PCB-Design Grundlagen: Schritt-für-Schritt-Regeln & kostenlose Tools für zuverlässige Leiterplatten

Ein Leiterplatten-Design-Prozess umfasst zeitaufwändige Schritte, die konsequent befolgt werden müssen. Die Nichtbeachtung der Anweisungen kostet PCB-Designer oft ihre Designprojekte.

Daher haben wir Regeln, PCB-Design-Schritte und mehrere kostenlose Design-Software-Tools zusammengestellt, die Sie für bessere Haltbarkeit, Leistung und Funktionalität ausprobieren können.

Was ist PCB-Design?

Ein Leiterplatten-Design (Printed Circuit Board Design) ist ein Prozess, bei dem mithilfe von Layout-Software Routing und Bauteilplatzierung kombiniert werden. Diese Kombination definiert die elektrische Konnektivität auf der PCB und erweckt sie physisch zum Leben.

PCB-Design-Prozess-Regeln

Die Einhaltung der korrekten Board-Design-Regeln begrenzt unnötige Verzögerungen und PCB-Wartung und gewährleistet ein High-Speed-PCB. Während die Konzentration auf Schaltungsdesign und Bauteilauswahl entscheidend ist, kann das Ignorieren der Regeln Ihr Projekt digital und physisch teuer zu stehen kommen.

Was sind also einige der Regeln für Design for Manufacturability (DFM)?

PCB-Design-Regeln für Analogschaltungen

Der Layout-Prozess umfasst:

1. Sicherstellung eines klaren Rückführpfads für das Analogsignal und Befüllung der Pfade mit kurzen, direkten Leiterbahnen der Bauteile. Blockierte Pfade verursachen unnötiges Rauschen, da das zurückkehrende Analogsignal sich in der Nähe einer Masseebene bewegt, wenn es den direkten und kürzesten Pfad zum Ursprung sucht.
2. Zweitens: Einsatz einer analogen Masseebene (Analog Ground Plane), um sie von einer digitalen Ebene zu trennen und so Störungen zu vermeiden.
3. Drittens: Halten Sie Signalleiterbahnen direkt und kurz. Dies verhindert elektromagnetische Störungen in PCB-Elementen durch Impedanzunterschiede, die bei höheren Frequenzen Reflexionen verursachen.
4. Viertens: Trennen Sie Bereiche für Analog- und Digitaltechnik, um Rauschen zu minimieren. Leiten Sie auch keine Analogschaltungsbereiche zu High-Speed-Digitalbauteilen, da dies Rauscheinflüsse verhindert.
5. Fünftens: Platzieren Sie Ihre analogen Bauteile eng beieinander, um ein vereinfachtes, direktes Routing zu erreichen und digitale und analoge Schaltungen zu trennen.

SMD PCB Design Rule Check

Normalerweise erleichtert ein guter Abstand zwischen elektronischen Bauteilen und wenige Leiterbahnen das Routing der Oberflächenebene.

Regel zu Routing-Optionen

Erstens beeinflusst das gewählte SMD-Bauteilgehäuse die Routing-Option. Zudem können der Fanout-Platz und die Routing-Komplexität Ihre Wahl beeinflussen. Daher können Sie wählen zwischen:

Einseitiges PCB-Routing; Wird bei einfachen und restriktiven Schaltungen eingesetzt und sollte ausreichend Freiraum für Bohrlöcher, Bauteile, Platinenrand und Leiterbahnen bieten.

Doppelseitiges PCB-Routing; Hier bietet die Nutzung der oberen und unteren Oberfläche hervorragenden Platz für Bauteile und Routing.

Bauteilauswahl-Regel

Kennen Sie den korrekten Gehäusetyp für SMD, der bei Durchsteckbauteilen (Through-Hole) oder SMD verwendet wird, da dies die Platinenfertigung und PCB-Bestückung bestimmt.

2-Lagen PCB Design Tipps

Hersteller erstellen 2-Lagen-Leiterplatten oft mit begrenzter Leistung. Daher wird es schwierig, BGA-Gehäuse wie FPGA oder High-End-Mikroprozessoren auf der Design-Platine zu routen.

Glücklicherweise können Sie die Herausforderung durch folgende Tipps meistern:

1. Halten Sie sich nicht immer an Standardrichtlinien. Beispielsweise kann die Verwendung von Kupferfüllung (Copper Pour) herausfordernd sein, im Gegensatz zum Routing der Stromversorgung als Leiterbahnen. Zudem können Sie drei Kondensatoren mit niedriger Schleifeninduktivität (insgesamt 22 µF) routen, anstatt drei separate Kondensatoren für Stromanschlüsse (1 µF, 10 µF und 0,1 µF) zu verwenden.
2. Haben Sie, wann immer möglich, nur einen Rückführpfad für jedes Digitalsignal an allen Steckverbindern, um Ground Bounce / Schaltrauschen zu vermeiden.

