Leitfaden für Leiterplattendesign

Leiterplatten, auch bekannt als PCBs, bilden heute den Kern jedes elektronischen Geräts. Diese kleinen grünen Komponenten sind sowohl für Alltagsgeräte als auch für industrielle Maschinen unverzichtbar. Das Design und Layout von Leiterplatten ist ein wichtiger Bestandteil der Funktion jedes Produkts – es entscheidet über Erfolg oder Misserfolg eines Geräts. Mit der ständigen Weiterentwicklung der Technologie haben sich diese Designs kontinuierlich weiterentwickelt. Heute haben die Komplexität und die Anforderungen an diese Designs dank der Innovation von Elektroingenieuren neue Höhen erreicht.

Die jüngsten Fortschritte bei Systemen und Technologien für das Leiterplattendesign haben weitreichende Auswirkungen auf die gesamte Branche gehabt. Infolgedessen,PCB-Designregelnund Produktionsprozesse haben sich weiterentwickelt, um neue Layouts und Fähigkeiten zu erreichen. Heute sind kleinere Leiterbahnen und mehrlagige Leiterplatten in massenproduzierten PCBs alltäglich – solche Designs wären vor Jahren noch undenkbar gewesen. PCB-Design-Software hat diese Entwicklung ebenfalls unterstützt. Diese Programme stellen Werkzeuge bereit, mit denen Elektronikingenieure von Grund auf bessere PCBs entwerfen können.

Selbst mit diesen verbesserten Möglichkeiten sind Leiterplattenlayouts schwierig zu entwerfen. Selbst die erfahrensten Elektronikingenieure können damit kämpfen, eine Schaltung auf einer Leiterplatte zu erstellen oder eine Leiterplatte gemäß den bewährten Branchenpraktiken zu entwerfen. Noch schwieriger ist es, eine hochwertige Platine zu erstellen, die den Anforderungen der Kunden entspricht. Bei kundenspezifischen Designs ist es ein aufwendiger Prozess, die Funktionalität der Leiterplatte mit den besten Designpraktiken in Einklang zu bringen. Aus diesem Grund haben wir den Prozess des Entwerfens von Leiterplatten skizziert, einschließlich einiger grundlegender Designregeln für Leiterplatten.

Bestimmung des Bedarfs

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

Die Anforderungen des Projekts bestimmen mehrere Aspekte des Designs der Leiterplatte. Dies umfasst alles von derMaterialienbis hin zum endgültigen Erscheinungsbild der Leiterplatte selbst. Die Anwendung der Leiterplatte, etwa im medizinischen oder automobilen Bereich, bestimmt häufig die in der Leiterplatte verwendeten Materialien. Viele medizinische Leiterplatten für elektronische Implantate werden beispielsweise mit flexiblen Basismaterialien hergestellt. Dies ermöglicht es ihnen, in kleinen Räumen Platz zu finden und gleichzeitig einer inneren organischen Umgebung standzuhalten. Das endgültige Erscheinungsbild der Leiterplatte wird hauptsächlich durch ihre Schaltungen und ihre Funktionalität bestimmt – so werden etwa viele komplexere Leiterplatten mit mehreren Lagen gefertigt.

Der Elektronikingenieur wird diese Anforderungen ermitteln und auflisten und anschließend diese Anforderungsliste verwenden, um den ersten Schaltplan der Leiterplatte sowie die Stückliste (BOM) zu entwerfen.

Schaltpläne

Der Schaltplan ist im Wesentlichen der Bauplan, den Hersteller und andere Ingenieure während der Entwicklungs- und Produktionsprozesse verwenden. Der Schaltplan legt die Funktion der Leiterplatte (PCB), die Eigenschaften des Designs und die Platzierung der Komponenten fest. Die Hardware der Leiterplatte ist ebenfalls in diesem Schaltplan aufgeführt. Diese Ausstattung umfasst das Material der Leiterplatte, die an der Konstruktion beteiligten Komponenten und alle weiteren Materialien, die der Hersteller während des Produktionsprozesses benötigt.

