In 7 Schritten zur perfekten Bauteilplatzierung

• Gibt es ein Schema oder ein Kochrezept das für die Bauteilplatzierung verwendet werden kann?

• Wie geht man am Besten vor, wenn man eine; HDI-Leiterplatteentflechten möchte?

• Womit fange ich bei der Platzierung meiner Komponenten an?

• Reicht mir der Platz für die Bauteilanordnung aus?

Die folgenden Schritte sind mein persönliches Kochrezept, dass ich mir über die letzten Jahre selbst angeeignet habe. Durch zahlreiche Projekte konnte ich diese Vorgehensweise immer weiter verfeinern. Sicherlich gibt es auch noch andere Vorgehensweisen welche ebenfalls zu sehr guten Ergebnissen führen. In diesem Blogartikel möchte ich meine Vorgehensweise mit euch teilen und hoffe ihr könnt davon etwas für euren Arbeitsalltag mitnehmen. Für Fragen und Anregungen stehe ich gerne zur Verfügung, ich freue mich über einen aktiven Austausch mit euch. Nun geht’s aber los mit Schritt 1 dieses Artikels.

Schritt 1 - Platzierung beginnt im Schaltplan!

Ein gute Platzierung beginnt bereits bei der Anordnung der Komponenten im Schaltplan. Genauer gesagt eigentlich bereits einen Schritt früher, nämlich bei der Anlage der Bauteile in der Bibliothek in Form von Schaltplan-Symbolen.

Wer hier bereits den Signalfluss seiner Komponenten mit berücksichtigen kann und beispielsweise Ein- und Ausgänge links und rechts von seinem Bauteil-Symbol platziert, erhöht die Lesbarkeit des Schaltplans enorm.

Biespielsweise bei Pins die extern beschaltet werden müssen, kann hier bereits der Platz für die notwendigen Bauteile bei der Symbol-Erstellung berücksichtigt werden. Somit können Sie bereits während der Schaltplanerstellung den Ort der Platzierung im späteren Layout über den Schaltplan andeuten. Ich mach das oft so, dass ich mir ein Symbol eines Bauteils zeichne und es dann erstmal im Schaltplan platziere. Sobald ich dann die externe Beschaltung der Komponente durchgehe, modifiziere ich die Anordnung der Pins, so dass das Bauteil-Symbol ideal zur externen Beschaltung passt. Diesen Vorgang wiederhole ich teilweise mehrere male. Somit wird sichergestellt, dass der Schaltplan übersichtlich und sauber strukturiert bleibt.

Für den Layouter wird durch diese Vorgehensweise schnell klar wohin er welche Bauteile zu platzieren hat. Er kann hierbei durch die Platzierung im Schaltplan bereits erkennen was sich der Schaltungsentwickler dabei gedacht hat und weiß daraus, wie die Bauteile anzuordnen sind.

Der Schaltplan-Entwickler kann bei der Erstellung des Schaltplans über die Anordnung im Layout bestimmen. Bauteile die im Schaltplan in unmittelbarer Nähe der Pins platziert sind, müssen vom Layouter idealerweise direkt an den Pads des Footprints platziert werden. Diese Vorgehensweise eignet sich z.B. in Bereichen der Spannungsversorgung bei Puffer- oder Blockkondensatoren ebenso bei Mess- oder Terminierungswiderständen. Reicht die Anordnung alleine nicht aus, so hilft oft auch eine kleine Notiz, damit Missverständnisse vermieden werden können. Der Altium Designer bietet hierzu die Möglichkeit sogenannte Design-Notes im Schaltplan zu platzieren. Dadurch können kurze Anmerkungen zu Schaltungsteilen ergänzt werden. Die Folgende Animation zeigt wie es geht.

Schritt 3 - Anordnung der Funktionsgruppen

Um sich weiterhin einen Überblick zu verschaffen, ordne ich bei meiner Vorgehensweise zunächst die Funktionsgruppen rund um die Platine herum an. Hierbei gehe ich sukzessive durch die einzelnen Schaltplanseiten und beginne immer mit dem größten Bauteil und hangle mich so bis zur externen Beschaltung durch.

