mal nicht richtig hinbekommen, müssen Sie es außerdem überarbeiten, was zu Verzögerungen bei der Herstellung und zusätzlichen Kosten führen kann.

Was sind also die Designregeln und Überlegungen für das PCB-Layout, die Sie beachten müssen? Schauen wir uns die Schritte des PCB-Layout-Designs an und identifizieren einige der wichtigsten Überlegungen für jede Phase. Natürlich gibt es noch andere Überlegungen, die Sie berücksichtigen sollten, aber dies sind einige der kritischsten Aspekte des PCB-Layout-Designs, die Sie kennen sollten.

Grundlegende PCB-Designschritte

Das PCB-Design spielt in jedem Schritt des Leiterplatten-Produktionsprozesses eine Rolle, von dem Moment an, in dem Sie wissen, dass Sie eine Leiterplatte benötigen, bis zur endgültigen Produktion. Der grundlegende Designprozess umfasst sechs Schritte.

1. Konzept

Nachdem der Bedarf an einer Leiterplatte identifiziert wurde, besteht der nächste Schritt darin, das endgültige Konzept der Leiterplatte zu bestimmen. Diese Anfangsphase umfasst die Definition der Funktionen, die die Leiterplatte haben und ausführen wird, ihrer Merkmale, ihrer Verbindung mit anderen Schaltkreisen, ihrer Platzierung im Endprodukt und ihrer ungefähren Abmessungen. Berücksichtigen Sie auch den ungefähren Temperaturbereich, in dem das Board betrieben wird, und andere Umweltbedenken.

2. Schema

Die nächste Phase besteht darin, den Schaltplan basierend auf dem endgültigen Konzept zu zeichnen. Dieses Diagramm enthält alle Informationen, die für die ordnungsgemäße Funktion der elektrischen Komponenten der Platine erforderlich sind, sowie Details wie Komponentennamen, Wert, Bewertung und Hersteller-Teilenummern.

Während Sie Ihren Schaltplan erstellen, erstellen Sie Ihre Stückliste. Diese Stückliste enthält Informationen zu allen Komponenten, die Sie für Ihre Leiterplatte benötigen. Halten Sie diese beiden Dokumente immer aktuell.

3. Blockdiagramm auf Board-Ebene

Als Nächstes vervollständigen Sie ein Blockdiagramm auf Platinenebene, eine Zeichnung, die die endgültigen Abmessungen der Leiterplatte beschreibt. Markieren Sie Bereiche, die für jeden Block vorgesehen sind, Abschnitte von Komponenten, die aus elektrischen Gründen oder aufgrund von Einschränkungen verbunden sind. Indem Sie verwandte Komponenten zusammenhalten, können Sie Ihre Spuren kurz halten.

4. Komponentenplatzierung

Der nächste Schritt ist die Komponentenplatzierung, die bestimmt, wo Sie jedes Element auf der Platine platzieren. Oft müssen Sie mehrere Runden zur Verfeinerung der Komponentenplatzierung durchlaufen.

5. First-Pass-Routing

Bestimmen Sie als Nächstes das Routing und die Routing-Priorität für die Leitung.

6. Testen

Nachdem Sie das Design fertiggestellt haben, sollten Sie eine Reihe von Tests durchführen, um sicherzustellen, dass es alle Ihre Anforderungen erfüllt. Wenn dies der Fall ist, ist das Design abgeschlossen. Wenn nicht, kehren Sie zu den Phasen zurück, in denen Sie Anpassungen vornehmen müssen.

