Leitfaden zum Design von Leiterplatten

Leiterplatten, auch PCBs genannt, bilden heute den Kern jedes elektronischen Bauteils. Diese kleinen grünen Komponenten sind für Alltagsgeräte und Industriemaschinen gleichermaßen unverzichtbar. Das PCB-Design und -Layout ist ein wichtiger Bestandteil der Funktion eines jeden Produkts – dies entscheidet über den Erfolg oder Misserfolg eines Geräts. Mit der ständigen Weiterentwicklung der Technologie haben sich diese Designs weiter weiterentwickelt. Heute haben die Komplexität und die Erwartungen an diese Designs dank der Innovation von Elektroingenieuren neue Höhen erreicht.

Die jüngsten Fortschritte bei PCB-Designsystemen und -Technologien hatten weitreichende Auswirkungen auf die gesamte Branche. Infolgedessen haben sich die Regeln für das PCB-Design und die Produktionsprozesse weiterentwickelt, um neue Layouts und Fähigkeiten zu erreichen. Heutzutage sind kleinere Leiterbahnen und Multilayer-Platinen in Massenproduktionsleiterplatten alltäglich – solche Designs wären vor Jahren undenkbar gewesen. PCB-Designsoftware hat ebenfalls zu diesem Fortschritt beigetragen. Diese Programme bieten Werkzeuge, mit denen Elektronikingenieure von Grund auf bessere Leiterplatten entwerfen können.

Selbst mit diesen verbesserten Fähigkeiten sind Leiterplatten-Layouts schwierig zu entwerfen. Selbst der erfahrenste Elektronikingenieur kann Schwierigkeiten haben, eine Schaltung auf einer Leiterplatte zu erstellen oder eine Leiterplatte gemäß den Best Practices der Branche zu entwerfen. Noch schwieriger ist es, ein hochwertiges Board zu erstellen, das die Anforderungen der Kunden erfüllt. Bei Kundendesigns ist das Abgleichen der Funktionalität der Leiterplatte mit den besten Designpraktiken ein komplizierter Prozess. Aus diesem Grund haben wir den Prozess des PCB-Designs skizziert, einschließlich einiger grundlegender PCB-Designregeln.

Ermittlung des Bedarfs

Der erste der wichtigsten Schritte beim PCB-Design ist ein Bedürfnis. Für die meisten Elektronikingenieure werden diese Anforderungen vom Kunden vorgegeben, der alle Anforderungen auflistet, die die Leiterplatte erfüllen muss. Der Elektroniker muss dann die vom Auftraggeber aufgelisteten Bedarfe in elektronische Form umsetzen. Im Wesentlichen bedeutet dies, sie in eine Sprache der elektronischen Logik zu übersetzen, die der Ingenieur beim Entwerfen der Leiterplatte verwenden wird.

Die Anforderungen des Projekts bestimmen mehrere Aspekte des PCB-Designs. Dies umfasst alles von den Materialien bis zum endgültigen Erscheinungsbild der Leiterplatte selbst. Die Anwendung der Leiterplatte, wie z. B. Medizin oder Automobil, bestimmt häufig die Materialien in der Leiterplatte. Beispielsweise werden viele medizinische Leiterplatten für elektronische Implantate mit flexiblen Basen hergestellt. Dadurch können sie in kleine Räume passen und gleichzeitig einer organischen Umgebung im Inneren standhalten. Das endgültige Erscheinungsbild der Leiterplatte wird hauptsächlich durch ihre Schaltungen und Funktionen bestimmt - zum Beispiel werden viel komplexere Leiterplatten mit mehreren Schichten hergestellt.

Der Elektronikingenieur bestimmt und listet diese Anforderungen auf und verwendet dann diese Anforderungsliste, um den ersten Schaltplan der Leiterplatte sowie die Stückliste zu entwerfen.

Schaltpläne

Das schematische Design ist im Wesentlichen die Blaupause, die Hersteller und andere Ingenieure während der Entwicklungs- und Produktionsprozesse verwenden. Der Schaltplan bestimmt die Funktion der Leiterplatte, die Eigenschaften des Designs und die Platzierung der Komponenten. Die Hardware der Platine ist ebenfalls in diesem Schema aufgeführt. Diese Ausrüstung umfasst das Material der Leiterplatte, die am Design beteiligten Komponenten und alle anderen Materialien, die der Hersteller während des Produktionsprozesses benötigt.