3. Platzieren Sie große Entkopplungskondensatoren, wie 22 µF MLCC, nah an den IC-Stromanschluss. Der Kondensator kann in einem kompakten Gehäuse mit einer Spannungsfestigkeit von ca. 2x der empfohlenen Schienenanwendung ausgeführt sein.
4. Erstellen Sie eine kurze Route auf der unteren Lage / Kupferlage, manchmal unter Einsatz von Rückführbändern (Return Straps) für Kürze. Das Verfahren gewährleistet geringe Mutual-Induktivität im Signalrückführpfad (verbesserte Signalintegrität).
5. Setzen Sie zudem auf abgestandene Leiterbahnen und Bauteilanpassung für weniger überfülltes Routing.
6. Führen Sie dann Masse-Rückführung und Bauteile auf der zweiten Lage, während Signal- und Strompfade auf der ersten Lage bleiben. Hier nutzen Sie eine robuste Masseebene unter der Design-Platine.
7. Zuletzt: Verwenden Sie 13 mils Bohrlochdurchmesser, 6 mils (bei 1 A Gleichstrom) breite Signalleiterbahnen und 20 mils (bei 3 A Gleichstrom) breite Stromleiterbahnen. Die winzigen Strukturen erreichen hohe Routing-Dichte bei geringen Kosten.

28-Lagen PCB Design-Regeln

Die Richtlinien für 28-Lagen-PCB-Designs stellen sicher, dass Sie das Fehlerrisiko minimieren und die Kosten bei der Platinenfertigung reduzieren. Beachten Sie auch, dass Hersteller unterschiedliche Anforderungen haben. Daher können sich die High-Power-Board-Regeln in Bezug auf Stromisolation, Leiterbahnbreiten und Abstände unterscheiden.

Regeln zur Bauteilverdrahtung

Die elektrischen Eigenschaften sind wie folgt:

1. Stellen Sie sicher, dass die Signalleitung nicht als Schleife (Loopback) erscheint und Masse- sowie Stromleitungen sternförmig (radial) verlegt sind.
2. Zweitens: Der Bohrlochdurchmesser sollte 40 mil, der Pad 60 mil bei DIL-Gehäusen betragen.
3. Drittens: Durchsteckbauteile (Through-Hole) sollten nicht weniger als 30 mil betragen.
4. Viertens: Der Leiterabstand sollte über 10 mil liegen, CPU Ein-/Ausgang > 8/10 mil, Stromleitung > 18 mil (sehr breit), Signalleitung > 12 mil.
5. Fünftens: Zeichnen Sie Ihre Verdrahtung so, dass der Verdrahtungsbereich innerhalb von 1 mm um das Montageloch und ≤ 1 mm vom Platinenrand liegt.
6. 4-Lagen PCB Design

Ein 4-Lagen PCB-Schaltplan-Design verfügt über Stromleiterbahnen/Signale + Formen, Referenz-GND, geteiltes VOUT/VIN und Power-GND. Fluten Sie ungenutzte Bereiche mit einer Kupferschicht aus Vout, Vin und GND. Verbinden Sie anschließend alle Stromversorgungs-Pads mit der obersten Lage.

Schritt-für-Schritt PCB-Design-Anleitung

Als PCB-Designer nutzen Sie die Montagemethode in der Anleitung, um ein qualitativ hochwertiges Designziel für Ihre Leiterplatte zu erreichen.

• Verstehen Sie stets die elektrischen Parameter Ihres Board-Layout-Systems, z. B. Kapazitätsgrenzen, integrierte Schaltkreise, Spannungen etc.
• Zweitens: Erstellen Sie ein Schaltbild, wobei Sie die PCB auf der elektrischen Ebene ihrer Funktion/Zweck designen.
• Drittens: Erstellen Sie ein PCB-Layout mit dem Schematic-Capture-Softwaretool wie Altium Designer. Es zeigt an, wo die Bauteile platziert werden und wie die Platine in einem beabsichtigten Gerät funktioniert.
• Anschließend: Designen Sie Ihren PCB-Layerstack (Stackup), da dieser die Impedanz bestimmt (wie schnell/viel Elektrizität eine PCB-Leiterbahn durchläuft).
• Fünftens: Definieren Sie Anforderungen und Design-Regeln durch Akzeptanzkriterien und Standards von IPC. Zudem können Sie einen Leiterplattenanbieter mit Kenntnis der Standardregeln finden, um Projektverzögerungen und ständige Revisionen zu begrenzen.
• Nun: Platzieren Sie die Bauteile vorsichtig mithilfe eines Datenblatts für jedes einzelne mit geschmolzenem Lot. Dann können Sie mit der Platzierung über ein mechanisches Layout und PCB-Design fortfahren.

