11 Schritte zum Entwerfen einer Leiterplatte

Die Entwicklung einer Leiterplatte ist ein wiederholbarer Prozess: Ausgehend von einem finalen Schaltplan werden Schaltplan und Layout erstellt, bis hin zu den Fertigungsdateien, die die Fabrik benötigt. Die korrekte Einhaltung der Schritte und die abschließende Überprüfung sind entscheidend dafür, ob eine Leiterplatte auf Anhieb funktioniert oder Probleme aufweist. Dieser Leitfaden beschreibt die elf Schritte der Leiterplattenentwicklung , unterteilt in vier Phasen, und vermittelt die praktischen Details und fertigungsgerechten Designprinzipien, die eine erfolgreiche Fertigung gewährleisten.

Phase 1 — Definieren Sie, was Sie bauen (Schritte 1–2)

Bevor Sie irgendeine Software öffnen, benötigen Sie ein klares und ausgereiftes Verständnis des Schaltkreises. Diese Phase verhindert die teuerste Art von Nacharbeit: die Entdeckung eines grundlegenden Designproblems nach der Layoutphase.

Schritt 1: Schaltkreis fertigstellen

Entwerfen Sie das komplette elektrische Design, jeden Funktionsblock, die Komponenten, den Leistungsbedarf und die Verbindungen der Teile. Bei unklarem Verhalten überprüfen Sie es zunächst auf einem Steckbrett oder in einem Simulator, damit Sie keine unerprobte Idee auf Kupfer umsetzen. Je klarer das Konzept hier ist, desto reibungsloser verläuft alles Weitere.

Schritt 2: Wählen Sie Ihre Designsoftware

Wählen Sie ein EDA-Tool, das zu Ihrem Projekt und Ihren Vorkenntnissen passt. Anfänger beginnen oft mit EasyEDA oder KiCad; professionelle Anwender nutzen mitunter umfangreichere Softwarepakete. Wichtig ist ein Tool, das Sie vom Schaltplan bis zu den Fertigungsdateien begleitet. Stellen Sie daher sicher, dass es Standard-Gerber-Dateien sowie Bohr-, Stücklisten- und Bestückungsdateien exportieren kann.

Phase 2 — Design erfassen (Schritte 3–4)

Nun übersetzen Sie den Schaltkreis in die formalen Darstellungen, die die Software verwendet: den Schaltplan und die Footprints, die ihn mit den physischen Bauteilen verbinden.

Schritt 3: Schaltplan erfassen

Zeichnen Sie den Schaltplan im Schaltplaneditor, platzieren Sie die Bauteile und verbinden Sie sie mit Leitungen oder Netzbezeichnungen. Achten Sie auf eine logische Struktur und gruppieren Sie zusammengehörige Schaltungen; ein übersichtlicher Schaltplan erleichtert die Fehlersuche und Überprüfung erheblich. Dieses Diagramm dient als Grundlage für die Erstellung des Layouts.

Schritt 4: Footprints zuweisen und überprüfen

Jedes Schaltplansymbol benötigt einen physischen Footprint, also die Lötfläche, auf die das Bauteil tatsächlich gelötet wird. Weisen Sie jedem Symbol einen Footprint zu und überprüfen Sie ihn anhand des Datenblatts des Herstellers, da ein falscher Footprint einer der häufigsten Gründe für das Scheitern einer ersten Leiterplatte ist. Überprüfen Sie die Größe der Pads, den Abstand, die Pin-Anschlüsse und die Pin-Nummerierung. Korrekte Footprints zahlen sich auch später bei der Leiterplattenbestückung aus , da nicht übereinstimmende Lötflächen zu Platzierungs- und Lötfehlern führen können.

Phase 3 — Spielbrett gestalten (Schritte 5–9)

Dies ist das Herzstück des Leiterplattendesigns: die Umsetzung des Schaltplans in eine physische Platine. Hier findet der größte Teil des ingenieurtechnischen Urteilsvermögens statt.

Schritt 5: Platinenlayout und Leiterbahnaufbau definieren

Legen Sie Größe und Form der Platine passend zum Gehäuse fest und bestimmen Sie anschließend die Lagenanzahl und den Lagenaufbau. Die Lagenanzahl hängt von der Komplexität und der Leiterbahndichte ab. Bei Platinen mit kontrollierter Impedanz ist der Lagenaufbau eine bewusste Designentscheidung und steht in direktem Zusammenhang mit der Hochgeschwindigkeits-Leiterplattenfertigung . Stellen Sie sicher, dass Ihr Leiterplattenhersteller den gewählten Lagenaufbau umsetzen kann.