Außerhalb der Platinen-Geometrie lassen sich die Bauteile ideal anordnen, da ich hierbei ohne Rücksicht auf die Board Geometrie oder andere Bauteile die Anordnung machen kann. Räumlich gesehn gibt es dadurch keine Beschränkungen und ich kann mich auf das konzentrieren was mir die Design Guides vorgeben. Es ergibt sich somit die bestmöglichste Platzierungs-Variante die man mit den vorhandenen Bauteilen umsetzen kann. Hierbei achte ich bereits darauf, wie ich die Komponenten elektrisch sinnvoll zueinander anordne, so dass sie in ihrer Funktionsgruppe auch den tatsächlichen Zweck erfüllen. Alle Einflüsse Richtung Signalintegrität, Spannungsversorgung und EMV können unter diesen Umständen berücksichtigt werden und man hat zunächst eine ideale Anordnung von der man ausgehen kann. So werden beispielsweise Puffer- oder Stützkondensatoren bereits sehr nah um die zu versorgenden Bauteile herum platziert. Auch Bauteile die auf der gegenüberliegenden Bestückseite platziert werden müssen sehe ich hierbei bereits vor. Und je nachdem welche Via-Technologie zum Einsatz kommt, berücksichtige ich die Größe der Vias während der Anordnung.

Wenn Schritt 3 fertiggestellt ist, finden sich kleinere Funktionsbaugruppen um die Platine herum angeordnet, die in sich ideal angeordnet wurden.

Im späteren Verlauf der Platzierung kommt dann der Punkt, an dem man Kompromisse eingehen muss. Nicht alles lässt sich bei geringem Platzangebot immer ideal platzieren.

Viele Faktoren wie beispielsweise die Befestigung, die Platinen-Kontur und die Einbausituation sowie der generelle Platzbedarf& der Baugruppe fordern in der Regel Kompromisse was die Bauteilanordnung betrifft. Des weiteren sind Aspekte hinsichtlich Spannungsversorgung und Wärmemanagement zu berücksichtigen. All diese Themen machen das ganze Projekt zu einem ziemlich großen Kompromiss aus verschiedenen Einflussfaktoren. Selbiges gilt logischerweise für die Platzierung im Projekt.

Bei einfachen Konturen kann das durchaus im Tool selbst realisiert werden. Wird die Situation jedoch komplexer und Sie benötigen ggf. Unterstützung von den MCAD-Kollegen um Ihre Platinen-Geometrie zu zeichnen, so können Sie mit Hilfe des Altium Designers Ihre Board Geometrie anhand eines Step-Files einlesen. Wie das funktioniert, erfahren Sie im folgenden Video.

In diesem Schritt sollten außerdem alle Befestigungsmöglichkeiten geklärt werden. Montage-Bohrungen, SMD-Abstandshalter, Verpressungen, Führungsstege, Langlöcher und alles was sonst noch so an “mechanischen Komponenten” Platz auf der eigentlichen Platine benötigt oder deren Kontur beeinflusst, sollte Ihnen bekannt sein. Am Ende von Schritt 4 wissen sie wie Ihre Platine aussieht und wenn das projekt es zulässt schon ziemlich detailliert.

Schritt 5 - Berücksichtigung von Lagenaufbau und Via-Technologie

Was hat der Lagenaufbau mit der Anordnung der Bauteile auf der Platine zu tun? Der Lagenaufbau entscheidet über die Leiterbahnführung und darüber welche Signale auf welchem Layer geroutet werden können. Bereits während der Platzierungsphase sollten Sie berücksichtigen, wo später größere Signalpfade geroutet werden. Sie müssen also wissen, handelt es sich bei Ihrem Design um einen 4-Lagen-Aufbau oder haben Sie vielleicht doch 6 oder sogar 8 Lagen zur Verfügung. Dementsprechend können Sie berücksichtigen, wo welche Signale entflochten werden können. Es macht definitiv Sinn, sich das Ganze im Vorfeld einmal bildlich darzustellen, indem Sie beispielsweise die Signalpfade und deren Verlauf aufzeichnen. Somit wird schnell ersichtlich, wie viel Signallagen Sie für das Entflechten der Leiterplatte benötigen. Hinzu kommt die Anzahl an verwendeter Spannungen in ihrem Design. Je mehr unterschiedliche Spannungspegel benötigt werden, desto höher ist im Normalfall auch die Lagenanzahl. Und je nach Art der Spannung und deren Verwendung ob Core-Spannung oder IO-Spannung, kommt es eben zur Verwendung einer Powerplane. Oftmals wird leider gerade hier gespart und es werden alternativ Split-Planes verwendet.

