Überlegungen zum Design von Hochgeschwindigkeits-PCBs: Betrachtungen zur Form von Komponenten

<p dir="ltr"><img alt="Closeup of two IC chips" data-entity-type="file" data-entity-uuid="55882b91-abf1-455c-b771-5571556831ae" data-responsive-image-style="" src="/sites/default/files/inline-images/migrate/aHViPTY1NjQ2JmNtZD1pdGVtZWRpdG9yaW1hZ2UmZmlsZW5hbWU9aXRlbWVkaXRvcmltYWdlXzVhNGQzNmJkOTQ4MWYuanBnJnZlcnNpb249MDAwMCZzaWc9ZDNiYzdmOTk4ZWY5MmM1Y2FkMGRjNzFiMGQyODUxY2I%25253D" /></p>

<p dir="ltr">Beim Start eines Hochgeschwindigkeits-PCB-Designs gibt es viel zu bedenken, bevor das Design überhaupt in das Layout übergeht. <a href="https://resources.altium.com/p/high-speed-design-techniques-schematic-c…; rel="noopener" target="_blank">Schematische Organisation</a>, <a href="https://resources.altium.com/p/introduction-to-high-speed-pcb-designing…; rel="noopener" target="_blank">Platinenmaterialien</a> &amp; <a href="https://resources.altium.com/p/board-layer-stackup-considerations-for-h…; rel="noopener" target="_blank">Schichtkonfiguration</a>, kritische Bauteilplatzierung und wie Hochgeschwindigkeitssignale verlegt werden sollen, sind alles<a href="https://resources.altium.com/p/an-overview-of-the-high-speed-pcb-design…; rel="noopener" target="_blank"> Aspekte des Hochgeschwindigkeitsdesigns</a>, die geplant werden müssen.</p>

<p dir="ltr">Häufig gibt es einen Bereich, der nicht so viel Beachtung findet wie alles andere, und das sind die Bauteil-Fußabdruckformen. Die in einem Hochgeschwindigkeitsdesign verwendeten Komponenten unterscheiden sich physisch nicht von denen, die in einem herkömmlichen Design verwendet würden. Es gibt jedoch einige subtile Änderungen, die an den Pad- und Bauteil-Fußabdruckformen vorgenommen werden können, die Ihre Bemühungen bei der Erstellung eines Hochgeschwindigkeits-PCB-Designs unterstützen.</p>

<h2 dir="ltr"><a id="pad-shapes-for-high-speed-pcb-design">Pad-Formen für Hochgeschwindigkeits-PCB-Design</a></h2>

<p dir="ltr">Bei der Bewertung von Fußabdruckformen für die Verwendung im Hochgeschwindigkeitsdesign ist das erste zu berücksichtigende Element die Größe der Pad-Formen des Fußabdrucks. Manchmal als Landepads bezeichnet, sind diese Formen die blanken Metallpads, an die die Bauteilpins auf der fertigen PCB gelötet werden. Üblicherweise werden eine oder zwei Pad-Formen dupliziert, um eine gesamte Bauteil-Fußabdruckform zu erstellen.</p>

<p dir="ltr">Traditionell sind PCB-Pads etwa 30% größer als die Pins. Diese Größen werden für eine optimale Fertigung berechnet, um Probleme wie das "Tombstoning" zu vermeiden, bei dem diskrete Oberflächenmontage-Bauteile wie Kondensatoren und Widerstände auf einer Seite hochklappen. Diese optimalen Größen ermöglichen auch manuelle Nacharbeiten mit einem Handlötkolben und die visuelle Inspektion einer Lötstelle. Bei einem Hochgeschwindigkeitsdesign kann das zusätzliche Metall jedoch die<a href="https://www.analog.com/en/resources/analog-dialogue/articles/high-speed…; rel="noopener" target="_blank"> parasitäre Kapazität</a> erhöhen und die Verbindungslänge zwischen kritischen Komponenten verlängern.</p>

<p dir="ltr">Um den hohen Geschwindigkeitsanforderungen der Schaltung gerecht zu werden, sollte die Größe der Pads reduziert werden. Anstatt das Pad um 30% größer als die tatsächliche Pin-Größe zu dimensionieren, ist ein kleinerer Prozentsatz wie 5% vorteilhafter. Die kleinere Pad-Größe hilft, mögliche parasitäre Kapazitäten zu reduzieren. Ebenso können Verbindungslängen durch Verringern des Abstands zwischen den Komponenten gemindert werden. Diese Praxis ist auch attraktiv, da sie weniger Platinenplatz verwendet. Die Verwendung kleinerer Pad-Größen reduziert nicht deren mechanische Stärke, da die Kontaktfläche zwischen den Komponentenpins und der PCB gleich bleibt. Der Kompromiss liegt jedoch in der Herstellbarkeit der Platine. Kleinere Pad-Größen und engerer Abstand erhöhen die Herstellungskosten der Platine. Das Designteam muss die hohen Geschwindigkeitsanforderungen des Designs mit den Herstellbarkeitsanforderungen der Fertigung vor dem Layout der PCB abwägen.</p>