Schritt 6: Designregeln festlegen

Vor dem Platzieren oder Fräsen sollten Sie die Regeln festlegen: minimale Leiterbahnbreite, Abstand, Durchkontaktierungsgröße und Ringabstand. Passen Sie diese an die tatsächlichen Möglichkeiten Ihres Herstellers an, damit der Editor Sie von Anfang an zu einer realisierbaren Leiterplatte führt. Vorab festgelegte Regeln verhindern Verstöße, die sich sonst beim Fräsen anhäufen würden.

Schritt 7: Die Komponenten platzieren

Ordnen Sie die Bauteile auf der Platine an. Eine gute Platzierung ist die Grundlage für ein gelungenes Layout: Gruppieren Sie zusammengehörige Komponenten, halten Sie Hochgeschwindigkeits- und empfindliche Signale kurz, platzieren Sie Steckverbinder und Befestigungslöcher dort, wo es die mechanische Konstruktion erfordert, und lassen Sie Platz für eine saubere Leiterbahnführung. Die hier investierte Zeit zahlt sich beim Routing um ein Vielfaches aus.

Schritt 8: Verbindungen routen

Verbinden Sie die Bauteile mit Kupferleiterbahnen und dimensionieren Sie jede Leiterbahn entsprechend der Stromstärke und der benötigten Impedanz. Gewährleisten Sie die Signalintegrität, indem Sie kritische Leiterbahnen kurz halten und saubere Rückleitungen bereitstellen. Sorgfältiges Routing ist entscheidend: Es erleichtert die Arbeit, kann sie aber bei Zeitdruck erheblich erschweren.

Schritt 9: Kupferguss, -flächen und Siebdruck hinzufügen

Fügen Sie Masse- und Versorgungsflächen oder Kupferflächen hinzu, um niederohmige Rückleitungen zu schaffen und Rauschen zu reduzieren. Anschließend werden Siebdruck, Referenzbezeichnungen, Polaritätsmarkierungen und Beschriftungen angebracht, die die Montage und Wartung der Platine ermöglichen. Diese letzten Handgriffe haben einen entscheidenden Einfluss auf Leistung und Herstellbarkeit.

Phase 4 — Überprüfen und Freigeben (Schritte 10–11)

Das Design scheint fertig zu sein, wird aber erst freigegeben, wenn es alle Prüfungen bestanden und fehlerfreie Ausgabedateien erzeugt hat.

Schritt 10: DRC und ERC ausführen

Führen Sie die Designregelprüfung (DRC) durch, um die Leiterplatte mit Ihren Regeln zu vergleichen. Achten Sie dabei auf zu eng beieinander liegende Leiterbahnen, zu geringe Abstände, nicht geroutete Verbindungen und regelwidrige Durchkontaktierungen. Beheben Sie alle gemeldeten Verstöße. Führen Sie anschließend auch die elektrische Regelprüfung (ERC) des Schaltplans erneut durch. Eine fehlerfreie DRC und ERC sind Ihre letzte und kostengünstigste Möglichkeit, Fehler vor der Fertigung zu erkennen.

Schritt 11: Generierung der Fertigungsergebnisse

Exportieren Sie die benötigten Dateien für die Fertigung: Gerber-Dateien für jede Lage, eine NC-Bohrdatei sowie für die Bestückung eine Stückliste und eine Bestückungsdatei. Fügen Sie die Parameter hinzu, die in den Standarddateien nicht enthalten sind: Leiterplattendicke, Kupfergewicht, Lötstopplack- und Siebdruckfarben, Oberflächenbeschaffenheit und Impedanzanforderungen. Mit diesen sauberen Dateien können Sie die Leiterplattenfertigung in Auftrag geben.

Von Anfang an auf Fertigungstauglichkeit ausgelegt

Die größte Verbesserung, die die meisten Konstrukteure vornehmen können, besteht darin, die Herstellbarkeit von Anfang an zu berücksichtigen, nicht erst in Schritt 11. Eine Platine kann alle elektrischen Prüfungen bestehen und trotzdem schwierig oder teuer herzustellen sein.

Die Herstellbarkeit in jede Phase einbeziehen.