 

Nicht nur der Lagenaufbau sondern auch die damit einhergehende verwendete Via-Technologie hat maßgeblichen Einfluss auf die Platzierung der Bauelemente. Beispielsweise bei low cost Anforderungen werden oft ausschließlich Durchgangs-Vias (THT-VIAS) verwendet. In diesem Anwendungsfall müssen Sie die Positionen der Vias bereits bei der Bauteilplatzierung berücksichtigen. Mit ein bisschen Übung hat man das irgendwann raus, was man für die Vias einplanen muss. Bei kritischen Vias wie beispielsweise Spannungsversorgungs-Knotenpunkte, Spannungsversorgungs-Vias von Prozessor/Controller oder Rückstrom Pfade hochfrequenter Signale, sehe ich bereits während der Platzierung die entsprechenden Vias vor. Wie eine Art Platzhalter bis zum finalen Routing. Es ist wichtig diese Vias frühzeitig zu platzieren, da Sie sich eventuell sonst selbst den Platz verbauen.

Wenn Sie in Ihrem Design jedoch die Möglichkeit haben, auf Via-Technologien wie beispielsweise die Buried oder Blind-Vias zurückzugreifen, dann kann es bei der Platzierung ein bisschen entspannter zugehen. Es besteht dann die Möglichkeit, Bauteile näher aneinander zu schieben und es wird dann nur noch unterschieden, ob die Vias sich innerhalb oder außerhalb eines Bauteil-Pads befinden. Sobald sich die MicroVias innerhalb des Pads befinden, haben Sie die Möglichkeit sehr kompakt zu platzieren.

Schritt 6 - Platzierung der Key-Bauelemente

Nachdem nun alle Rahmenbedingungen festgelegt sind und die Funktionsgruppen sinnvoll um die Platinenkontur angeordnet wurden, kann nun mit der Platzierung der Key-Bauelemente begonnen werden. Die folgenden Gesichtspunkte gilt es bei der Positionsfestlegung der Schlüssel-Bauelemente zu berücksichtigen:

• Signalfluss/ Entflechtung/ Leiterbahnführung/ Spannungsversorgung

• Einbausituation/ Bedienung/ Gehäusemontage

• Thermische Anbindung/ Wärmespreizung/ Thermomanagement/ Konvektion

• Fertigbarkeit/ Bestück- und Lötbarkeit

Bei der Platzierung der Schlüssel Bauelemente positioniere ich zunächst die Bauteile deren Position mehr oder weniger vorgegeben wird. Das kann beispielsweise das Steckverbinder Interface zu einer weiteren Platine sein oder aber auch der Kurzhubtaster für die Bedienung der Baugruppe. Für Bauteile wie einzelne IC’s, wie Prozessor oder Microcontroller, hat man in der Regel mehr Spielraum für die Positionsbestimmung. Hierbei spielt dann beispielsweise die thermische Anbindung eine weitaus wichtigere Rolle als die exakte Position auf der Platine. Diesbezüglich muss man sich mit dem Gehäusekonstrukteur abstimmen.

Schlussendlich entscheidet die Art des Bauteils und die Art und Weise wie es bei Ihnen in der Baugruppe eingesetzt wird, für die exakte Positionsbestimmung. Wenn die Key-Bauteile fixiert sind, überlege ich mir im nächsten Schritt wie die Spannungsversorgung für die Key-Components sinnvoll platziert werden kann. Alle relevanten Regler werden entsprechend den Anforderungen angeordnet. Durch die zuvor bereits vorplatzierten Funktionsgruppen, kann ich so schnell agieren und verschiedene Konstellationen ausprobieren bis sich der bestmöglichste Kompromiss für mich herauskristallisiert hat.

