Navigieren im PCB-Layout: Best Practices für Ingenieure

Das Layout einer Leiterplatte ist mehr als nur ihr Aussehen. Ein erfolgreiches PCB-Layout ordnet seine Schaltkreise physisch an, um eine optimale elektronische Leistung zu erzielen und gleichzeitig vollständig herstellbar zu sein. Dies erfordert eine sorgfältige Verwaltung von Komponentenbibliotheken, CAD-Einstellungen und -Parametern, Komponentenplatzierung, Routing und dem Design des Stromverteilungsnetzwerks (PDN). Darüber hinaus müssen Layouter sicherstellen, dass ihre Arbeit vollständig dokumentiert ist und dass das Endprodukt für die Aufnahme in das vorgesehene elektronische System bereit ist.

Es gibt viel zu tun, insbesondere für Ingenieure, die mit dem PCB-Layout-Prozess nicht vertraut sind. Um diesen Arbeitsablauf zu unterstützen, ist es ratsam, über einen umfassenden Satz von PCB-Layout-Richtlinien als Referenz zu verfügen. Branchen- und Unternehmensstandards bestimmen die Details des Designs, doch Layoutrichtlinien sind unerlässlich, um Ingenieuren dabei zu helfen, den PCB-Entwicklungsprozess von Anfang bis Ende zu steuern. Hier sind einige grundlegende Richtlinien für das PCB-Design-Layout, die Sie zur Formulierung Ihres eigenen PCB-Entwicklungsleitfadens verwenden können.

Bevor Sie mit dem PCB-Layout beginnen

Bevor der Layoutprozess beginnt, müssen mehrere Aufgaben erledigt werden, um ein erfolgreiches Design sicherzustellen. Eine der ersten Aufgaben besteht darin, die zu verwendende PCB-Footprint-Bibliothek einzurichten.

Beim Aufbau Ihrer PCB-Layoutbibliothek ist es wichtig, Industriestandards (wie IPC) oder Herstellerspezifikationen für Gehäusegrößen und -abmessungen zu verwenden. Persönliche, betriebliche oder technische Anforderungen können jedoch auch Abweichungen für bestimmte Teile erforderlich machen. Beispielsweise erfordern Gehäuse in HF-Designs möglicherweise kleinere Pad-Größen als standardmäßige digitale Designs. Hier sind einige zusätzliche Richtlinien für den Aufbau Ihrer eigenen PCB-Komponenten-Footprint-Bibliothek:

• Stellen Sie sicher, dass alle von Ihnen erstellten Bibliothekskomponenten über akzeptable Pad-Mustergrößen mit Abständen verfügen, die den Standards der Komponente entsprechen.
• PCB-Footprints sollten alle notwendigen Elemente enthalten, wie z. B. Teileumrisse, Siebdruckmarkierungen und Referenzbezeichnungen.
• Eine gute Faustregel besteht darin, sicherzustellen, dass Ihr Hersteller die von Ihnen entworfenen Teile herstellen kann, bevor er sie dem endgültigen Entwurf vorlegt.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, PCB-Footprints von externen CAD-Bibliotheksanbietern zu verwenden. Teilehersteller erstellen oft im Voraus ihre eigenen Komponenten für Ihr Designsystem, und einige Tools verfügen über Browser zum bequemen Herunterladen dieser Teile.

PCB-Umriss und Layer-Aufbau

Bevor Sie mit dem PCB-Layout beginnen, müssen Sie mit mechanischen Designern zusammenarbeiten, um eine gute Umrissform zu erhalten. Während Designfaktoren später geändert werden können, können Änderungen eine erhebliche Neugestaltung der Schaltung erforderlich machen, um sie an die neue Form anzupassen. Darüber hinaus akzeptieren die meisten CAD-Tools Daten, die aus mechanischen Konstruktionssystemen importiert wurden, was Ihnen die Arbeit erleichtert. Allerdings müssen Sie auch bei importierten Daten sicherstellen, dass der PCB-Umriss korrekt ist und alle für Ihr Design erforderlichen CAD-Elemente, wie z. B. Sperrzonen, enthält.

