Die Gestaltung des PCB-Layouts ist ein entscheidender Schritt bei der Herstellung von Leiterplatten. Ein sinnvolles PCB-Layout trägt dazu bei, die Produktionskosten unter Kontrolle zu halten und eine hohe Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Ein ungünstiges PCB-Layout hingegen kann die Herstellbarkeit nicht gewährleisten, die PCB-Funktion einschränken oder sogar verschiedene Probleme wie Schaltungsfehler verursachen, welche die Herstellungskosten erhöhen und die Produktionszeit verzögern. Heutzutage werden immer höhere Anforderungen an elektronische Geräte gestellt, und die verwendeten PCBs werden immer komplexer und kompakter. Eine kleine PCB muss mehrere Funktionen erfüllen, was zweifellos größere Herausforderungen an das PCB-Layout-Design mit sich bringt. Dabei gibt es eine Reihe von Aspekten zu beachten. In diesem Artikel haben wir den PCB-Layout-Designprozess erläutert, die wichtigsten Aspekte aufgelistet, die während des Designs berücksichtigt werden sollten, sowie einige häufige Probleme, die es zu vermeiden gilt. Lesen Sie weiter.
Welche Schritte sind für das PCB-Layoutdesign erforderlich?
Die Herstellung einer funktionsfähigen Leiterplatte (PCB) erfordert sorgfältige Planung und Ausführung in vielen Phasen. Sie ist eine Zusammenarbeit von Elektroingenieuren, Maschinenbauingenieuren, PCB-Designern und Herstellern. Hier finden Sie einen detaillierteren Einblick in den gesamten PCB-Designprozess:
- Entwickeln Sie das schematische Diagramm.
Der Schaltplan erfasst die elektronische Schaltung konzeptionell und skizziert PCB-Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren, integrierte Schaltkreise und deren Verbindungen ohne Rücksicht auf das physische Layout. Mit einer Schaltplanerfassungssoftware wird der Schaltplan für das PCB-Design digitalisiert.
- Wählen Sie den Platinenstapel aus.
Dies bezieht sich auf den Schichtaufbau und die Zusammensetzung der Leiterplatte selbst. Faktoren wie Lagenanzahl, dielektrische Materialien, Kupferdicke und Leiterbahnbreite beeinflussen Parameter wie die Impedanz, die wiederum die Signalintegrität beeinflusst. Der Lagenaufbau muss mit den Leistungsanforderungen der Schaltung kompatibel sein.
- Skizzieren Sie Designregeln und Fertigungsanforderungen.
PCB-Herstellung hat strenge Standards, die von Organisationen wie IPC. Diese umfassen den Mindestabstand der Leiterbahnen, die Lochgröße, die Maskenauflage und vieles mehr. Ein PCB-Partner, der sich mit diesen Spezifikationen gut auskennt, hilft, Fehler oder fehlerhafte Platinen zu vermeiden.
- Ordnen Sie Komponenten und Footprints an.
Ausgehend vom Schaltplan beginnt das PCB-Layout mit der Platzierung der Bauteil-Footprints und der Zuweisung von Referenzkennungen. Platzierungsrichtlinien tragen zur Minimierung von elektrischem Rauschen und Störungen bei. Datenblätter der Bauteile liefern die notwendigen Details zur Positionierung und Ausrichtung.
- Bohrlöcher für Durchkontaktierungen und Pins einschließen.
Vias dienen der vertikalen Verbindung zwischen den Schichten. Viele doppelseitige Flexschaltungen erfordern durchkontaktierte Löcher. Lochabmessungen und -positionen sind vorgegeben.
- Verbinden Sie die Spuren der Leiter.
Leiterbahnen sind Kupferleitungen, die gemäß dem Schaltplanlayout die leitenden Verbindungen zwischen verschiedenen Komponenten bilden. Autorouting-Tools unterstützen dabei, oft ist jedoch manuelles Routing erforderlich.
- Integrieren Sie Prüfpunkte, Beschriftungen und Markierungen.
Testpunkte erleichtern das Testen und die Fehlersuche. Kennungen, Polaritätsmarkierungen, Versionsnummern und andere Textinformationen werden üblicherweise durch Siebdruck oder Gravur hinzugefügt.
- Überprüfen Sie Designregeln und generieren Sie Fertigungsdateien.
Das fertige Platinenlayout wird abschließend auf etwaige Verstöße gegen Designregeln geprüft. Anschließend werden Fertigungs- und Bestückungsdateien ausgegeben, die alle notwendigen PCB-Fertigungsdaten enthalten.
Sobald das Design vollständig definiert ist, geht die Leiterplatte in die Fertigungsphase über. Dort wird der elektronische Entwurf in eine physische Platine umgewandelt, die zur Bestückung mit Bauteilen bereit ist. Der gesamte Prozess erfordert eine enge Zusammenarbeit zwischen vielen Disziplinen.