All diese Informationen sind im Schaltplan während der anfänglichen Entwurfsphase enthalten. Nachdem der erste Schaltplan fertiggestellt ist, führt der Entwickler eine Voranalyse durch, überprüft mögliche Probleme und nimmt bei Bedarf Änderungen vor. Anschließend wird der Schaltplan in ein spezielles Tool hochgeladen, das in PCB-Designsoftware verwendet wird und Simulationen ausführen kann, um die Funktionalität sicherzustellen. Diese Simulationen ermöglichen es Ingenieuren, etwaige Konstruktionsfehler zu erkennen, die sie bei der anfänglichen Schaltplanprüfung übersehen haben könnten. Danach kann das elektronische Design der Schaltung in eine „Netzliste“ umgewandelt werden, die Informationen über die Konnektivität der Bauteile enthält.

Bei der Ausarbeitung ihres Schaltplans sollten Elektronikingenieure von Anfang an einige grundlegende, aber entscheidende Aspekte des Leiterplattendesigns berücksichtigen. Zu den Überlegungen, die bereits in der Phase der Schaltplanentwicklung umgesetzt werden sollten, gehören unter anderem die folgenden:

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• •Auswahl einer geeigneten Leiterplatten-PanelgrößeDie Auswahl der Leiterplattengröße, die am besten mit den zu verwendenden Geräten kompatibel ist, ist eine grundlegende, aber oft vergessene Best Practice. Auf diese Weise wird kein zusätzlicher Platz verschwendet, Leiterbahnen werden auf eine minimale Länge begrenzt und die Gesamtkosten für das Material bleiben einigermaßen niedrig. Es ist jedoch wichtig sicherzustellen, dass die Konstruktionsspezifikationen für die Massenproduktion optimiert sind. Eine Leiterplatte zu klein zu gestalten, ist möglicherweise nicht praktikabel für Massenfertigungsanlagen, die genügend Abweichungen zwischen den einzelnen Teilen erzeugen, um kleinere Designs zu beeinträchtigen.
• •Wähle das richtige RasterDer Rasterabstand wird immer so festgelegt und angewendet, dass er für die meisten Komponenten geeignet ist. Sich an dieses Raster zu halten, ist eine der vorteilhaftesten Maßnahmen, die ein Ingenieur ergreifen kann, um Abstandsprobleme zu vermeiden. Daher ist es entscheidend, das bestgeeignete Raster für die jeweilige Aufgabe auszuwählen. Wenn einige Teile nicht so gut mit dem Raster funktionieren, sollte der Konstrukteur versuchen, Alternativen zu finden oder, noch besser, selbst entwickelte Produkte verwenden.
• •DRC so weit wie möglich implementierenViele Leiterplattenbestückungsunternehmen machen den Fehler, Design Rule Check (DRC)-Software erst am Ende des Designprozesses auszuführen. Dadurch können sich kleine Fehler und fragwürdige Designentscheidungen anhäufen, was am Ende des Designprozesses zu mehr Nachbesserungsarbeit führt. Stattdessen sollten Entwickler ihre Arbeit so oft wie praktikabel mit einem DRC überprüfen. So können sie die vom DRC identifizierten Probleme so schnell wie möglich beheben und die Anzahl umfangreicher Änderungen am Ende des Designprozesses minimieren. Das spart letztlich Zeit und sorgt für einen reibungsloseren Überarbeitungsprozess, der nicht so stark ans Ende verlagert ist.