Der Lagenaufbau sollte ebenfalls abgeschlossen sein, bevor mit dem Layout begonnen wird. Auch diese können später noch geändert werden, aber die möglichen Auswirkungen auf bestehende Schaltkreise könnten Ihren Designzeitplan und Ihr Budget durcheinanderbringen. Der Lagenaufbau sollte auch für Ihr spezifisches Design feinabgestimmt werden, um sicherzustellen, dass die richtige Lagenkonfiguration für impedanzkontrolliertes Routing und andere Anforderungen an die Signalintegrität bereitgestellt wird. Die Wahl der Leiterplattenmaterial In dieser Phase ist es auch wichtig, dass die entsprechenden Leiterbahnbreiten und andere Designberechnungen auf Grundlage der physikalischen Eigenschaften des Materials vorgenommen werden können. Zu diesen Eigenschaften gehören Dielektrizitätskonstante, Isolationsqualität, Feuchtigkeitsabsorptionsrate und Verlustfaktor.

CAD-Parameter und -Einstellungen

Es ist nicht ungewöhnlich, dass Designer mit den Standardeinstellungen ihrer CAD-Systeme arbeiten. Die meisten CAD-Systeme bieten Benutzern jedoch umfassende Kontrolle über Farben, Füllmuster, Schattierungen sowie Schriftgrößen und -breiten. Sie können auch die Anzeige bestimmter Objekte ändern, ein Designelement über einem anderen platzieren, Raster festlegen und Layout- und Routing-Einstellungen festlegen. Diese Einstellungen sollen Ihre Arbeitseffizienz steigern und Sie können Zeit sparen, indem Sie die Einstellungen im Voraus optimieren.

Richtlinien zur Komponentenplatzierung

Sobald die CAD-Bibliotheken, der PCB-Entwurf und andere Einrichtungsaufgaben abgeschlossen sind, kann mit dem Design begonnen werden. Der erste Schritt in diesem Prozess besteht darin, die Footprints der PCB-Komponenten auf der Platine zu platzieren. Die Platzierung von Komponenten auf der Platine muss drei Hauptanforderungen erfüllen: Schaltungsleistung, Herstellbarkeit und Zugänglichkeit.

Schaltungsleistung

Bei Hochgeschwindigkeitsschaltungen müssen die Komponenten so nah wie möglich beieinander platziert werden, um kurze, direkte Signalwege zu erreichen. Diese Anforderung gilt jedoch nicht nur für sie. Auch analoge Schaltkreise und Leistungskomponenten müssen so platziert werden, dass ihre empfindlichen bzw. Hochstrompfade möglichst kurz sind. Dies trägt zur Reduzierung der Induktivität bei und verbessert die Signal- und Leistungsintegrität. In einigen Fällen müssen diese Komponenten jedoch möglicherweise getrennt werden, um die Busführung oder die thermische Isolierung zu ermöglichen.

Herstellbarkeit

Um die Produktionskosten möglichst gering zu halten, ist es wichtig, die Bauteile so zu platzieren, dass sie möglichst einfach herzustellen sind. Beispielsweise können Bauteile, die zu nahe beieinander liegen, möglicherweise nicht automatisch zusammengebaut werden oder sich mit automatisierten Lötprozessen nur schwer löten lassen. Höhere Chipkomponenten erzeugen einen Schatteneffekt, wenn in kleineren Teilen vor ihnen Wellenlöten durchgeführt wird, was zu schlechten Lötverbindungen führt. Unausgeglichenes Kupfer zwischen zwei Lötpads kleiner Chipkomponenten führt zu einer ungleichmäßigen Erwärmung, wodurch ein Lötpad vor dem anderen schmilzt und die andere Seite nach oben zieht.