• Im LayoutLassen Sie genügend Abstand zwischen den Teilen für die Platzierung und Inspektion und vermeiden Sie Details, die feiner sind, als Ihr Fertigungsbetrieb zuverlässig herstellen kann.
• Zur MontageFügen Sie Passermarken hinzu, achten Sie auf ausreichende Abstände und führen Sie die Leiterplatten sinnvoll in Panels auf, damit der Durchlauf durch die SMT-Linie reibungslos verläuft.
• Für thermische Auslegungen, planen Sie, wie die Wärme von der Platine abgeleitet wird; Hochleistungsschaltungen benötigen möglicherweise ein geeignetes Substrat Metallkernbaugruppe.
• Für Volumen, Design mit Blick auf die Produktion, sodass dieselben Dateien skaliert werden können Leiterplattenbestückung in großen Stückzahlen ohne Umstrukturierung.

Eine praktische Möglichkeit, dies sicherzustellen, ist eine Designprüfung durch den Hersteller vor Vertragsabschluss. Eine kostenlose DFM-Prüfung vergleicht Ihre Dateien mit einem realen Prozess und identifiziert Probleme, Grenzabstände, Bohrdurchmesser nahe der Grenze und fehlende Daten, solange diese noch kostengünstig zu beheben sind.

Praktische Tipps, die einen Re-Spin ersparen

Die meisten Nachbearbeitungen von Leiterplatten entstehen aufgrund weniger, vermeidbarer Fehler. Wenn Sie diese Vorgehensweisen in Ihren Produktionsprozess integrieren, sparen Sie Zeit und die Kosten für einen weiteren Fertigungsdurchlauf.

Bevor Sie die Route festlegen

• Überprüfen Sie jeden Footprint anhand des zugehörigen Datenblatts und achten Sie dabei besonders auf Pin 1 und die Ausrichtung des Steckers.
• Fügen Sie Entkopplungskondensatoren in der Nähe der Stromversorgungsanschlüsse jedes ICs hinzu; das Fehlen dieser Kondensatoren ist eine klassische Ursache für unzuverlässiges Verhalten.
• Prüfen Sie, ob die Steckergeschlechter und Pinbelegungen mit den zugehörigen Bauteilen übereinstimmen.

Während Sie die Route festlegen

• Dimensionieren Sie die Strom- und Masseleitungen entsprechend der tatsächlich durch sie fließenden Stromstärke.
• Schnelle und empfindliche Signale erhalten kurze Wege und saubere Rückwege – das ist die Disziplin hinter der Herstellung von Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten.
• Halten Sie die Abstände entsprechend den vorhandenen Spannungen und dem Fertigungsprozess ein.

Bevor Sie freigeben

• Korrigieren Sie alle DRC- und ERC-Probleme, nicht nur die offensichtlichen.
• Lassen Sie vor der Bestellung eine Fertigungsprüfung durchführen, z. B. eine kostenlose DFM-Überprüfung.
• Lesen Sie den Siebdruck erneut, um Referenzbezeichnungen, Polaritätsmarkierungen und Pin-1-Indikatoren zu finden.

Keiner dieser Schritte ist schwierig, doch das Auslassen dieser Schritte ist der häufigste Grund, warum eine Platine im ersten Anlauf zur Überarbeitung zurückgeschickt werden muss. Ein paar Minuten Überprüfung sparen einen Fertigungszyklus.

Die 11 Schritte im Überblick

Die konsequente Abarbeitung dieser elf Schritte unter Berücksichtigung der Herstellbarkeit führt zu einem Design, das sich problemlos in einer Fabrik umsetzen lässt. Erfahren Sie mehr über Highleap Electronics und wie wir aus einem fertigen Design die Platine fertigen.

Häufig gestellte Fragen

Was sind die wichtigsten Phasen beim Entwurf einer Leiterplatte?

Viertens: Schaltung definieren und Software auswählen; Schaltplan erfassen und Footprints zuweisen; Leiterplattenlayout erstellen (Umriss, Regeln, Platzierung, Routing, Flächen); und verifizieren und freigeben (DRC/ERC, anschließend Fertigungsdateien generieren). Die elf Schritte lassen sich diesen Phasen zuordnen.

Welcher Schritt verursacht die meisten Ausfälle auf der ersten Platine?

