Der Platz für Leiterplatten (PCBs) ist in modernen, kompakten Produktdesigns oft knapp. Daher ist die Optimierung der Leiterplattengröße zu einem wichtigen Aspekt geworden. Die Leiterplattengröße beeinflusst Herstellungskosten, Produktabmessungen und sogar Leistungsfaktoren wie die Signalintegrität. Obwohl es für gängige Anwendungen Standardgrößen für Leiterplatten gibt, bietet die Anpassung und Minimierung der Leiterplattengröße viele Vorteile. Dieser Leitfaden behandelt wichtige Faktoren zur Bestimmung und Reduzierung der Leiterplattengröße.
Faktoren, die P bestimmenCB Größe
Die letztendlich erreichbare Leiterplattengröße hängt von mehreren Designfaktoren ab:
Komponentengröße und -abstand – Die Abmessungen der montierten Teile sowie die Mindestabstandsregeln bestimmen die grundlegende Leiterplattenfläche. Größere Komponenten wie Steckverbinder oder Quad-Flat-Pakete und ihr Abstand bilden den Ausgangspunkt für die Größenbestimmung.
Lagenaufbau – Eine höhere Anzahl an Leiterplattenlagen ermöglicht ein dichteres Routing über mehrere Lagen hinweg und reduziert so den Platzbedarf der Platine. Jede zusätzliche Lage erhöht jedoch die Kosten proportional, sodass 4–6 Lagen eine kostengünstige Lösung darstellen.
Routing-Komplexität – Dichtes, kompaktes Routing von Leiterbahnen zwischen eng beieinander liegenden Pads bestimmt oft die kleinstmögliche Leiterplattengröße. Autorouter eignen sich hervorragend zur Optimierung komplexer Layouts.
Gehäusebeschränkungen – Die Leiterplatte muss in das Gehäuse des Produkts passen, sodass der für Anschlüsse und Komponenten vorgesehene Platz die für die Platine selbst verfügbare Fläche reduziert.
Thermische Aspekte – Eine ausreichende Leiterplattenfläche trägt zur Wärmeableitung von den Komponenten bei. Thermische Anforderungen können die Schrumpfung begrenzen, aber eine sorgfältige Konstruktion mit Durchkontaktierungen, Masseflächen und Kühlkörpern kann Probleme abmildern.
Viele andere Faktoren wie die Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen (EMI), die Anforderungen an die Panelisierung und die Wartungsfreundlichkeit beeinflussen die Größe, können aber durch sorgfältige PCB Design.
Techniken zur Optimierung und Minimierung der PCB-Größe
Eine Reihe von Best-Practice-Strategien können dabei helfen, die Herausforderung der PCB-Miniaturisierung zu meistern:
- Komponentenplatzierung
Teile mit ähnlichen Funktionen sollten nach Möglichkeit zusammen gruppiert werden. Strategische Platzierung bedeutet auch, die platzsparendsten Teile mit hoher Dichte zuerst zuzuordnen, um sicherzustellen, dass sie effizient passen und nicht zu viel ungenutzten Platz beanspruchen.
- Pakete mit hoher Dichte
Winzige Mikrogehäuse wie 0201 und 01005 Chip-Widerstände, Kondensatoren und ICs benötigen nur einen Bruchteil der Fläche im Vergleich zu 0402, 0603 oder größeren Äquivalenten. Die breite Verfügbarkeit dieser Miniatur- SMD-Komponenten (Surface Mount Device) wird durch die ultrakompakte Bauweise der Unterhaltungselektronik vorangetrieben. Diese Teile können weniger effiziente Altgeräte ersetzen.
- Routing-Kanäle
Durch die Reduzierung der Routing-Kanäle zwischen den Zeilen und Spalten der Komponenten können die Leiterbahnen kompakter zwischen den Bauteilen verlaufen. Diese Technik erfordert jedoch zusätzliche Platinenlagen, um ausreichend Routing-Kapazität zu gewährleisten. Eine sorgfältige Kanaldimensionierung schafft ein Gleichgewicht zwischen Routing-Dichte und Herstellbarkeit.
- Leiterbahnbreiten
Durch die Reduzierung der Kupferleiterbahnbreite wird beim Verlegen von Verbindungen weniger Platz benötigt. Der Designer muss jedoch Widerstands- und Stromkapazitätseffekte berücksichtigen. Leiterbahnen unter 0.2 mm sind üblich, um die Verlegebarkeit auf hochdichten Leiterplatten zu maximieren.
- Manuelles Layout
Autorouter liefern eine erste Routing-Anordnung, doch bei platzsparenden Leiterplatten ist die manuelle Optimierung der Leiterbahnen durch einen erfahrenen Layout-Designer erforderlich. Diese sorgfältige Optimierung der Leiterbahnverläufe holt das Maximum an Routing-Effizienz heraus.