Stückliste

Während der Schaltplan erstellt wird, entwickelt der Elektronikingenieur außerdem eine detaillierte Stückliste (Bill of Materials, kurz BOM). Dies ist die Liste der Bauteile, die im Schaltplan der Leiterplatte verwendet werden. Sobald sowohl die BOM als auch der Schaltplan fertiggestellt sind, übergibt der Elektronikingenieur beides an einen Layouter und einen Bauteilingenieur. Diese Ingenieure überprüfen die Details und beschaffen die für das Projekt erforderlichen Komponenten. Insbesondere ist der Bauteilingenieur dafür verantwortlich, Bauteile auszuwählen, die in Bezug auf maximale Betriebsspannung und -stromstärke zum Schaltplan passen. Er ist außerdem dafür zuständig, Komponenten auszuwählen, die in einem angemessenen Kosten- und Größenrahmen liegen.

Die fünf wichtigsten Anforderungen, die Stücklistenkomponenten erfüllen müssen, umfassen Folgendes:

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

Zusätzlich zu diesen grundlegenden Stücklisten-Richtlinien ist es sinnvoll, bei der Erstellung sowohl der Stückliste als auch des Schaltplans im Allgemeinen einige Überlegungen im Hinterkopf zu behalten. Dazu gehören die folgenden PCB-Design-Tipps:

• •Komponenten integrierenDie Auswahl von Bauteilen ist eine der wichtigsten Aufgaben eines Designers. Um diesen Prozess zu unterstützen, haben Sie die Möglichkeit, diskrete Bauteile mit hohen oder niedrigen Bauteilwerten und ähnlichen Eigenschaften auszuwählen. Durch die Integration dieser Bauteile und die Bildung einer kleinen Standardwert-Kategorie können Sie die Stückliste effektiv vereinfachen und die Kosten des Produkts senken.


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• •Einen Entkopplungskondensator anwendenVersuchen Sie niemals, Ihr Design zu optimieren, indem Sie Entkopplungsversorgungsleitungen weglassen. Viele Entwickler vermeiden diese Kondensatoren in dem irrigen Versuch, Kosten zu senken. Kondensatoren sind preisgünstig und sehr langlebig und erhöhen die Lebensdauer Ihres Designs. Kondensatoren tragen außerdem dazu bei, die Ordnung auf Ihrer Leiterplatte zu erhalten, während die Kosten niedrig bleiben. Konzentrieren Sie sich auf die oben genannten Tipps, wenn Sie sich um Ihre Stückliste sorgen.

Platzierung von Leiterplattenkomponenten

Jede Komponente sollte in einem Schaltplandesign ihren vorgesehenen Platz haben. Die richtige Platzierung zu wählen, ist der schwierige Teil. Die Bestimmung des besten Ortes für ein Element hängt von zahlreichen Faktoren und Überlegungen des Designers ab, darunter das Wärmemanagement, die Berücksichtigung elektrischer Störungen und die allgemeine Funktion der Leiterplatte. In den meisten Fällen platzieren Designer die Komponenten jedoch in der folgenden Reihenfolge:

• • Steckverbinder
• • Leistungsschaltungen
• • Empfindliche und Präzisionsschaltungen
• • Kritische Schaltungskomponenten
• • Alle anderen Elemente

Einige weitere Designüberlegungen, die Sie in dieser Phase des Designzyklus im Hinterkopf behalten sollten, umfassen Folgendes:

• •Identifizieren und Aufteilen relevanter Komponenten und erforderlicher TestpunkteWenn es eine bedenkliche Komponente auf der Leiterplatte gibt, platzieren Sie sie in der Nähe der erforderlichen Testpunkte, um eine zeitnähere Fehlererkennung zu ermöglichen.
• •Siebdruck flexibel anwendenDer Siebdruck kann eine breite Palette von Informationen kennzeichnen, die von Leiterplattenherstellern, Ingenieuren, Bestückern und Prüfern in verschiedenen Phasen desLeiterplattenbestückungsprozess. Auf dem Siebdruck ist es eine gute Idee, Funktionen, Testmarkierungen sowie die Ausrichtung von Bauteilen und Verbindungen zu kennzeichnen. Versuchen Sie, Siebdrucke sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite der Leiterplatte anzubringen, um doppelte Arbeit zu vermeiden und gleichzeitig die Ausrichtung 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 erkennen und mögliche Anpassungen zu identifizieren.