Alle diese Informationen sind während der anfänglichen Entwurfsphase im Schaltplan enthalten. Nach Fertigstellung des ersten Schaltplans führt der Designer eine vorläufige Analyse durch, sucht nach potenziellen Problemen und bearbeitet sie nach Bedarf. Der Schaltplan wird dann in ein spezielles Tool zur Verwendung in einer PCB-Designsoftware hochgeladen, die Simulationen ausführen kann, um die Funktionalität sicherzustellen. Diese Simulationen ermöglichen es Ingenieuren, Konstruktionsfehler zu finden, die sie bei der anfänglichen Schaltplanprüfung möglicherweise übersehen haben. Danach kann das elektronische Design der Schaltung in eine "Netzliste" umgewandelt werden, die Informationen über die Interkonnektivität der Komponenten auflistet.

Beim Entwurf ihres Schaltplans sollten Elektronikingenieure von Anfang an einige wichtige Grundlagen des Leiterplattendesigns berücksichtigen. Einige dieser Überlegungen, die während der schematischen Entwicklungsphase implementiert werden sollten, umfassen Folgendes:

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• • Auswahl der geeigneten PCB-Panel-Größe:Die Auswahl der Board-Größe, die am besten mit der zu verwendenden Ausrüstung kompatibel ist, ist eine grundlegende, aber oft vergessene Best Practice. Auf diese Weise wird kein zusätzlicher Platz verschwendet, die Leiterbahnen werden auf eine minimale Länge beschränkt und die Materialkosten insgesamt werden etwas niedrig gehalten. Es ist jedoch wichtig sicherzustellen, dass die Designspezifikationen für die Massenproduktion optimiert sind. Ein Board-Design zu klein zu machen, ist für Massenproduktions-Setups, die genügend Variationen zwischen den Teilen erzeugen, um kleinere Designs zu stören, möglicherweise nicht machbar.
• • Wählen Sie das richtige Raster aus:Der Rasterabstand wird immer so eingestellt und angewendet, dass er für die meisten Komponenten geeignet ist. Das Festhalten an diesem Raster ist eines der vorteilhaftesten Dinge, die ein Ingenieur tun kann, um Abstandsprobleme zu vermeiden, daher ist es entscheidend, das beste für die Aufgabe auszuwählen. Wenn einige Teile nicht so gut mit dem Raster funktionieren, sollte der Designer versuchen, Alternativen zu finden, oder noch besser selbst entworfene Produkte verwenden.
• • Implementieren Sie DRC so weit wie möglich:Viele Leiterplattenbestückungsunternehmen machen den Fehler, Design Rule Checks (DRC)-Software erst am Ende des Designprozesses auszuführen. Dadurch können sich kleine Fehler und fragwürdige Designentscheidungen ansammeln, was zu mehr Korrekturarbeiten am Ende des Designprozesses führt. Stattdessen sollten Designer ihre Arbeit so oft wie möglich mit einem DRC überprüfen. Dadurch können sie Probleme, die vom DRC identifiziert wurden, so schnell wie möglich angehen und die Anzahl massiver Änderungen am Ende des Designprozesses minimieren. Dies spart Zeit und vereinfacht den Bearbeitungsprozess, sodass er nicht so rückenlastig ist.

Stückliste

Während der Schaltplan erstellt wird, entwickelt der Elektronikingenieur auch eine feine Stückliste oder BOM. Dies ist die Liste der Komponenten, die im Schaltplan der Leiterplatte verwendet werden. Sobald sowohl die Stückliste als auch der Schaltplan fertiggestellt sind, gibt der Elektronikingenieur beides an einen Layouter und einen Komponenteningenieur weiter. Diese Ingenieure prüfen die Besonderheiten und besorgen die notwendigen Komponenten für das Projekt. Insbesondere ist der Komponenteningenieur für die Auswahl von Komponenten verantwortlich, die in Bezug auf maximale Betriebsspannung und -strom zum Schaltplan passen. Sie sind auch für die Auswahl von Geräten verantwortlich, die innerhalb angemessener Kosten- und Größenparameter liegen.