Wichtige Überlegungen zum PCB-Layout-Design
Größe und Form der Platine
Das erste, was beim PCB-Layout-Design berücksichtigt werden muss, sind Größe, Form und Anzahl der Lagen der unbestückten Platine. Die Größe der unbestückten Platine wird oft durch die Größe des fertigen elektronischen Produkts bestimmt, und die Größe der Fläche bestimmt, ob alle benötigten elektronischen Komponenten platziert werden können. Wenn nicht genügend Platz vorhanden ist, können Sie ein mehrschichtiges oder HDI-DesignDaher ist es wichtig, die Größe der Leiterplatte vor Beginn des Designs abzuschätzen. Der zweite Faktor ist die Form der Leiterplatte. In den meisten Fällen sind sie rechteckig, aber es gibt auch Produkte, die die Verwendung unregelmäßig geformter Leiterplatten erfordern, was ebenfalls einen großen Einfluss auf die Platzierung der Komponenten hat. Der letzte Faktor ist die Anzahl der Lagen der Leiterplatte. Einerseits ist ein mehrschichtige Leiterplatte kann es uns ermöglichen, komplexere Designs zu realisieren und umfangreichere Funktionen einzubringen, aber das Hinzufügen einer weiteren Schicht erhöht die Produktionskosten, daher muss dies frühzeitig im Design festgelegt werden. Bestimmte Schichten.
Herstellungsprozess
Der Herstellungsprozess der Leiterplatte ist ein weiterer wichtiger Aspekt. Unterschiedliche Fertigungsmethoden bringen unterschiedliche Designbeschränkungen mit sich, einschließlich der Leiterplattenmontagemethode, die ebenfalls berücksichtigt werden muss. Verschiedene Montagetechnologien wie SMT und THT erfordert, dass Sie die Leiterplatte auf unterschiedliche Weise gestalten. Am wichtigsten ist es, sich beim Hersteller zu vergewissern, dass er die benötigte Leiterplatte herstellen kann und über die erforderlichen Fähigkeiten und das Fachwissen zur Umsetzung Ihres Entwurfs verfügt.
Materialien und Komponenten
Im Designprozess müssen die verwendeten Materialien und die Marktverfügbarkeit der Komponenten berücksichtigt werden. Manche Teile sind schwer zu finden und zeitaufwändig und teuer. Es wird empfohlen, gängigere Komponenten zum Austausch zu verwenden. Daher muss der PCB-Designer über Erfahrung und Kenntnisse der gesamten PCB-Montagebranche verfügen. MOKO verfügt über ein professionelles Team für PCB-Design und Komponentenbeschaffung. Unser Fachwissen und unsere vollständige Beschaffungskette ermöglichen es uns, die am besten geeigneten Materialien und Komponenten für Kundenprojekte auszuwählen und das zuverlässigste PCB-Design innerhalb des Kundenbudgets bereitzustellen. Weitere Informationen zu PCB-Materialien finden Sie in unserem anderen Blog: https://www.mokotechnology.com/pcb-material/
Komponentenplatzierung
Beim PCB-Design muss die Reihenfolge der Bauteilplatzierung berücksichtigt werden. Eine korrekte Anordnung der Bauteile reduziert die Anzahl der Montageschritte, verbessert die Effizienz und senkt die Kosten. Wir empfehlen die Platzierungsreihenfolge: Steckverbinder, Leistungsschaltkreise, Präzisionsschaltkreise, kritische Schaltkreise und schließlich die restlichen Bauteile. Darüber hinaus ist zu beachten, dass übermäßige Wärmeableitung der Leiterplatte die Leistung beeinträchtigen kann. Berücksichtigen Sie beim Entwurf des PCB-Layouts, welche Bauteile die meiste Wärme abgeben, halten Sie kritische Bauteile von Bauteilen mit hoher Wärmeentwicklung fern und berücksichtigen Sie Kühlkörper und Lüfter, um die Bauteiltemperatur zu senken. Mehrere Bauteile, die Wärme erzeugen, müssen an verschiedenen Stellen verteilt und nicht an einem Ort konzentriert werden. Auch die Ausrichtung der Bauteile muss berücksichtigt werden. Generell wird empfohlen, ähnliche Bauteile in der gleichen Richtung zu platzieren, um die Schweißeffizienz zu verbessern und Fehler zu reduzieren. Beachten Sie, dass die Bauteile nicht auf der Lötseite der Leiterplatte, sondern hinter den durchkontaktierten Bauteilen platziert werden sollten.
Leistungs- und Masseebenen
Strom- und Masseflächen sollten stets innerhalb der Platine liegen und zentriert und symmetrisch sein, was eine grundlegende Richtlinie für das PCB-Layout darstellt. Dieses Design verhindert ein Verbiegen der Platine, wodurch Bauteile aus ihrer ursprünglichen Position verrutschen. Eine sinnvolle Platzierung von Strom- und Steuermasse reduziert die Störungen durch Hochspannung im Schaltkreis. Die Masseflächen der einzelnen Leistungsstufen müssen so weit wie möglich voneinander getrennt sein und, falls unvermeidbar, zumindest am Ende des Versorgungspfads platziert werden.