Routing

Sobald die Bauteile auf der Leiterplatte platziert sind, besteht der nächste Schritt in den Grundlagen des PCB-Designs darin, sie alle miteinander zu verbinden. Jedes Element auf der Platine wird über Leiterbahnen verbunden, die durch eine geeignete Führung (Routing) realisiert werden. Das Routing erfordert jedoch einen eigenen Designprozess, da viele Aspekte berücksichtigt werden müssen. Zu diesen Faktoren gehören Leistungsniveaus, Empfindlichkeit gegenüber Störsignalen, Erzeugung von Störsignalen und die Routing-Fähigkeit.

Glücklicherweise verlegt die Mehrheit der PCB-Design-Software Leiterbahnen anhand der aus dem Schaltplan erstellten Netzliste. Das Programm nutzt dazu die Anzahl der für Verbindungen verfügbaren Lagen und berechnet die optimalen Routen, um den vorhandenen Platz bestmöglich auszunutzen. Außerdem passt das Programm das Design bei Bedarf an. Dies kann eine Menge Rechenleistung erfordern, insbesondere bei größeren Modellen. Das Ergebnis ist ein längerer Routing-Prozess – das Programm kann noch mehr Zeit benötigen, wenn die Bauteile in einer besonders dichten Anordnung platziert sind.

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

Die allgemeine Faustregel für Leiterbahnen lautet, dass solche mit einer Breite von 10 bis 20 mil in der Lage sind, 10 bis 20 mA Strom zu führen. Leiterbahnen mit Breiten von 5 bis 8 mil hingegen können Ströme unter zehn mA führen. Dies ist eine besonders wichtige Überlegung für Hochstrom-PCB-Designs oder Designs für Leiterplatten mit sich schnell ändernden Signalen, da deren Führung zu Hochfrequenzknoten eine spezifische Leiterbahnbreite erfordert.

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• •Leistungs- und Masseleitungen angemessen verteilenDie meisten PCB-Designer widmen eine Leiterbahnebene der Verwendung als Massefläche. Eine weitere wird üblicherweise als Versorgungsebene genutzt. Dies trägt dazu bei, das Rauschniveau in der Leiterplatte zu verringern und ermöglicht es dem Entwickler, Verbindungen mit geringem Quellwiderstand zu erstellen. Eine gute Praxis im PCB-Design besteht darin, Leiterbahnen so weit wie möglich entsprechend der Versorgungsebene zu verteilen. Dies hilft, die Effizienz zu verbessern und die Impedanz zu verringern, während gleichzeitig ausreichende Massepfade für Schleifen bereitgestellt werden.
• •Kurze Traces beibehaltenStellen Sie sicher, dass Leiterbahnen in jeder Phase des Designs so kurz wie möglich sind. Obwohl die meisten Leiterplattenbestückungsprozesse einen Schritt zur Optimierung der Leiterbahnlänge beinhalten, sollte dies in jeder Entwurfsphase beachtet werden. Diese Regel sollte noch strenger eingehalten werden, wenn der Entwickler mit einem analogen oder hochgeschwindigen digitalen Schaltkreis arbeitet. Diese Arten von Leiterplatten, die häufig in Automobilen und Telekommunikationsgeräten zu finden sind, werden deutlich stärker von Impedanz- und parasitären Effekten beeinflusst.

Kontrollen

Die Überprüfung des Designs ist möglicherweise der wichtigste Schritt im Designprozess. In diesem Abschnitt des Prozesses wird alles am Design betrachtet, um potenzielle Probleme zu identifizieren, die Leiterplattendesigns beeinträchtigen.