Designdokumentation

Während Sie Ihre Leiterplatte erstellen, entwickeln Sie zahlreiche Dokumente. Zu diesen Dokumenten gehören:

• Die Maßzeichnungen der Hardware: Beschreibt die Größe des Bareboards
• Der Schaltplan: Zeichnet die elektrischen Merkmale der Platine auf
• Die Stückliste: Beschreibt die für das Projekt benötigten Komponenten
• Die Layoutdatei: Beschreibt das grundlegende Layout der Leiterplatte
• Die Komponentenplatzierungsdatei: Beschreibt die Position der einzelnen Komponenten.
• Die Montagezeichnungen und Anweisungen: Erklärt, wie man das Board zusammenbaut
• Die Benutzerhandbücher: Obwohl sie nicht erforderlich sind, sind sie nützlich, um dem Benutzer zusätzliche Informationen bereitzustellen
• Das Gerber-Dateiset: Die Sammlung von Ausgabedateien des Layouts, die der Leiterplattenhersteller zum Erstellen der Leiterplatte verwenden wird

Überlegungen zum PCB-Layoutdesign

Beim PCB-Layout und -Design gibt es viel zu beachten. Einige Überlegungen gelten für den gesamten Prozess, während andere für bestimmte Schritte spezifisch sind. Hier sind sieben relevante Faktoren, die Sie beachten sollten.

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1. Board-Einschränkungen

Die ersten Einschränkungen, die Sie sich ansehen sollten, sind die, die mit dem Bareboard verbunden sind. Einige dieser grundlegenden Einschränkungen umfassen die Größe und die Form des Boards.

Sie müssen sicherstellen, dass Sie ausreichend Platinenfläche für die Schaltung haben. Die Größe des Endprodukts, die Funktionalität, die das Board bieten muss, und andere Faktoren bestimmen, wie groß das Board sein sollte. Elektronische Produkte und die darauf verbauten Leiterplatten werden immer kleiner. Bevor Sie mit dem Designprozess beginnen, schätzen Sie die Größe der Platine. Wenn Sie bei einem einfacheren Design nicht genügend Platz für alle erforderlichen Funktionen haben, müssen Sie möglicherweise ein mehrschichtiges oder High-Density Interconnect (HDI)-Design verwenden.

Die Standardplatine ist rechteckig. Dies bleibt mit überwältigender Mehrheit die häufigste Form für Leiterplatten. Es ist jedoch möglich, Boards in anderen Formen zu erstellen. PCB-Designer tun dies meistens aufgrund von Größenbeschränkungen oder der Verwendung in unregelmäßig geformten Produkten.

Eine weitere wichtige Überlegung ist die Anzahl der Schichten, die Sie benötigen, welche Leistungsstufen und die Komplexität des Designs bei der Entscheidung helfen. Es ist am besten, früh im Layout-Designprozess herauszufinden, wie viele Sie benötigen. Das Hinzufügen weiterer Ebenen kann die Produktionskosten erhöhen, ermöglicht es Ihnen jedoch, mehr Spuren einzufügen. Dies kann für komplexere Boards mit erweiterter Funktionalität erforderlich sein.

Verwenden Sie mindestens zwei Durchkontaktierungen, um Schichtübergänge für alle Hochstrompfade herzustellen. Die Verwendung mehrerer Vias an Schichtübergängen erhöht die Zuverlässigkeit, verbessert die Wärmeleitfähigkeit und reduziert induktive und resistive Verluste.

2. Fertigungsprozesse

Sie sollten auch die Herstellungsverfahren berücksichtigen, die Sie zur Herstellung der Platine anwenden möchten. Unterschiedliche Methoden haben unterschiedliche Beschränkungen und Einschränkungen. Sie müssen Referenzlöcher oder -punkte verwenden, die mit dem Herstellungsprozess auf der Platine funktionieren. Stellen Sie immer sicher, dass die Löcher frei von Komponenten sind.

Denken Sie auch an die Montagemethode der Platine. Unterschiedliche Herangehensweisen erfordern möglicherweise, dass Sie verschiedene Bereiche des Boards offen lassen. Die Verwendung mehrerer Technologietypen, z. B. sowohl durchkontaktierte als auch oberflächenmontierte Komponenten, kann die Kosten Ihrer Platinen erhöhen, kann aber in einigen Fällen erforderlich sein.