- Lagenaufbauten
Eine höhere Lagenanzahl ermöglicht mehr Flexibilität beim Routing und ermöglicht die Verdichtung von Layouts. Um die Abmessungen effektiv zu minimieren, sind häufig sechs oder mehr Lagen erforderlich. Jede zusätzliche Lage erhöht jedoch die Kosten.
- 3D-Konstruktion
Innovative Starrflex-Leiterplattentechnologie ermöglicht die Faltung von 2D-Platinen in effiziente 3D-Formen. Die Mehrkosten dieser Platinen ermöglichen eine höhere Funktionsdichte und kompaktere Gehäuse. Sorgfältige 3D-Planung ist erforderlich.
Vorteile kleinerer Leiterplatten
Das Verkleinern der Leiterplattenabmessungen innerhalb funktionaler Grenzen bringt zahlreiche Vorteile mit sich:
Kompaktere Produkte – Durch die deutliche Miniaturisierung von Leiterplatten können kleinere und tragbarere Verbrauchergeräte entwickelt werden, ein wichtiger Vorteil für mobile Geräte wie Mobiltelefone. Kompakte Leiterplatten sparen zudem Platz in Instrumenten und anderen elektronischen Geräten.
Niedrigere Materialkosten – Mit der reduzierten Platinenfläche einer kleineren Leiterplatte, weniger Substratmaterial Bei der Herstellung werden weniger Kupferfolien und Kupferfolien benötigt, was die Kosten für diese Materialien senkt. Weniger Schichten und kürzere Leiterbahnlängen sparen zudem erhebliche Materialkosten.
Bessere Signalintegrität – Kürzere Leiterbahnlängen auf einer miniaturisierten Leiterplatte verringern Störungen und Signalverzerrungen und ermöglichen eine sauberere und schnellere Hochgeschwindigkeitssignalübertragung, die für die Qualität der Geräteleistung entscheidend ist.
Vereinfachte Montage – Ein wesentlicher Vorteil kleinerer Leiterplatten ist die einfache Handlötmontage, die dank der reduzierten Leiterplattengröße möglich ist. Auch die automatisierte Montage wird schneller und effizienter, da weniger Leiterplattenfläche für die Bestückung mit Komponenten zur Verfügung steht.
Herausforderungen bei miniaturisierten Leiterplatten
Zu den Nachteilen einer Maximierung der PCB-Kompaktheit gehören:
- Komplexes Routing
Durch die Verringerung der Platinenabmessungen wird das Verlegen dichter Kupferleiterbahnen zwischen dicht gepackten Komponenten auf engstem Raum erheblich komplizierter, sodass häufig zusätzliche Schichten oder hochqualifizierte Layout-Technik erforderlich sind, um alle Geräte erfolgreich miteinander zu verbinden.
- Thermische Probleme
Miniaturisierte Leiterplatten konzentrieren die Wärmeentwicklung auf einen kleineren Bereich mit weniger Ableitungsfläche, was das Wärmemanagement erschwert. Um Überhitzung zu vermeiden, ist eine sorgfältige Konstruktion von Masseflächen, thermischen Durchkontaktierungen, Kühlkörpern und Luftstrom entscheidend.
- Montageschwierigkeiten
Die extrem kleinen Komponenten und die engen Abstände auf einer kompakten Leiterplatte erschweren das Löten und Bestücken von Hand, was zu höheren Schwierigkeiten und Fehlern führt. Auch die Nacharbeit fehlerhafter Lötstellen wird bei reduziertem Maßstab zu einer großen Herausforderung.
- Hochfrequenzverluste
Eine übermäßige Reduzierung der Leiterbahnlängen kann die resistiven Signalverluste bei Mikrowellenfrequenzen über einigen Gigahertz kontraintuitiv erhöhen und so die Miniaturisierung für Hochfrequenzfunkanwendungen einschränken.
Fazit
Angesichts steigender Kompaktheitsanforderungen in der Elektronikbranche setzt die Optimierung der Leiterplattengröße auf minimalen Platzbedarf, um Kosten, Leistung und Herstellbarkeit optimal zu nutzen. Anspruchsvoll, aber durch sorgfältige Komponentenauswahl und -anordnung erreichbar, ermöglichen Leiterplatten mit der richtigen Größe den Miniaturisierungsgrad, der Innovationen vorantreibt. Sowohl anwendungsspezifische Sonderabmessungen als auch die Ausweitung der Grenzen von Standardgrößen bieten Vorteile gegenüber dem Einheitsdenken. Da Leiterplatten immer kleiner werden, können Ingenieure Größenbeschränkungen durch Strategien wie Mehrlagenaufbau, fortschrittliches Routing und 3D-Integration bei Bedarf einhalten.