Barierrefreiheit

Leiterplatten müssen in der Regel manuell getestet und nachbearbeitet werden, was den Zugriff auf die Komponenten erfordert, die bearbeitet werden müssen. Wenn größere Komponenten diese Komponenten verdecken, kann dies ihre Arbeit zeitaufwändiger machen oder zufällige Schäden an benachbarten Komponenten verursachen. Ebenso können Steckverbinder, Schalter und andere nicht zugängliche Mensch-Maschine-Schnittstellen die Produktion der Leiterplatte verlangsamen.

Ein wichtiger Leitsatz besteht darin, dass das Layout mit einer grundlegenden Draufsicht der Komponenten auf der Entwicklungsplatine beginnen sollte. Auf diese Weise können Sie Strategien zur Aufteilung der verschiedenen Schaltungsbereiche auf der Platine entwickeln, um Überlappungen von analogen und digitalen Signalen zu vermeiden.

Richtlinien für das PCB-Layout: Eine effektive Komponentenplatzierung führt zum Routing

PCB-Routing-Richtlinien

Für Leiterplattenentwickler ist es von entscheidender Bedeutung, ihre Leiterplatten so zu gestalten, dass eine optimale Signal- und Leistungsintegrität gewährleistet ist. Komponenten sollten an optimalen Positionen platziert werden, um eine kurze, direkte Leitungsführung zu erreichen. Gleichzeitig muss die Leiterplatte so ausgelegt werden, dass alle Netzwerke vollständig geroutet werden können. Das Ausbalancieren dieser Anforderungen kann bei Designs mit hoher Dichte eine ziemliche Herausforderung sein. Die erste PCB-Design-Layout-Richtlinie besteht darin, Designregeln und Einschränkungen für das Routing festzulegen.

Designregeln und Einschränkungen

Technisch gesehen sollte die Konfiguration von Designregeln und -beschränkungen in Parametern und Einstellungen enthalten sein. Da die meisten Regeln jedoch direkt für die Gleisführung gelten, werden sie hier aufgeführt. Regeln und Einschränkungen werden zur Steuerung von Spurbreiten und -abständen verwendet und können für einzelne Netze, Gruppen von Netzen, sogenannte Netzklassen, oder als Standardeinstellungen für alle nicht spezifizierten Netze festgelegt werden. Designregeln werden auch verwendet, um zu steuern, welche Vias für verschiedene Netze, Routing-Längen und passende Längen ausgewählt werden und welche Schichten für das Routing bestimmter Netze und Routing-Topologien zulässig sind. Darüber hinaus werden Designregeln verwendet, um Komponentenabstände, Siebdruckregeln, mechanische Abstände und viele andere Einschränkungen zu steuern.

Signal- und Leistungsintegrität

Um optimale Leistung und Signalintegrität zu erreichen, PCB-Layout Designer müssen beim Routing ihrer Schaltkreise bestimmte Anforderungen einhalten. Dabei helfen Designregeln und -beschränkungen, die es Designern ermöglichen, physische Routingparameter für das Routing in CAD-Systeme einzugeben. Während die genauen Werte je nach den Anforderungen der Leiterplatte variieren, legen Designer normalerweise Regeln fest, um sicherzustellen, dass die folgenden Richtlinien eingehalten werden:

• Die Strecken für Hochgeschwindigkeitsübertragungen sollten kurz und direkt sein.
• Spurbreiten, Abstände und zulässige Schichten für eine kontrollierte Impedanzführung.
• Spezifizierte Schienenlängen und Längentoleranzen für die Verlegung mit angepasster Länge.
• Breiten und Abstände für Differentialpaare.
• Breiten und Abstände für sensible Signale wie Uhren und Steuerungen.
• Via-Typen für verschiedene Netze.
• Spurbreiten und -abstände für analoge Schaltungen.
• Leiterbahnbreiten und Kupfergewichte für Hochstromstromkreise.

Eine weitere wichtige Richtlinie, die es zu beachten gilt, besteht darin, beim Routing in Mixed-Signal-Designs zu vermeiden, dass sich Bereiche zwischen analogen und digitalen Routen kreuzen.