Wenden Sie sich immer an Ihren Hersteller, um sicherzustellen, dass er in der Lage ist, die Art von Platine herzustellen, die Sie benötigen. Einige sind beispielsweise möglicherweise nicht in der Lage, Platinen mit vielen Schichten herzustellen – oder solche, die ein flexibles Design verwenden.

3. Materialien und Komponenten

Berücksichtigen Sie während der Layoutphase die Materialien und Komponenten, die Sie für Ihr Board verwenden möchten. Sie müssen zunächst sicherstellen, dass die gewünschten Elemente zugänglich sind. Einige Materialien und Teile sind schwer zu finden, während andere so teuer sind, dass sie unerschwinglich sind. Unterschiedliche Komponenten und Materialien können auch unterschiedliche Designanforderungen haben.

Nehmen Sie sich Zeit, um sicherzustellen, dass Sie die optimalen Materialien und Komponenten für Ihr Board ausgewählt haben, und auch, dass Sie ein Board entworfen haben, das die Stärken dieser Elemente ausspielt.

4. Komponentenplatzierungsauftrag

Eine der grundlegendsten Richtlinien für das PCB-Design betrifft die Reihenfolge, in der Sie die Komponenten auf der Platine platzieren. Die empfohlene Reihenfolge ist Steckverbinder, dann Leistungsschaltkreise, dann Präzisionsschaltkreise, dann kritische Schaltkreise und dann die restlichen Elemente. Leistungspegel, Rauschanfälligkeit, Erzeugung und Routing-Fähigkeit beeinflussen auch die Routing-Priorität für eine Schaltung.

5. Orientierung

Versuchen Sie beim Platzieren von Komponenten, einander ähnliche in die gleiche Richtung auszurichten. Dies macht den Lötprozess effizienter und hilft, Fehler während des Lötens zu vermeiden.

6. Platzierung

Versuchen Sie, keine Teile auf der Lötseite der Leiterplatte zu platzieren, die hinter plattierten Durchgangslochteilen sitzen.

7. Organisation

Eine logische Organisation Ihrer Komponenten kann die Anzahl der erforderlichen Montageschritte reduzieren, die Effizienz steigern und Kosten senken. Versuchen Sie, alle Ihre oberflächenmontierten Komponenten auf einer Seite der Platine und alle Ihre Durchgangslochkomponenten auf der Oberseite zu platzieren.

Überlegungen zu Stromversorgung, Erdung und Signalverfolgung

Die obigen Tipps konzentrierten sich auf die Platzierung von PCB-Komponenten. Damit diese Komponenten wie gewünscht funktionieren, müssen Sie auch die Strom-, Masse- und Signalspuren verlegen. Wenn Sie diesen Schritt effizient ausführen, können Sie sicherstellen, dass Ihre Signale einen zuverlässigen Weg haben, damit Ihr Board ordnungsgemäß funktioniert. Hier sind fünf Faktoren, die Sie beachten sollten.

1. Leistungs- und Masseebenen

Eine grundlegende Designregel für das PCB-Layout besteht darin, Ihre Stromversorgungs- und Erdungsebenen intern auf Ihrer Platine zu belassen. Sie sollten auch zentriert und symmetrisch sein, um ein Verbiegen und Verdrehen Ihres Boards zu verhindern. Eine Verbiegung kann dazu führen, dass sich Komponenten aus ihrer Position bewegen und möglicherweise die Platine beschädigen. Weitere Empfehlungen umfassen die Verwendung von Common-Rails für jede Versorgung, die Sicherstellung zuverlässiger, umfassender Spuren und die Vermeidung von Daisy-Chains zum Verbinden von Komponenten.

Hochspannung in Stromkreisen kann Niederspannungs- und Stromsteuerkreise stören. Sie können die Platzierung Ihrer Stromerde und Steuererde verwenden, um diese Interferenz zu minimieren. Versuchen Sie, Ihre Masse für jede Stromversorgungsstufe getrennt zu halten. Wenn Sie einige zusammen platzieren müssen, stellen Sie sicher, dass sie sich am Ende Ihres Versorgungspfads befinden. Wenn sich Ihre Masseebene in der mittleren Ebene Ihrer Platine befindet, schließen Sie einen kleinen Impedanzpfad ein, um Interferenzen mit Stromkreisen zu vermeiden.

