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 stellt die elektronische Schaltung konzeptionell dar und bildet Leiterplattenbauteile wie Widerstände, Kondensatoren, integrierte Schaltungen und deren Verbindungen ab, ohne Rücksicht auf das physische Layout. Zur Digitalisierung des Schaltplans für das Leiterplattendesign wird eine Software zur Schaltplanerfassung verwendet.
- 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.
Die Leiterplattenfertigung unterliegt strengen Standards, die von Organisationen wie dem IPC festgelegt werden . Diese Standards umfassen Mindestleiterbahnabstände, Lochgrößen, Maskenüberlagerungen und vieles mehr. Ein Leiterplattenpartner, der mit diesen Spezifikationen bestens vertraut ist, hilft, Fehler und fehlerhafte Leiterplatten 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
Beim PCB-Layout-Design sind zunächst Größe, Form und Lagenanzahl der Leiterplatte zu berücksichtigen. Die Leiterplattengröße richtet sich oft nach der Größe des fertigen Elektronikprodukts und bestimmt, ob alle benötigten Bauteile Platz finden. Bei Platzmangel kann ein Multilayer- oder HDI-Design in Betracht gezogen werden. Daher ist es entscheidend, die Leiterplattengröße vor Designbeginn abzuschätzen. Zweitens ist die Form der Leiterplatte wichtig. In den meisten Fällen sind Leiterplatten rechteckig, es gibt jedoch auch Produkte, die unregelmäßig geformte Leiterplatten erfordern, was sich ebenfalls stark auf die Bauteilplatzierung auswirkt. Schließlich ist die Lagenanzahl entscheidend. Multilayer -Leiterplatten ermöglichen komplexere Designs und einen größeren Funktionsumfang, erhöhen aber mit jeder zusätzlichen Lage die Produktionskosten. Daher muss die Anzahl der Lagen frühzeitig im Designprozess festgelegt werden.
Herstellungsprozess
Der Herstellungsprozess der Leiterplatte ist ein weiterer wichtiger Aspekt. Unterschiedliche Fertigungsmethoden bringen unterschiedliche Designvorgaben mit sich, insbesondere hinsichtlich der Leiterplattenbestückung. Verschiedene Bestückungstechnologien wie SMT und THT erfordern jeweils ein angepasstes Leiterplattendesign. Am wichtigsten ist es, sich beim Hersteller zu vergewissern, dass er die benötigte Leiterplatte fertigen kann und über die erforderlichen Kompetenzen und das Know-how für die Umsetzung Ihres Designs verfügt.
Materialien und Komponenten
Im Designprozess müssen die verwendeten Materialien und die Verfügbarkeit der Komponenten am Markt berücksichtigt werden. Manche Bauteile sind schwer zu beschaffen, was zeitaufwändig und teuer ist. Daher empfiehlt es sich, auf gängigere Komponenten zurückzugreifen. Aus diesem Grund muss der Leiterplattendesigner über Erfahrung und umfassende Kenntnisse der Leiterplattenbestückungsbranche verfügen. MOKO besitzt ein professionelles Team für Leiterplattendesign und Komponentenbeschaffung. Dank unseres Fachwissens und unserer lückenlosen Beschaffungskette können wir die optimalen Materialien und Komponenten für die Projekte unserer Kunden auswählen und ein zuverlässiges Leiterplattendesign im Rahmen des Kundenbudgets realisieren. Weitere Informationen zu Leiterplattenmaterialien finden Sie in unserem 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 die Entwicklung der Leiterplatte viel Zeit und Energie kostet und Sie es kaum erwarten können, mit der Produktion zu beginnen, ist das ein Fehler. Die Überprüfung des Leiterplattendesigns darf nicht vernachlässigt werden, da dies zu großen Problemen führen kann. Stellen Sie sich vor, Sie warten, bis die Produktion bereits begonnen hat, um das Problem zu entdecken – das kostet viel Zeit und verursacht erhebliche wirtschaftliche Verluste. Daher muss das Design mehrfach überprüft werden, um sicherzustellen, dass es fehlerfrei ist, bevor es in Produktion geht. Wir empfehlen die Durchführung von Electrical Rules Checking (ERC) und Design Rule Checking. Diese beiden Systeme helfen dabei, zu überprüfen, ob die Designs gängige Fertigungsanforderungen, Anforderungen an die elektrische Hochgeschwindigkeitstechnik 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 Ihnen Komplettlösungen für Leiterplatten – von der Entwicklung über die Produktion und Bestückung bis hin zur Prüfung. Unser erfahrenes Ingenieurteam verfügt über mehr als zehn Jahre Branchenerfahrung in der Leiterplattenindustrie und entwickelt und fertigt Leiterplatten für Kunden aus verschiedenen Branchen. Sind Sie sich unsicher, ob Ihr Leiterplattendesign optimal ist? Kontaktieren Sie uns , unsere Experten prüfen Ihr Design und unterbreiten Ihnen fertigungsgerechte Vorschläge. Alternativ können Sie die Entwicklung Ihrer Leiterplatte an uns auslagern – wir setzen Ihre Idee in kürzester Zeit in ein marktfähiges Produkt um.
