Bei der Entwicklung und dem Reverse Engineering von Elektronikprodukten ist das PCB-Layout-Design ein wichtiger Schritt, der sich direkt auf die Leistung der Schaltung auswirkt. Die Erstellung eines effektiven PCB-Layouts ist eine anspruchsvolle Aufgabe, insbesondere wenn Sie nicht über ausreichende Erfahrung in diesem Bereich verfügen. In diesem Beitrag erfahren Sie mehr über unsere PCB-Layout-Richtlinien, mit denen Sie alle Best Practices und Standards einhalten können.
Was ist das ideale PCB-Layout?
Was genau ist das ideale PCB-Layout? Nun, es handelt sich nicht um ein festes Design, sondern um einen sich ständig weiterentwickelnden Prozess. Jedes Schaltungsdesign ist anders, ebenso wie das Layout. Es gibt jedoch bestimmte Aspekte, die alle erfolgreichen Layouts gemeinsam haben. Schauen wir uns einige davon an.
– Leiterbahnbreite und -länge – Damit Ihre Schaltung ordnungsgemäß funktioniert, müssen Sie sicherstellen, dass Ihre Leiterbahnen die richtige Breite und Länge haben. Das bedeutet, dass Sie auch entscheiden müssen, wo Sie sie platzieren. Die Breite ist entscheidend für die Integrität des digitalen Signals. Je kleiner die Breite, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass Störgeräusche und Interferenzen auftreten.
– Platzierung der Masse – Die Platzierung der Masse in Ihrem Schaltungsdesign ist entscheidend. Stellen Sie zunächst sicher, dass Sie über genügend Masseanschlüsse verfügen. Stellen Sie als Nächstes sicher, dass alle angeschlossen sind und mit der gemeinsamen analogen Masse verbunden sind.
– Platzierung der Signale – Die Platzierung der Signale in Ihrem Design ist ebenfalls äußerst wichtig. Stellen Sie sicher, dass die Signale in einer „Inside-Out”-Richtung verlegt werden. Das bedeutet, dass Sie mit den wichtigsten Signalen beginnen und sich dann zu den weniger wichtigen vorarbeiten. Wenn Sie für das Design ein hierarchisches Diagramm verwenden, ist dies viel einfacher.
– Stromverteilung – Die Stromverteilung ist ebenfalls wichtig. Sie müssen sicherstellen, dass alle Bereiche mit hoher Leistung und hohem Strom eine Verbindung zur Masse haben. Dazu gehören Stromkreise sowie Hochstrombahnen.
#1 Wählen Sie vor dem Layout eine Designstrategie aus.
Bevor Sie mit dem Layout beginnen, müssen Sie sich für eine Designstrategie entscheiden. Dazu gehören beispielsweise die Anzahl der Schichten, die Breite der Leiterbahnen und die Menge an Kupfer, die Sie verwenden möchten. Dazu müssen Sie eine klare Vorstellung davon haben, was die Schaltung leistet und was Sie von ihr erwarten. Darüber hinaus müssen Sie auch die Einschränkungen des PCB-Herstellungsprozesses kennen. Im Folgenden finden Sie einige verschiedene Strategien, die Sie beim Layout Ihrer Leiterplatte anwenden können:
– Standard-Routing – Standard-Routing ist die gängigste Designstrategie. Sie wird verwendet, wenn Sie keine besonderen Anforderungen an Ihre Leiterplatte haben.
– Mikro-Routing – Wenn Sie sehr kleine Leiterbahnen und sehr kurze Verbindungen benötigen, sollten Sie Mikro-Routing verwenden.
– Baum-Routing – Wenn Sie eine große Anzahl von Verbindungen benötigen, die effizient verteilt werden müssen, sollten Sie Baum-Routing verwenden. Baum-Routing wird häufig auf High-End-Platinen mit einer großen Anzahl von Signalen verwendet.