Ein häufiges Problem bei Leiterplattendesigns ist zum Beispiel Wärme. Eine Leiterplatte mit einem perfekten thermischen Design kann die gesamte Platine auf einer gleichmäßigen und einheitlichen Temperatur halten und so Hotspots verhindern. Solche Hotspots und Temperaturunterschiede können jedoch durch eine Vielzahl von Designeigenschaften verursacht werden, wie etwa unterschiedliche Kupferdicken, die Anzahl der Lagen in der Leiterplatte, größere Leiterplattengrößen sowie das Vorhandensein oder Fehlen von thermischen Pfaden.

Eine einfache Designprüfung kann potenzielle Probleme im Wärmemanagement von Leiterplatten erkennen, die meisten Leiterplatten-DRC-Programme können sie ebenfalls erfassen. Es gibt mehrere Methoden, um die Betriebstemperaturen von Leiterplatten zu senken, von denen viele durch grundlegende Leiterplattendesign-Prinzipien abgemildert werden. Einige dieser wärmemanagenden Tipps umfassen:

• • Verbinden Sie Masseschichten oder Versorgungsebenen mit mehreren Lagen direkt mit der Wärmequelle der Leiterplatte. Diese Ebenen können in der Regel mehr Wärme ableiten, da sie tendenziell mehr Kupfer enthalten.
• • Richten Sie effektive Wärme- und Hochstrompfade ein, um Wärme zu leiten und abzuleiten. Dies kann dazu beitragen, den Wärmetransport zu optimieren.
• • Maximieren Sie die für den Wärmetransfer genutzte Fläche. Dies kann dazu beitragen, eine niedrigere Temperatur auf der gesamten Leiterplatte aufrechtzuerhalten. Dies muss jedoch früh im Designprozess berücksichtigt werden, da es sich auf die Größe der Leiterplatte auswirken kann.

Die meisten DRC-Programme können die oben genannten Probleme erkennen. Die DRC-Software erfasst alle Details eines PCB-Designs und bestimmt, ob das Layout eine Liste vordefinierter Parameter erfüllt. Diese werden PCB-Designregeln genannt. Idealerweise sollte, wie bereits erwähnt, der DRC während des gesamten Designprozesses verwendet werden, um Problemstellen frühzeitig zu identifizieren. Wenn jedoch alles andere fehlschlägt, kann die Verwendung des DRC nach Abschluss aller anderen Schritte viel Designzeit und Verwirrung zwischen dem Designer und dem Bestückungsunternehmen sparen.

Der Prüfschritt im Designprozess umfasst nicht nur die DRC-Prüfung – er beinhaltet auch mehrere andere physikalische Verifikationsprozesse, darunter eine Layout-gegen-Schaltplan-Prüfung (LVS), eine XOR-Prüfung, eine Electrical-Rule-Check (ERC) und eine Antennenprüfung. Fortgeschrittene Leiterplattenhersteller können zusätzliche Prüfungen und Regeln einsetzen, um den Ertrag zu verbessern, aber dies sind die grundlegenden Prüfungen, die Designer und Hersteller typischerweise verwenden.

Außerdem ist es gute Praxis, die Fertigungsparameter vor der Einreichung zu überprüfen. Bevor das endgültige Design zur Produktion freigegeben wird, sollte der Entwickler die Leiterplatten-Fertigungsparameter persönlich erzeugen und verifizieren. Obwohl die meisten Hersteller bereit sind, die Designdateien für ihre Kunden herunterzuladen und zu prüfen, ist es besser, das Design vor dem Absenden noch einmal zu kontrollieren. Dies kann helfen, Verwirrung oder Missverständnisse zu vermeiden und Verluste durch Fertigung mit falschen Parametern zu verhindern. Dieser Verifizierungsschritt kann außerdem den Prozess beschleunigen, indem er die Zeit reduziert, die für Korrekturen und erneute Überprüfung des Designs vor Produktionsbeginn benötigt wird.

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