Sie sollten auch Ihre digitalen und analogen Gründe auf ähnliche Weise trennen. Versuchen Sie, analoge Leitungen nur über Ihre analoge Masse zu legen, um die kapazitive Kopplung zu reduzieren.

2. Track-Design

Dieser Schritt beinhaltet auch das Verbinden von Signalspuren gemäß Ihrem Schaltplan. Sie möchten immer, dass Ihre Spuren so kurz und direkt wie möglich sind. Wenn Sie eine horizontale Leiterbahnführung auf einer Seite der Leiterplatte haben, platzieren Sie vertikale Leiterbahnen auf der anderen Seite.

Ihr Board benötigt möglicherweise mehrere Netze mit unterschiedlichen Strömen, die die benötigte Netzbreite bestimmen. Die Verwendung eines Spurbreitenrechners kann bei diesem Schritt hilfreich sein. Dünne Schienen können nur so viel Strom führen. Schienen mit einer Dicke von 0,010 Zoll oder 10 mil können nur einen Strom von etwa einem Ampere aufnehmen, während eine 250 mil dicke Schiene bis zu 15 Ampere bei einem Temperaturanstieg von 30 Grad Celsius führen kann.

3. Polster- und Lochabmessungen

Sie müssen auch die Pad- und Lochabmessungen früh im PCB-Designprozess bestimmen. Wenn die Größe der Pads und Löcher abnimmt, wird es immer wichtiger, das richtige Pad-zu-Loch-Größenverhältnis zu finden. Dies ist besonders kritisch bei der Arbeit mit Durchgangslöchern. Der Hersteller von unbestückten Leiterplatten kann möglicherweise Richtlinien zu den erforderlichen Standards und Seitenverhältnissen bereitstellen.

Eine weitere wichtige Überlegung ist die Form der PCB-Pads. PCB-Footprints können je nach Herstellungsprozess variieren. Wellenlöten erfordert normalerweise größere Stellflächen als beispielsweise Infrarot-Reflow-Löten.

4. Signalintegrität und HF-Probleme

Das PCB-Layoutdesign spielt eine entscheidende Rolle bei der Sicherstellung der Signalintegrität und der Vermeidung elektrischer Probleme wie Interferenzen, die oft als Hochfrequenzstörungen oder elektromagnetische Interferenzen bezeichnet werden.

Das Vermeiden dieser Probleme hat viel damit zu tun, wie Sie Ihre Spuren leiten. Um Signalproblemen vorzubeugen, vermeiden Sie parallel verlaufende Gleise. Parallele Spuren haben mehr Übersprechen, was verschiedene Probleme verursachen kann, die schwer zu beheben sind, sobald Sie die Leiterplatte gebaut haben. Wenn sich Gleise kreuzen müssen, stellen Sie sicher, dass dies im rechten Winkel geschieht. Dadurch werden die Kapazität und die gegenseitige Induktivität zwischen den Leitungen reduziert, was wiederum das Übersprechen verringert.

Die Verwendung von Halbleiterkomponenten, die eine geringe elektromagnetische Strahlung erzeugen, kann auch zur Signalintegrität beitragen. Manchmal erfordern andere Anforderungen jedoch Teile mit einer höheren elektromagnetischen Erzeugung.

Vermeiden Sie beim Entwerfen einer Leiterplatte Antennen, die elektromagnetische Energie abstrahlen können, sowie große Signalschleifen und Erdungsleitungen, die hohe Frequenzen übertragen. Sie müssen integrierte Schaltkreise sorgfältig positionieren, um kurze Verbindungsleitungen zu erreichen.

Das Platzieren eines engen Erdungsgitters über der Leiterplatte ist eine weitere wichtige Designrichtlinie für das HF-Leiterplattenlayout, die dazu beiträgt sicherzustellen, dass Rückleitungen nahe an den Signalleitungen liegen. Dadurch bleibt die effektive Antennenfläche relativ klein. Bei einer Multilayer-Platine können Sie dies mit einer Masseebene erreichen.