#2 Festlegung der Footprint-Strategien
Nachdem Sie sich für eine Designstrategie entschieden haben, müssen Sie die Footprint-Strategien für Ihre Platine festlegen. Sie müssen entscheiden, wo Sie die Komponenten auf der Platine platzieren möchten. Sie müssen für jede Komponente einen Footprint erstellen und diese so auf der Platine platzieren, dass es sinnvoll ist. Dazu gehört auch, dass Sie sicherstellen, dass die Komponenten in der Nähe der Anschlüsse platziert werden. Sie sollten kein Layout erstellen, bei dem die Leiterplatte in einer bestimmten Position platziert werden muss. Dies würde die Montage und Verwendung des Produkts erschweren.
#3 Regeln für die Platzierung von PCB-Komponenten
1. Schnittstellenschutzvorrichtung
Das Schnittstellenschutzgerät sollte so nah wie möglich an der Schnittstelle platziert werden. Darüber hinaus gelten unterschiedliche Anforderungen an die Platzierung der Komponenten:
Die allgemeine Reihenfolge der Blitzschutzvorrichtungen für Stromkreise lautet: Varistoren, Sicherungen, Entstördioden, EMI-Filter, Induktivitäten oder Gleichtaktinduktivitäten.
Im Allgemeinen gilt für Schnittstellensignale folgende Reihenfolge der Schutzvorrichtungen: ESD (TVS-Röhre), Trenntransformator, Gleichtaktinduktivität, Kondensator und Widerstand.
2. Abstand zwischen den Komponenten
Empfohlener Mindestabstand zwischen Bauteilen:
- Der Abstand zwischen den Kanten der Pads kleiner RC-Komponenten beträgt >0,3 bis 0,7 mm.
- Zwischen anderen Chip-Bauteilen, zwischen SOT, zwischen SOIC und Chip-Bauteilen beträgt er 1 bis 1,25 mm.
- Zwischen SOIC und zwischen SOIC und QFP beträgt er 1,5–2,0 mm.
- Der Abstand zwischen PLCC und Chip-Bauteilen sowie zwischen SOIC und QFP beträgt 2–2,5 mm.
- 3 bis 4 mm zwischen PLCC.
- Der Abstand zwischen der Außenseite des Steckbauteilpads und der Außenseite des Chipbauteilpads beträgt mehr als 1,5 bis 2 mm.
- Der Randabstand der Pads zwischen den steckbaren Bauteilen, die mit Wellenlöten verlötet wurden, beträgt mehr als 1 bis 2 mm.
- Der Abstand zwischen BGA und benachbarten Bauteilen beträgt mehr als 3–5 mm.
3. Geräte, die anfällig für Störungen sind
Geräte, die anfällig für ESD-Störungen sind, wie NMOS- und CMOS-Geräte, sollten so weit wie möglich von Bereichen ferngehalten werden, die anfällig für ESD-Störungen sind (z. B. der Randbereich einer einzelnen Platine).
4. Layout der Uhrvorrichtung
- Kristalle, Kristalloszillatoren und Taktverteiler sollten so nah wie möglich an den zugehörigen IC-Bauteilen platziert werden.
- Der Filter der Taktschaltung (verwenden Sie nach Möglichkeit einen Filter vom Typ „∏“) sollte sich in der Nähe des Stromversorgungsanschlusses der Taktschaltung befinden.
- Ob der Ausgang des Quarzoszillators und des Taktverteilers in Reihe mit einem 22-Ohm-Widerstand geschaltet ist.
- Ob die nicht verwendeten Ausgangspins des Taktverteilers über Widerstände geerdet sind.
- Das Layout von Kristallen, Quarzoszillatoren und Taktverteilern sollte von Hochleistungskomponenten, Kühlkörpern und anderen wärmeerzeugenden Geräten ferngehalten werden.
- Ob der Quarzoszillator mehr als 1 Zoll vom Rand der Platine und dem Schnittstellengerät entfernt ist.
5. Kondensatoren und Filter
- Der Kondensator muss in der Nähe des Stromanschlusses platziert werden, und je kleiner die Kapazität, desto näher am Stromanschluss.