Richtlinien für effektive Stromversorgung und Masseebene

Bei modernen Hochgeschwindigkeitsdesigns besteht die optimale Erdungsstrategie häufig darin, eine oder mehrere durchgehende Erdungsschichten auf den Innenschichten zu verwenden. Dies bietet eine hervorragende EMI Schutz und gewährleistet klare Signalpfade, was die allgemeine Signalintegrität verbessert. In Bereichen, in denen aufgrund einzigartiger PCB-Umrisse oder -Merkmale Diskontinuitäten der Massefläche auftreten, sollte das Routing in allen Masselücken auf der Platine vermieden werden. Wenn keine durchgehenden und benachbarten Masseflächen vorhanden sind, die als klare Rückwege für Signale dienen, kann Ihr Design viel unerwünschtes Rauschen erzeugen. Hier sind einige Richtlinien für Stromversorgung und Masseflächen, die Sie beachten sollten:

• Erdungsschichten müssen an Signalschichten angrenzen in einem PCB-Stackup mit Hochgeschwindigkeitsrouting. Dies trägt dazu bei, das Hochgeschwindigkeitsrouting vor Störungen zu schützen und bietet eine gute Referenzebene für Signalrückwege.
• Verwenden Sie Wärmeleitpads und achten Sie sorgfältig auf die Strom- und Erdungsverbindungen zum Flugzeug. Der Polsterradius des Polsterstreifens muss breit genug sein, um hohen Strom zu übertragen, ohne dass diese Verbindungen als Strahler wirken können.
• Planen Sie Stromanschlüsse und geteilte Stromebenen sorgfältig, um sicherzustellen, dass alle angeschlossenen Komponenten auf der gesamten Leiterplatte ausreichend mit Strom versorgt werden.

Vermeiden Sie bei Mixed-Signal-Designs die gleichzeitige Verlegung analoger und digitaler Schaltkreise

Richtlinien für Siebdruck- und PCB-Prüfungen

Sobald die PCB-Design Wenn Sie fertig sind, können Sie sich auf die Fertigstellung des Layouts konzentrieren, indem Sie die Siebdruckebene bereinigen und Testpunkte hinzufügen. Referenzmarken, Teilenummern und andere Unternehmensinformationen werden im Siebdruckverfahren mit Tinte auf der Leiterplatte markiert. Designer verwenden in der Regel die Ebene „Siebdruck“ in ihrem CAD-System, um diese Markierungen zu entwerfen.

Um sicherzustellen, dass die Markierungen der Siebdruckebene lesbar sind, befolgen Designer die folgenden Richtlinien:

• Die Linienstärke sollte nicht weniger als 4 mil betragen.
• Die Schriftgröße sollte nicht weniger als 24 mil betragen.

Komponentenreferenzbezeichnungen sollten basierend auf dem Rastermuster des Unternehmens umbenannt werden, um das Auffinden bestimmter Teile auf der Leiterplatte zu erleichtern. Verschieben und drehen Sie Referenzmarkierungen, um sie leichter lesbar zu machen. Fügen Sie bei Bedarf Polaritäts- und Pin-1-Markierungen hinzu.

Testpunkte sind für die Massenproduktion von Leiterplatten für die automatisierte Bestückungsüberprüfung von entscheidender Bedeutung. Jedes Netzwerk im Design sollte über einen Testpunkt verfügen, unabhängig davon, ob es sich um einen vorhandenen Durchgangslochstift, eine Durchkontaktierung oder ein hinzugefügtes oberflächenmontiertes Testpad handelt. Testpunkte sollten mindestens 50 mil von anderen Objekten auf der Leiterplatte, wie Komponenten oder Pads, und mindestens 100 mil von der Kante der Leiterplatte entfernt sein. Diese Werte können jedoch je nach Anbieter variieren. Überprüfen Sie daher unbedingt die Testpunktanforderungen des Herstellers.