Die Zuordnung von Footprints (Schritt 4) ist häufig fehleranfällig, da ein falsches Landmuster dazu führt, dass Bauteile nicht passen oder nicht korrekt verlötet werden können. Das Überspringen oder zu schnelle Durchführen der Designregelprüfung (Schritt 10) ist eine weitere häufige Ursache. Die Überprüfung der Footprints und das Bestehen der DRC verhindern die meisten Fehler.

Muss ich vor dem Routing Designregeln festlegen?

Ja. Die Festlegung von Mindestleiterbahnbreite, Abstand, Durchkontaktierungsgröße und Ringgröße im Voraus, abgestimmt auf die Möglichkeiten des Herstellers, lenkt den Editor in Richtung einer realisierbaren Leiterplatte und verhindert die Anhäufung von Fehlern. Regeln, die erst nach dem Routing festgelegt werden, bedeuten Nachbearbeitung der Leiterbahnen.

Welche Dateien werden in Schritt 11 erzeugt?

Für jede Lage sind Gerber-Dateien und eine NC-Bohrdatei für die Fertigung, eine Stückliste und eine Bestückungsdatei für die Montage erforderlich. Bitte geben Sie außerdem die Leiterplattendicke, das Kupfergewicht, die Lötstopplack- und Siebdruckfarben, die Oberflächenbeschaffenheit und etwaige Impedanzanforderungen an.

Worin unterscheidet sich eine gute Platzierung von einer guten Routenführung?

Die Platzierung bestimmt, wo die Bauteile sitzen; die Leiterbahnführung verbindet sie. Eine gute Platzierung, das Gruppieren zusammengehöriger Bauteile, kurze kritische Signalwege und ausreichend Platz für Kupfer erleichtern die Leiterbahnführung. Eine übereilte Platzierung erschwert die Leiterbahnführung, egal wie erfahren Sie sind. Nehmen Sie sich daher Zeit für Schritt 7.

Wann sollte ich über die Herstellbarkeit nachdenken?

Vom ersten Schritt an, nicht erst bei der Freigabe. Durch ausreichend Platz für die Montage, Vermeidung von Details, die die Fertigungsmöglichkeiten Ihres Herstellers übersteigen, Planung der Wärmeleitwege und Berücksichtigung des Volumens im gesamten Design lassen sich kostspielige Nachbesserungen vermeiden. Eine DFM-Prüfung durch den Hersteller vor der Bestellung bestätigt die Umsetzbarkeit des Designs.

Was ist der häufigste Grund für die Notwendigkeit einer zweiten Überarbeitung einer Platine?

Vermeidbare Fehler: falsche Footprints, fehlende Entkopplungskondensatoren, falsche Steckerbelegung oder nicht korrigierte DRC-Mängel. Der Abgleich der Footprints mit den Datenblättern, das Hinzufügen von Entkopplungskondensatoren, die Überprüfung der Stecker und die Behebung aller DRC- und ERC-Mängel vor der Veröffentlichung verhindern die meisten Nachbearbeitungen.

Wie lange dauert die Entwicklung einer Leiterplatte?

Der Zeitaufwand variiert stark je nach Komplexität – von einem Nachmittag für eine einfache Platine bis zu mehreren Wochen für eine komplexe. Schaltplanerstellung und Routing nehmen in der Regel die meiste Zeit in Anspruch. Eine gründliche Überprüfung vor der Freigabe ist gut investierte Zeit, da sie eine deutlich zeitaufwändigere Nachbearbeitung später vermeidet.

Benötige ich separate Software für den Schaltplan und das Layout?

Nein. Moderne EDA-Tools übernehmen sowohl die Schaltplanerstellung als auch das PCB-Layout in einem Paket und exportieren die Fertigungsdateien. So erhalten Sie mit einem einzigen Tool den kompletten Ablauf vom Schaltplan bis zu den Gerber-Dateien. Wählen Sie ein Tool, das die Komplexität Ihres Projekts unterstützt und Standardausgabeformate bereitstellt.

Kann ich den Schaltplan überspringen und die Platine direkt layouten?

Davon wird dringend abgeraten. Der Schaltplan ist die maßgebliche Grundlage für die Erstellung und Überprüfung von Layout und Netzliste. Wird er übersprungen, entfällt die Überprüfung der elektrischen Regeln, und Fehler werden deutlich schwerer zu finden. Erstellen Sie zuerst den Schaltplan und entwerfen Sie anschließend das Leiterplattenlayout.