Zu den fünf wichtigsten Aspekten, die Stücklistenkomponenten erfüllen müssen, gehören:

• • Menge:Die Anzahl der gekauften Komponenten muss mindestens der Anzahl der in der Stückliste aufgeführten Komponenten entsprechen.
• • Referenzbezeichnungen:Jede Komponente muss entsprechend ihrer Position innerhalb der Schaltung auf der Leiterplatte identifiziert werden.
• • Wert:Jede Komponente sollte in einen bestimmten Wertebereich fallen, einschließlich Ohm, Farad usw. Die Kosten sind ein Faktor, wenn sie für den Kunden von Bedeutung sind.
• • Footprint:Der Standort jeder Komponente muss aufgelistet werden.
• • Hersteller-Teilenummer:Verfolgen Sie die Teilenummer im Falle einer Fehlfunktion, sowohl für die Monteure als auch als Referenz für den Hersteller.

Zusätzlich zu diesen grundlegenden Richtlinien für Stücklisten ist es eine gute Idee, einige Überlegungen zu berücksichtigen, wenn Sie sowohl die Stückliste als auch den Schaltplan im Allgemeinen formulieren. Dazu gehören die folgenden PCB-Designtipps:

• • Integrieren von Komponenten:Die Auswahl von Komponenten ist eine der wichtigsten Aufgaben eines Designers. Um den Prozess zu unterstützen, haben Sie die Möglichkeit, diskrete Komponenten mit hohen oder niedrigen Komponentenwerten und ähnlichen Effekten aufzunehmen. Durch die Integration dieser Komponenten und die Erstellung einer kleinen Standardwertkategorie können Sie die Stückliste effektiv vereinfachen und die Produktkosten senken.


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• • Wenden Sie einen Entkopplungskondensator an:Versuchen Sie niemals, Ihr Design zu optimieren, indem Sie entkoppelnde Stromleitungen entfernen. Viele Designer vermeiden diese Kondensatoren in einem fehlgeleiteten Versuch, Kosten zu senken. Kondensatoren sind preisgünstig und sehr langlebig, was Ihrem Design Langlebigkeit verleiht. Kondensatoren tragen auch dazu bei, die Ordnung auf Ihrer Leiterplatte aufrechtzuerhalten und gleichzeitig die Kosten niedrig zu halten. Konzentrieren Sie sich auf die obigen Tipps, wenn Sie sich Sorgen um Ihre Stückliste machen.

Platzierung von PCB-Komponenten

Jede Komponente sollte ihren zugewiesenen Platz auf einem Leiterplattendesign haben. Die Wahl der richtigen Platzierung ist der schwierige Teil. Die Bestimmung des besten Platzes für ein Element hängt von zahlreichen Faktoren und Überlegungen für den Designer ab, einschließlich Wärmemanagement, Überlegungen zum elektrischen Rauschen und der gesamten PCB-Funktion. In den meisten Fällen platzieren Designer die Komponenten jedoch in der folgenden Reihenfolge:

• • Konnektoren
• • Stromkreise
• • Empfindliche und präzise Schaltungen
• • Kritische Schaltungskomponenten
• • Alle anderen Elemente

Einige weitere Designüberlegungen, die Sie in dieser Phase des Designzyklus berücksichtigen sollten, umfassen Folgendes:

• • Betreffende Komponenten und erforderliche Testpunkte identifizieren und aufteilen:Wenn sich auf der Leiterplatte eine besorgniserregende Komponente befindet, platzieren Sie sie in der Nähe der erforderlichen Testpunkte, um Fehler rechtzeitiger erkennen zu können.
• • Flexible Anwendung des Siebdrucks:Der Siebdruck kann eine Vielzahl von Informationen markieren, die von Leiterplattenherstellern, Ingenieuren, Bestückern und Testern während verschiedener Teile des Leiterplattenbestückungsprozesses verwendet werden können. Auf dem Siebdruck ist es eine gute Idee, Funktionalitäten, Testzeichen und Bestückungsrichtungen von Komponenten und Anschlüssen zu markieren. Versuchen Sie, Siebdrucke sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite der Leiterplatte anzubringen, um Doppelarbeit zu vermeiden und gleichzeitig die Anweisungen für manuelle Bestücker zu verdeutlichen und den Produktionsprozess zu vereinfachen.