• Bohrlöcher entsprechend der Verbindungen und Bauteile einbringen. Die Hälfte der Flex-Leiterplatten sind doppelseitig, d. h. sie verbinden sich mit dem Bohrloch auf der untersten Lage.

• Später: Routen Sie die einzelnen Leiterbahnen nach dem Platzieren der Bohrlöcher und Bauteile wie passiver Komponenten. Fügen Sie dann Markierungen, Beschriftungen und Kennzeichnungen im Board-Layout hinzu, um anzuzeigen, wo sich bestimmte Bauteile auf der Platine befinden.
• Last but not least: Generieren Sie Ihre Layout/Design-Dateien, wenn der Platinenumriss abgeschlossen ist. Jetzt sind Sie offiziell bereit für PCB-Bestückung, Fertigung und Herstellung (von der Idee zur Produktion).

Beste kostenlose PCB-Design-Software

Dieser Abschnitt enthält eine zusammengestellte Liste legitimer und kostenloser Leiterplatten-Design-Software/Tools für Hobbyisten.

Diese sind:

1. DipTrace; Eine Design-Software mit benutzerfreundlicher Funktion, die nicht auf Kosten der Funktionalität geht. Was mehr ist: Sie ist ideal für alle Lernstufen und läuft auf Systemen wie Linux, Mac und Windows.
2. EasyEDA; Neben der kostenlosen Nutzung bietet EasyEDA einen Team-Kollaborator, Projektmanagement-Tool, Bibliotheksdesigner, PCB-Editor und einen leistungsstarken Schaltplan-Capture. Außerdem verfügt es über uneingeschränkte Funktionalität (offline und online) und läuft auf Linux, Mac und Windows.

3. CircuitMaker; Ermöglicht Design ohne Einschränkungen bei PCB-Abmessungen und bis zu 16 Ebenen + 16 Signalebenen. Unterstützt Design Rule Checking, natives 3D-Visualisierung und erweitertes Routing. Funktioniert jedoch nur unter Windows.
4. Autodesk Eagle; Das Design-Tool verfügt über einen PCB-Layout-Editor für PCB-Design und einen Schaltplan-Editor für Schaltbilder. Neben der Verfügbarkeit für Mac, Linux und Windows bietet es Funktionen wie umfassende Bibliotheksinhalte, PCB-Routing, Bauteilplatzierung etc.
5. Osmond PCB; Die einzige MAC-basierte EDA-Design-Software, die PCB-Layout-Design und Schaltplan-Capture unterstützt. Zudem kann sie Boards mit bis zu 700 Pins und mehreren Board-Lagen sowie unbegrenzten Board-Größen designen.
6. Fritzing; Ein ideales PCB-Design-Tool für diverse Bildungsressourcen, da es einfache Schaltungen mit Software unterstützt, um Designs auf PCBs, gelötete Streifenplatinen oder lötfreie Breadboards zu übertragen.
7. KiCad; KiCad ist ein beliebtes Open-Source-Designprogramm, das mit FreeCAD für physikalisches Design verknüpft ist, GitHub für Versionskontrolle unterstützt und Schaltungssimulation (Ngspice) integriert. Trotz etwas altmodischer Bibliotheksstruktur verfügt es über eine leistungsstarke Suite an Funktionen für Experten und Einsteiger.
8. Easily Applicable Graphical Layout Editor (EAGLE); Ein EDA-Designprogramm, das Designern umfassende Bibliotheksinhalte, PCB-Routing, Bauteilplatzierung etc. bietet. Zusätzlich kann es Sieb & Myer und Excellon Bohrdaten sowie PostScript und Gerber Layout-Dateien speichern.

Fazit

Zusammenfassend haben wir einige Regeln zum PCB-Design skizziert und eine Liste von Softwaretools bereitgestellt. Allerdings könnten wir einige Designherausforderungen übersehen haben. Benötigen Sie Hilfe, kontaktieren Sie uns noch heute – wir verbinden Sie mit einem Engineering-Experten aus unserem Team für Unterstützung.