- Der EMI-Filter sollte sich in der Nähe des Eingangsanschlusses der Chip-Stromversorgung befinden.
- Grundsätzlich verfügt jeder Stromanschluss über einen kleinen Kondensator mit 0,1 uF und einen oder mehrere große Kondensatoren mit 10 uF für eine integrierte Schaltung, die je nach Situation vergrößert oder verkleinert werden können.
#4 Regeln für die Leiterplattenverlegung
PCB-Routing-Regeln sind Richtlinien, anhand derer Designer die Platzierung und Verlegung von Leiterbahnen auf einer Leiterplatte festlegen. Diese Regeln tragen dazu bei, dass die fertige Leiterplatte ordnungsgemäß funktioniert und alle erforderlichen elektrischen Spezifikationen erfüllt. Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Routing-Regeln, die verwendet werden können. Welche Regeln konkret befolgt werden, hängt vom jeweiligen Design und den Anforderungen des Projekts ab.
1. Leiterbahn-, Signal- und Stromanschluss
Beim Routing von Leiterplatten sind einige wichtige Punkte zu beachten:
– Stellen Sie sicher, dass die Leiterbahnbreiten für den zu führenden Strom geeignet sind. Zu schmale Leiterbahnen führen zu übermäßiger Wärmeentwicklung und möglichen Ausfällen, zu breite Leiterbahnen sind unnötig teuer.
– Beachten Sie die verschiedenen Arten von Kupferflächen und wie Sie diese zu Ihrem Vorteil nutzen können. Strom- und Masseflächen können beispielsweise sehr hilfreich sein, um Rauschen und Übersprechen auf ein Minimum zu reduzieren.
– Berücksichtigen Sie die unterschiedlichen Impedanzanforderungen von digitalen und analogen Signalen. Digitale Signale müssen mit niederohmigen Leiterbahnen verlegt werden, um Reflexionen und Übersprechen zu minimieren, während analoge Signale mit dickeren, hochohmigen Leiterbahnen verlegt werden können.
– Achten Sie auf den Abstand zwischen den Leiterbahnen, insbesondere beim Verlegen von Hochgeschwindigkeitssignalen. Der Abstand zwischen den Leiterbahnen beeinflusst deren Kapazität, was sich wiederum auf die Signalintegrität auswirkt.
– Erwägen Sie die Verwendung von Durchkontaktierungen, um Signale zwischen verschiedenen Schichten der Leiterplatte zu leiten. Dies kann hilfreich sein, um die Länge der Leiterbahnen zu minimieren und Übersprechen zu reduzieren.
– Achten Sie auf einen ausreichenden Abstand um Strom- und Massepins. Diese Bereiche können anfällig für Lichtbogenbildung und thermische Probleme sein, daher ist es wichtig, sie frei zu halten.
Wenn Sie diese einfachen Richtlinien befolgen, können Sie sicherstellen, dass Ihre Leiterplatten ordnungsgemäß verlegt sind und wie vorgesehen funktionieren.
2. Kelvin-Verbindung
Kelvin-Verbindungen, auch bekannt als Kraft- und Sinnesverbindungen, sind eine bequeme Möglichkeit, die Auswirkungen von Spannungsabfällen auf Drähte in Schaltungen zu eliminieren.
Obwohl es auf einem Schaltplan gleich aussehen mag, wenn man die Verbindung auf einem Widerstands-Pad oder einem beliebigen Punkt platziert, hat die tatsächliche Leiterbahn Induktivität und Widerstand und kann zu fehlerhaften Messungen führen, wenn Sie keine Kelvin-Verbindung verwenden.
#5 Heizungsproblem
1. Thermisches Layout
Es gibt drei Hauptaspekte der Wärmeentwicklung in Leiterplatten:
- Wärmeableitung durch die Bauteilplatten;
- die Wärme der Leiterplatte selbst;
- Wärme von anderen Teilen.