Nachdem diese einzelnen Komponenten auf dem Leiterplattendesign platziert wurden, ist es am besten, eine weitere Testrunde durchzuführen, um den ordnungsgemäßen Betrieb der Platine zu überprüfen. Dies hilft dabei, problematische Designentscheidungen zu identifizieren und potenzielle Anpassungen zu identifizieren.

Routing

Sobald die Komponenten auf der Leiterplatte platziert sind, besteht der nächste Schritt in den Grundlagen des Leiterplattendesigns darin, sie alle zu verbinden. Jedes Element auf der Platine ist über Leiterbahnen verbunden, die durch richtiges Routing realisiert werden. Das Routing erfordert jedoch aufgrund der vielen Überlegungen, die Designer berücksichtigen müssen, einen ganz eigenen Designprozess. Zu diesen Faktoren gehören Leistungspegel, Signalrauschempfindlichkeit, Signalrauscherzeugung und Routing-Fähigkeit.

Glücklicherweise leitet die Mehrheit der PCB-Designsoftware Leiterbahnen mithilfe der Netzliste, die aus dem Schaltplan entwickelt wurde. Das Programm tut dies, indem es die Anzahl der für die Verbindung verfügbaren Schichten verwendet und die besten Routen berechnet, um den Platz optimal zu nutzen. Das Programm ändert auch das Design nach Bedarf. Dies kann insbesondere bei größeren Modellen viel Rechenleistung in Anspruch nehmen. Die Folge ist ein längerer Routing-Prozess - bei besonders dichter Anordnung der Bauteile kann das Programm noch mehr Zeit in Anspruch nehmen.

Während die meisten PCB-Software Leiterbahnen gemäß der Netzliste aus einem Schaltplan routen, ist diese Software nicht universell. Nicht alle PCB-Designer verwenden automatische Routing-Software, und selbst diejenigen, die dies tun, neigen dazu, die Leiterbahnen doppelt auf Probleme zu überprüfen. Dies ist sowieso immer eine gute Vorgehensweise, da selbst Computer Ergebnisse liefern können, die dem Designer nicht gefallen.

Als allgemeine Faustregel für Leiterbahnen gilt, dass Leiterbahnen mit einer Breite von 10 bis 20 mil einen Strom von 10 bis 20 mA führen können. Leiterbahnen mit Breiten von 5 bis 8 Milli-Inch können andererseits Ströme von weniger als zehn mA führen. Dies ist eine besonders wichtige Überlegung für Hochstrom-PCB-Designs oder Designs für PCBs mit sich schnell ändernden Signalen, da das Routing zu Hochfrequenzknoten eine bestimmte Leiterbahnbreite erfordert.

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• • Strom- und Erdungsleitungen angemessen verteilen:Die meisten PCB-Designer werden eine Schaltungsebene als Erdungsebene verwenden. Ein anderes wird normalerweise als Antriebsebene dediziert. Dies trägt dazu bei, den Rauschpegel in der Leiterplatte zu reduzieren, und ermöglicht dem Designer, Verbindungen mit niedrigem Quellwiderstand zu erstellen. Eine gute PCB-Designpraxis besteht darin, die Leitungen so weit wie möglich entsprechend der Leistungsebene zu verteilen. Dies hilft, die Effizienz zu verbessern und die Impedanz zu reduzieren, während gleichzeitig genügend Masseschleifenpfade bereitgestellt werden.
• • Behalten Sie kurze Spuren bei:Stellen Sie sicher, dass die Spuren in jeder Phase des Designs so kurz wie möglich sind. Während die meisten PCB-Montageprozesse einen Schritt zur Optimierung der Leiterbahnlänge beinhalten, sollte dies in jeder Designphase praktiziert werden. Diese Regel sollte noch genauer beachtet werden, wenn der Designer mit einer analogen oder digitalen Hochgeschwindigkeitsschaltung arbeitet. Diese Arten von gedruckten Schaltungen, die üblicherweise in Automobilen und Telekommunikationsgeräten zu finden sind, werden stärker durch Impedanz und parasitäre Effekte beeinträchtigt.

Kontrollen

Die Überprüfung des Designs ist möglicherweise der wichtigste Schritt des Designprozesses. Dieser Abschnitt des Prozesses berücksichtigt alles rund um das Design und sucht nach potenziellen Problemen, die PCB-Designs plagen.