Signalintegrität und HF-Probleme
Die Qualität des PCB-Layouts bestimmt auch die Signalintegrität der Leiterplatte und ob sie elektromagnetischen Störungen und anderen Problemen ausgesetzt ist. Um Signalproblemen vorzubeugen, sollten parallel verlaufende Leiterbahnen vermieden werden, da parallele Leiterbahnen zu mehr Übersprechen und verschiedenen Problemen führen. Sollten sich die Leiterbahnen kreuzen, sollten sie im rechten Winkel verlaufen, um die Kapazität und die gegenseitige Induktivität zwischen den Leitungen zu reduzieren. Werden keine Komponenten mit hoher elektromagnetischer Strahlung benötigt, empfiehlt sich die Verwendung von Halbleiterbauelementen mit geringer elektromagnetischer Strahlung, was ebenfalls zur Signalintegrität beiträgt.
Häufige Fehler, die beim PCB-Layout-Design vermieden werden sollten
Ignorierung der Zusammenarbeit mit Herstellern
Es ist ein weit verbreitetes Missverständnis, dass viele Ingenieure glauben, es sei ausreichend, die Designdateien vor Produktionsbeginn einfach dem Hersteller zu übergeben. Tatsächlich ist es besser, sie dem Hersteller bereits bei der Erstellung des ersten Entwurfs des PCB-Layouts mitzuteilen. Dieser überprüft das PCB-Design anhand seiner umfassenden Fertigungserfahrung und findet Probleme, die Sie nicht finden können, um die Herstellbarkeit des Designs sicherzustellen.
Zu nah am Rand
Die Bauteile dürfen nicht zu nahe am Rand der Leiterplatte liegen und müssen in ausreichendem Abstand gehalten werden. Andernfalls besteht die Gefahr, dass die Bauteile durch die Nähe zum Rand brechen. Erfahrene Hersteller erkennen dieses Problem häufig, wenn sie die Konstruktionsdateien erhalten und Ingenieure um Änderungen bitten, beispielsweise durch die Verlegung einer Führung um den Rand, um die versteckte Gefahr zu beseitigen.
Ignorieren Sie die Überprüfung des PCB-Layout-Designs
Wenn Sie viel Zeit und Energie in die Fertigstellung des PCB-Designs investieren und nicht warten können, bis die Produktion beginnt, liegen Sie falsch. Die Überprüfung des PCB-Designs darf nicht vernachlässigt werden, da dies sonst zu großen Problemen führt. Warten Sie, bis die PCB-Produktion bereits begonnen hat, um das Problem zu finden. Das kostet viel Zeit und verursacht größere wirtschaftliche Verluste. Daher müssen wir das Design mehrmals überprüfen, um sicherzustellen, dass es keine Fehler enthält, bevor es in Produktion gehen kann. Wir empfehlen, Überprüfung der elektrischen Vorschriften (ERC) und Design Rule Checking. Diese beiden Systeme können uns dabei helfen zu überprüfen, ob Designs allgemeine Fertigungsanforderungen, elektrische Hochgeschwindigkeitsanforderungen usw. erfüllen, und potenzielle Designprobleme frühzeitig zu erkennen und schnell zu beheben.
Kompliziert das PCB-Design
Einige komplexe Designs sollten möglichst vermieden werden, es sei denn, sie sind unbedingt erforderlich, da die Herstellung sonst Zeit und Kosten in Anspruch nimmt. Beispielsweise erschweren zu kleine Teile die Produktion. Wenn die Platine ausreichend Platz für größere Komponenten bietet, sollten große Komponenten gewählt werden, was der Produktherstellung besser entspricht. Kurz gesagt: Es ist viel besser, mehr Zeit in die Designphase zu investieren, um das Layout zu vereinfachen und die funktionalen Anforderungen zu erfüllen. Dies trägt zu einer Verbesserung von Produktionsgeschwindigkeit und -qualität bei.
Arbeiten Sie mit einem schlüsselfertigen PCB-Lieferanten zusammen
Alles in allem ist die Gestaltung von PCB-Layouts keine leichte Aufgabe. Wenn Sie sich damit nicht auskennen, können Sie möglicherweise einen Anbieter schlüsselfertiger PCBs um Hilfe bitten. Neben der Fertigung sind diese auch auf PCB-Design und -Entwicklung spezialisiert.
MOKO Technology bietet PCB-Lösungen aus einer Hand, vom PCB-Design bis zur Produktion, Montage und Prüfung, wir haben alles für Sie. Wir verfügen über ein professionelles Engineering-Team mit mehr als zehn Jahren Erfahrung in der PCB-Branche, das PCBs für Kunden aus verschiedenen Branchen entwirft und produziert. Wenn Sie nicht sicher sind, ob Ihr PCB-Design einwandfrei ist, bitte Kontaktieren Sie uns, und unsere Experten bewerten Ihren Entwurf und machen Ihnen umsetzbare Vorschläge. Oder Sie lagern den PCB-Design-Service an uns aus und wir können Ihre Idee in kürzester Zeit in ein Produkt umsetzen.