Schritt 7 - Finale Anordnung

Für die finale Positionierung gilt es, alles was an Bauteilen neben den Key-Components noch übrig ist, auf der Platine unterzubringen. Je nach vorhandener Platinenfläche kann das nochmal ein richtiger Aufwand bedeuten. Es entscheidet letztendlich der im Projekt vorhandene Bauraum und die Auswahl der Komponenten darüber, wie kompakt platziert werden muss. Zeitaufwand und damit einhergehende Kosten steigen in den meisten Fällen , sobald die Baugruppen kompakt werden und man von HDI spricht. Hinsichtlich der Platzierung müssen dann die einzelnen Funktionsgruppen so ineinander verschachtelt werden, dass zum Einen sichergestellt ist, dass die Funktion erhalten bleibt und zum Anderen schließlich, dass die Bauteile ein Platz auf dem PCB finden.

Für die finale Platzierung gehe ich bei meinen Projekten in der Regel wie folgt vor:

1. Sicherstellen dass die größten Bauteile eine fixe Position haben an der sie auch im Tool gelockt wurden. Wenn es möglich ist achte ich darauf, dass die Bauteile auf eine gerades Maß in Abhängigkeit zum Ursprung gesetzt werden.

2. Sicherstellen, dass die Spannungsversorgung für die großen Key-Komponenten berücksichtigt wurde.

• kompaktes Design bei Reglern

• kurze Signal- und Routing Pfade

• keine unnötigen Schleifen

• spannungsführende Vias bereits vorsehen

• fixe Gebilde ggf. bereits Routen

• Kondensatoren nach Hersteller-Vorgaben positionieren

3. Grobes Routing von wichtigen Signalen, sollten sie auf der Bestückseite geroutet werden müssen. Somit wird sichergestellt, dass später auch der Platz dafür vorhanden ist. Es muss noch nicht perfekt sein, jedoch sollte es berücksichtigt werden. Dies gilt besonders für schnellere oder störanfällige Signale.

4. Anhand der einzelnen Schaltplanseiten, die ja wie bereits zuvor beschrieben meine Funktionsgruppen abbilden, hangle ich mich nun wieder schrittweise durch den Schaltplan und platziere das “Hühnerfutter” um die Key-Elemente herum im Detail.

Hierbei kommt es oft vor, dass ich bereits fertige Schaltungs-Segmente, von denen ich abschätzen kann dass sie nicht mehr abgeändert werden müssen, bereits final route.

5. Zuletzt bleibt dann noch das eigentliche Routing. Solange ich mir mit der Platzierung nicht sicher bin, zögere ich diesen Schritt hinaus. Gerade Anfänger neigen oft dazu, hier zu schnell zum Routing überzugehen. Muss dann nochmal umpositioniert werden, ist das meist eine größere Hürde.

Fazit

Die Platzierung ist und bleibt ein sehr iterativer Prozess. Ein Schritt vor - zwei Schritte zurück. Ganz so schlimm ist es nicht, aber es geht ein bisschen in diese Richtung. Sie nähern sich Schrittweise der finalen Platzierung an, bis Sie für Ihr empfinden das bestmöglichste Gesamtergebnis herausgeholt haben. Das ganze bleibt immer eine riesiger Kompromiss der verschiedenen Anforderungen. Im Folgenden nochmal kurz die wichtigsten Punkte für die Vorgehensweise zu einer Platzierung, die für mich immer gut funktioniert hat:

• im Schaltplan bereits sinnvoll anordnen

• grobe Vorplatzierung in funktionalen Gruppen

• Rahmenbedingungen frühzeitig klären (Lagenaufbau, Via-Technologie, Befestigung, Enflechtungsstratgie, PCB-Geometrie)

• Platzierung der Key-Bauelemente

• finale Anordnung