Durch das Anbringen von zusätzlichem Kupfer um oberflächenmontierte Bauteile herum wird eine zusätzliche Oberfläche geschaffen, um Wärme effizienter abzuleiten. Einige Bauteil-Datenblätter (insbesondere für Leistungsdioden und Leistungs-MOSFETs oder Spannungsregler) enthalten Richtlinien für die Nutzung der Leiterplattenoberfläche als Kühlkörper.
2. Thermische Durchkontaktierungen und thermische Entlastung
Vias können verwendet werden, um Wärme von einer Seite der Leiterplatte auf die andere zu übertragen. Dies ist besonders nützlich, wenn die Leiterplatte auf einem Kühlkörper auf einem Gehäuse montiert ist, das die Wärme weiter ableiten kann. Große Vias übertragen Wärme effizienter als kleine Vias. Viele Vias übertragen Wärme effizienter als ein einzelnes Via und senken die Betriebstemperatur der Komponente. Niedrigere Betriebstemperaturen tragen zur Verbesserung der Zuverlässigkeit bei.
Durch thermische Entlastung werden die Verbindungen zwischen Leiterbahnen oder Füllmaterial und Bauteilpins kleiner, um den Wellenlötprozess zu vereinfachen. Diese kleine Verbindung ist kurz, um den Einfluss auf den Widerstand zu verringern. Wenn Sie die Kühlkörper an den Pins der Bauteile nicht verwenden, können die Bauteile kühler sein, da sie über bessere thermische Verbindungen zu Leiterbahnen oder Füllmaterialien verfügen, die Wärme ableiten können, aber das Löten und Entlöten wird schwieriger.
#6 Überprüfen Sie Ihr Layout anhand der Designregeln
Nachdem das PCB-Layout fertiggestellt wurde, ist es wichtig, die elektrische Regelprüfung (ERC) und die Designregelprüfung (DRC) durchzuführen, um sicherzustellen, dass alle festgelegten Vorgaben erfüllt wurden. Damit lassen sich Lückenbreiten, Leiterbahnbreiten, allgemeine Fertigungsanforderungen, elektrische Anforderungen für hohe Geschwindigkeiten und andere physikalische Anforderungen für Ihre spezielle Anwendung einfach festlegen.
Die DRC-Prüfung ist das Programm innerhalb der EDA-Software, das für die Überprüfung des Designs anhand der in der Software definierten Regeln zuständig ist. Es ist die letzte Möglichkeit, Designprobleme zu erkennen, bevor der Herstellungsprozess beginnt.
Zu vermeidende Fehler beim PCB-Layout
Es gibt viele häufige Fehler, die Menschen bei der Erstellung von PCB-Designrichtlinien machen. Wenn Sie diese jedoch vermeiden, haben Sie viel bessere Chancen, ein Layout zu erstellen, das den Industriestandards entspricht, einfach zu montieren ist und eine geringe Ausfallwahrscheinlichkeit aufweist. Werfen wir einen Blick auf die häufigsten Fehler, die Menschen bei der Erstellung eines PCB-Layouts machen.
– Sich kreuzende Leiterbahnen – Einer der größten Fehler, den Menschen beim Entwerfen eines PCB-Layouts machen, ist das Kreuzen von Leiterbahnen. Dies sollten Sie unbedingt vermeiden. Wenn Sie eine Leiterbahn erstellen, die eine andere Leiterbahn kreuzt, kommt es zu einem Kurzschluss.
– Überlange Leiterbahnen – Sie sollten auch vermeiden, Leiterbahnen zu erstellen, die viel länger sind als nötig. Dies macht Ihr Layout weniger effizient und kann zu Problemen führen, wenn die Leiterbahn zu lang ist.
– Kurze, verteilte Leiterbahnen – Ein weiterer Fehler, den häufig gemacht wird, ist die Erstellung einer großen Anzahl kurzer Leiterbahnen, die so miteinander verbunden sind, dass sie eine „Insel” bilden. Dies ist ineffizient und kann zu Problemen führen.