Ein häufiges Problem bei PCB-Designs ist beispielsweise Hitze. PCB mit einem perfekten thermischen Design kann die gesamte Platine auf einer konstanten und gleichmäßigen Temperatur halten und Hitzeflecken verhindern. Solche Hitzepunkte und Temperaturinkonsistenzen können jedoch durch eine Reihe von Konstruktionsmerkmalen verursacht werden, z. B. durch unterschiedliche Kupferdicken, die Anzahl der Schichten in der Leiterplatte, größere Leiterplattengrößen und das Vorhandensein oder Fehlen von Wärmepfaden.

Eine einfache Designprüfung kann potenzielle Probleme beim PCB-Wärmemanagement aufdecken, die meisten PCB-DRC-Software kann sie ebenfalls erkennen. Es gibt mehrere Methoden, um die Betriebstemperaturen von PCBs zu reduzieren, von denen viele durch die Grundlagen des PCB-Designs gemildert werden. Einige dieser Tipps zum Wärmemanagement sind:

• • Verbinden Sie feste Erdungs- oder Stromversorgungsebenen mit mehreren Schichten direkt mit der Wärmequelle der Leiterplatte. Diese Ebenen sind in der Regel besser in der Lage, Wärme abzuleiten, da sie tendenziell mehr Kupfer enthalten.
• • Etablieren Sie effektive Wärme- und Hochstromwege, um die Wärme zu leiten und abzuleiten. Dies kann helfen, die Wärmeübertragung zu optimieren.
• • Maximieren Sie die für die Wärmeübertragung verwendete Fläche. Dies kann dazu beitragen, eine niedrigere Temperatur auf der ganzen Linie aufrechtzuerhalten. Dies muss jedoch früh im Designprozess berücksichtigt werden, da es sich auf die Größe des Boards auswirken kann.

Die meisten DRC-Programme können die oben genannten Probleme abfangen. Die DRC-Software erfasst alle Details eines PCB-Designs und bestimmt, ob das Layout eine Liste vorgegebener Parameter erfüllt. Diese werden als PCB-Designregeln bezeichnet. Idealerweise sollte der DRC, wie bereits erwähnt, während des gesamten Designprozesses verwendet werden, um Problembereiche frühzeitig zu identifizieren. Wenn jedoch alles andere fehlschlägt, kann die Verwendung von DRC, nachdem alles andere abgeschlossen ist, viel Designzeit und Verwirrung zwischen dem Designer und der Montagefirma sparen.

Der Prüfschritt des Designprozesses umfasst nicht nur die DRC-Prüfung, sondern auch mehrere andere physische Verifikationsprozesse, darunter eine Layout-versus-Schematic-Prüfung (LVS), eine XOR-Prüfung, eine elektrische Regelprüfung (ERC) und eine Antenne überprüfen. Fortgeschrittenere PCB-Hersteller können zusätzliche Überprüfungen und Regeln verwenden, um die Ausbeute zu verbessern, aber dies sind die grundlegenden Überprüfungen, die Designer und Hersteller normalerweise verwenden.

Darüber hinaus empfiehlt es sich, die Herstellungsparameter vor der Einreichung zu überprüfen. Bevor das endgültige Design für die Produktion eingereicht wird, sollte der Designer persönlich die PCB-Fertigungsparameter erstellen und überprüfen. Obwohl die meisten Hersteller bereit sind, Designdateien für ihre Kunden herunterzuladen und zu überprüfen, ist es besser, das Design vor dem Einsenden noch einmal zu überprüfen. Dies kann dazu beitragen, Verwirrung oder Missverständnisse zu vermeiden und Verluste aufgrund der Herstellung mit falschen Parametern zu vermeiden. Dieser Verifizierungsschritt kann auch den Prozess beschleunigen, indem die Zeit verkürzt wird, die zum Korrigieren und erneuten Verifizieren des Designs vor Beginn der Fertigung benötigt wird.

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Das PCB-Design kann vereinfacht werden, indem die oben genannten grundlegenden Techniken und Best Practices implementiert werden. Es kann noch einfacher werden, indem Sie mit einem Leiterplattenliefer- und Montageservice zusammenarbeiten, der mit Ihnen zusammenarbeitet, um die bestmöglichen und kostengünstigsten Leiterplatten herzustellen.

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