5. Thermische Probleme

Thermische Probleme können sich auf viele verschiedene Teile des Designprozesses auswirken. Größere Platinen und solche mit höherer Bauteildichte und höheren Verarbeitungsgeschwindigkeiten haben tendenziell mehr wärmebedingte Probleme. Für kleinere Boards sind sie vielleicht kein Problem, aber für fortgeschrittenere können sie eine erhebliche Herausforderung darstellen.

Um wärmebedingte Probleme zu vermeiden, müssen Sie die Wärme abführen lassen. Identifizieren Sie zunächst Komponenten, die viel Wärme erzeugen. Sie sollten in der Lage sein, die Wärmewiderstandswerte jeder Komponente in ihrem Datenblatt zu finden. Anschließend können Sie die empfohlenen Richtlinien zum Ableiten von Wärme von dieser Komponente befolgen.

Achten Sie darauf, genügend Platz um alle Komponenten herum zu lassen, die heiß werden können. Je mehr Wärme sie erzeugen, desto mehr Fläche benötigen sie zum Abkühlen. Es ist auch wichtig, kritische Komponenten nicht in der Nähe von Wärmequellen zu platzieren.

Idealerweise hat die gesamte Platine die gleiche Betriebstemperatur. Verwenden Sie wärmeleitende Ebenen, um Wärme über einen großen Bereich abzuleiten, wodurch die Geschwindigkeit, mit der die Temperatur abnimmt, beschleunigt wird, indem die für die Wärmeübertragung verwendete Oberfläche vergrößert wird.

Wenn thermische Probleme für Ihre Platine erheblich sind, müssen Sie möglicherweise Lüfter, Kühlkörper und thermische Entlastungen einbauen, die für das Wellenlöten auf Multilayer-Platinen und Baugruppen mit hohem Kupfergehalt von entscheidender Bedeutung sind. Sie können Kühlkörper mit einer Kühlkörperpaste herstellen, einem Polymer, das mit fein dispergierten Feststoffpartikeln gefüllt ist. Sie können diese Paste im Sieb- oder Schablonendruck auftragen. Nach einem Trocknungs- oder Backprozess wird es fest und fungiert als Wärmesenke.

Es ist immer ratsam, thermische Entlastungen an Durchgangslochkomponenten zu verwenden, was die Geschwindigkeit verlangsamt, mit der Wärme durch die Komponentenplatten sinkt. Verwenden Sie als allgemeine Regel immer dann ein thermisches Entlastungsmuster, wenn eine Durchkontaktierung oder ein Loch mit einer Erdungs- oder Stromversorgungsebene verbunden ist. Sie können auch Tränensäcke dort verwenden, wo Spuren und Polster zusammentreffen, um zusätzlichen Halt zu bieten und thermische Belastungen zu reduzieren.

Die Bedeutung des Testens

Während des gesamten PCB-Designprozesses sowie des restlichen PCB-Fertigungsprozesses sollten Sie Ihre Arbeit kontinuierlich überprüfen. Das frühzeitige Erkennen von Problemen trägt dazu bei, ihre Auswirkungen zu minimieren und die Kosten für ihre Behebung zu senken.

Zwei häufige Tests, die Sie durchführen sollten, sind die Überprüfung der elektrischen Regeln und die Überprüfung der Designregeln. Diese Tests helfen Ihnen, viele der schwerwiegenderen Probleme zu lösen, auf die Sie möglicherweise stoßen.

Wenn Sie Ihre ERC- und DRC-Tests problemlos bestanden haben, sollten Sie das Routing jedes Signals überprüfen und Ihr Board im Detail mit Ihrem Schaltplan vergleichen.