– Fehlende Erdungsplatzierung – Sie sollten auch sicherstellen, dass Sie eine ordnungsgemäße Erdungsplatzierung in Ihrem Design haben. Dazu gehört, dass alle Netze mit der Erdungsfläche verbunden sind.
– Zu viele Stromebenen – Ein weiterer häufiger Fehler ist die Erstellung zu vieler Stromebenen. Dies ist besonders häufig bei High-End-Designs der Fall. Mehr Stromebenen erhöhen jedoch Ihre Kosten und die Komplexität.
Werkzeuge für PCB-Layout
Wie Sie sehen, ist die Erstellung eines erfolgreichen PCB-Layouts eine anspruchsvolle Aufgabe. Sie müssen viele verschiedene Faktoren berücksichtigen und wissen, wie Sie viele verschiedene Arten von Problemen lösen können. Außerdem benötigen Sie einige verschiedene Hilfsmittel. Hier sind einige der wichtigsten.
– Schaltplan – Der Schaltplan für Ihre Schaltung bestimmt, wie Ihr PCB-Layout aussehen wird. Wenn Sie den Schaltplan falsch erstellen, wird auch das PCB-Layout falsch. Sie müssen bei der Erstellung des Schaltplans sorgfältig vorgehen. Je komplizierter die Schaltung, desto schwieriger ist es, einen korrekten Schaltplan zu erstellen.
– CAD-System – Dies ist ein Verfahren zum Entwerfen von Leiterplatten. Der Umriss einer Leiterplatte wird entsprechend den Anforderungen angelegt. Verschiedene Symbole werden verwendet, um unterschiedliche Komponenten auf der Platine darzustellen. Der Umriss der Platine wird dann in eine CAM-Datei (Computer-Aided Manufacturing) umgewandelt. Die für diesen Zweck verwendete CAD-Software (Computer-Aided Design) kann CAM-Dateien importieren und exportieren.
Fazit
Die Erstellung eines effektiven Leiterplattenlayouts ist eine anspruchsvolle und komplizierte Aufgabe. Wenn Sie nicht sorgfältig vorgehen, können Sie viele Fehler machen und viel Zeit verschwenden. Wenn Sie jedoch diese Richtlinien für das PCB-Layout befolgen, können Sie ein solides Design erstellen. Ein Design, das einfach zu montieren ist und eine geringe Ausfallwahrscheinlichkeit aufweist.
Häufig gestellte Fragen
- Impedanzanpassung von Signalleitungen;
- Räumliche Isolierung von anderen Signalleitungen;
- Für digitale Hochfrequenzsignale eignen sich Differenzleitungen besser.
Nein, die Entkopplungskondensatoren müssen mit geeigneten Werten an geeigneten Stellen hinzugefügt werden. Außerdem müssen unterschiedliche Kapazitätswerte verwendet werden, um Störsignale unterschiedlicher Frequenzen herauszufiltern.
Blind-Vias können die Dichte von Mehrschichtplatinen erhöhen, die Anzahl der Schichten und die Platinengröße reduzieren und die Anzahl der durchkontaktierten Löcher erheblich verringern.
Im Vergleich dazu sind Durchkontaktierungen jedoch technologisch einfach zu realisieren und kostengünstiger, sodass in der Regel Durchkontaktierungen in Designs verwendet werden.
Die analogen Schaltungen und die digitalen Schaltungen sollten in getrennten Bereichen untergebracht werden, damit sie sich nicht gegenseitig beeinflussen.
Achten Sie beim Entwurf einer mehrschichtigen Leiterplatte darauf, dass keine schwebenden Masse- oder Stromflächen vorhanden sind, da sich die Strom- und Masseflächen auf der inneren Schicht befinden.
Stellen Sie außerdem sicher, dass die zum Boden gestanzten Durchkontaktierungen tatsächlich mit der Masseebene verbunden sind, damit für einige wichtige Signale Testpunkte hinzugefügt werden können, was für Messungen während der Fehlersuche praktisch ist.