Probleme beim PCB-Layout-Design mit CAD lösen

Heutzutage verwenden die meisten PCB-Designer fortschrittliche CAD-Softwaresysteme (Computer-Aided Design), um ihre PCBs zu erstellen. In ähnlicher Weise verwenden Hersteller computergestützte Fertigungssoftware. Die Verwendung dieser Systeme kann Ihnen helfen, viele der Layoutprobleme zu lösen, auf die Sie möglicherweise stoßen. Zu den Vorteilen der Verwendung dieser Softwaresysteme gehören:

• Einfache, halbautomatische Designprozesse: Mit CAD-Programmen können Sie Komponenten ziehen und dort ablegen, wo Sie sie für Ihr Design benötigen. Viele Systeme erstellen sogar die Traces für Sie, und Sie können dann Komponenten verschieben, hinzufügen oder entfernen oder sie nach Bedarf umleiten. Dieser Ansatz kann die Effizienz und Genauigkeit Ihres Designprozesses steigern.
• Designvalidierung: Bevor Sie Ihr Design in die Fertigungsphase schicken, können Sie es mit einem CAD-System testen, um Ihre Toleranzen, Kompatibilität, Komponentenplatzierung und andere Aspekte zu überprüfen. Viele Systeme können sogar grundlegende Fehler in Echtzeit erkennen und ihre Auswirkungen minimieren oder eliminieren.
• Herstellungsdateierstellung: Mit einem CAD-System können Sie Gerber-Dateien und andere Dateiformate generieren, die Sie möglicherweise an den Hersteller senden müssen. Das Erstellen dieser Dateien direkt aus der Designsoftware kann dazu beitragen, ihre Genauigkeit zu erhöhen und einen reibungslosen Übergang zur Fertigungsphase zu gewährleisten.
• Dokumentation: Sie können diese Systeme auch verwenden, um eine detaillierte Dokumentation in Bezug auf die Verwendung von Komponenten, Fehlerberichte, den Designstatus, die Versionskontrolle und mehr zu erstellen und zu speichern, was bei zukünftigen Projekten hilfreich sein kann.
• Regelerstellung: Einige dieser Programme ermöglichen es Ihnen, benutzerdefinierte Regelsätze zu erstellen und zu speichern, die Sie mit Designern teilen können, um die Funktionalität der Software zu verbessern.
• Vorlagenerstellung: Sie können sogar Vorlagen zur Verwendung in zukünftigen Projekten erstellen. Sobald Sie ein Design erstellt haben, können Sie es speichern und als Vorlage für andere Projekte wiederverwenden.
• Gesteigerte Effizienz und reduzierte Kosten: Die Integration von computergestütztem Design in Ihre Abläufe kann die Effizienz und Genauigkeit Ihres Designprozesses verbessern, wodurch die Gesamtkosten gesenkt werden.

Auswahl eines PCB-Lieferanten

Sie benötigen Leiterplatten? Millennium Circuits Limited ist Ihre Anlaufstelle. Wir verfügen über eine Reihe von PCB-Fähigkeiten, die mit Sicherheit die Anforderungen Ihres Projekts erfüllen, und wir sind stolz darauf, einen hervorragenden Kundenservice zu bieten. Wir bieten sowohl inländische als auch Offshore-Leiterplattenkapazitäten an, sodass wir mehrere Finanzierungsoptionen und schnelle Bearbeitungszeiten anbieten können. Ganz gleich, für welche Lösung Sie sich entscheiden, Sie können sicher sein, dass Sie nur PCB-Produkte von höchster Qualität erhalten.

Um mehr über unsere PCB-Services zu erfahren und wie sie Ihrem Unternehmen helfen können, fordern Sie ein Angebot an, indem Sie Ihre Projektinformationen einschließlich einer Gerber-Datei angeben. Wir bieten auch einen kostenlosen Design-Check über unsere Website an, damit Sie sicher sein können, dass Ihr Design bereit für die Fertigung ist. Um mehr über MCL und unsere vielen Möglichkeiten zu erfahren, kontaktieren Sie uns, fordern Sie ein Angebot an oder erkunden Sie noch heute unsere Website.

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