<p dir="ltr">Das Abrunden der Ecken der Pad-Formen ist eine weitere Verbesserung, die Ihrem Hochgeschwindigkeitsdesign zugutekommen wird. Abgerundete Ecken ermöglichen es Ihnen, Leiterbahnen näher an den Pads zu verlegen, was die Verbindungslängen verringert und hilft, die Größe der ausgelegten Schaltung zu kompaktieren.</p>

<p dir="ltr" style="text-align: center;"><small><img alt="Picture of dense motherboard layout" data-entity-type="file" data-entity-uuid="13c1802e-8bcd-4dd1-8500-ff742d473ed7" data-responsive-image-style="" src="/sites/default/files/inline-images/migrate/aHViPTY1NjQ2JmNtZD1pdGVtZWRpdG9yaW1hZ2UmZmlsZW5hbWU9aXRlbWVkaXRvcmltYWdlXzVhNGQzNmM3OWYyYTYuanBnJnZlcnNpb249MDAwMCZzaWc9MGVkOTA5NzA0OGNhMzhjZjNkMDlmY2M0MzRjNTFmMjM%25253D" /><br />
Verbesserungen an Pad- und Via-Formen könnten den Abstand bei hochdichten Designs unterstützen</small></p>

<h2 dir="ltr"><a id="via-shapes-need-consideration-as-well">Die Formen der Vias benötigen ebenfalls Beachtung</a></h2>

<p dir="ltr">Via-Löcher werden normalerweise nicht als eine Form von PCB-Komponenten betrachtet, aber da ihre Größe den Platz auf der Platine beeinflusst, müssen sie ebenfalls berücksichtigt werden. Außerdem muss jedes Metall auf der Platine, das Teil eines Hochgeschwindigkeitskreises ist, als Teil dieses Kreises angesehen werden. Leiterbahnlängen, Via-Größen und Via-Tiefen müssen alle in die Berechnungen für Hochgeschwindigkeitsschaltungen einbezogen werden.</p>

<p dir="ltr">Das Erste, was zu berücksichtigen ist, ist die Größe Ihrer Via-Formen. Die Größe einer Via-Form wird durch den Durchmesser des gebohrten Lochs bestimmt, und daher muss das Designteam vor dem Layout entscheiden, welche Via-Bohrgrößen benötigt werden. Kleinere Vias verbessern die Leistung von Hochgeschwindigkeitssignalen, erhöhen jedoch gleichzeitig die Herstellungskosten. Oft werden je nach den Anforderungen des Schaltkreises oder ob die Vias Strom oder Masse leiten, unterschiedlich große Vias verwendet.</p>

<p dir="ltr">Nachdem die Via-Größen festgelegt wurden, ist das Nächste, was betrachtet werden muss, ihre Platzierung in Beziehung zu den Komponentenpads. Konventionell werden in Nicht-Hochgeschwindigkeitsdesigns die Vias vom Komponentenpad weggezogen, um einen optimalen Pad-zu-Via-Abstand für Herstellungszwecke zu gewährleisten. Das Pad wird dann mit einer Leiterbahn mit dem Via verbunden. Diese Verbindungslängen könnten jedoch für ein Hochgeschwindigkeitsdesign zu lang sein.</p>

<p dir="ltr">Um die Verbindungslänge zu verkürzen, kann die Durchkontaktierung näher an das Pad platziert werden, teilweise auf dem Pad oder sogar vollständig innerhalb des Pads. Das Platzieren von Durchkontaktierungen auf diese Weise kann unterschiedliche CAD-Einstellungen und DRC-Anpassungen erfordern oder sogar die Einbeziehung einer Durchkontaktierungsform in eine Padform. Es ist auch eine<a href="https://d2pgu9s4sfmw1s.cloudfront.net/UAM/Prod/Done/a062E00001d7fGQQAY/…; rel="noopener" target="_blank"> gute Praxis</a>, kurze breite Leiterbahnen zu verwenden, um ein Entkopplungskondensator-Pad mit einer Durchkontaktierung zu verbinden.</p>

<p dir="ltr" style="text-align: center;"><small><img alt="Picture of parts on a circuit board" data-entity-type="file" data-entity-uuid="e13b1f18-4a24-4d09-a94e-a9f9b3a5cd6c" data-responsive-image-style="" src="/sites/default/files/inline-images/migrate/aHViPTY1NjQ2JmNtZD1pdGVtZWRpdG9yaW1hZ2UmZmlsZW5hbWU9aXRlbWVkaXRvcmltYWdlXzVhNGQzNmQwYjg4ZjMuanBnJnZlcnNpb249MDAwMCZzaWc9M2U1Mjk3YmY3Y2JkN2MzOGQwOTBmNTIzN2NmMDY3ODY%25253D" /><br />
Komponenten für Hochgeschwindigkeitsdesigns sollten hinsichtlich des besten Gehäuses für die Schaltung</small></p>

<h2 dir="ltr"><a id="component-selection-and-placement">evaluiert werden. Komponentenauswahl und -platzierung</a></h2>

<p dir="ltr">Es gibt auch einige Optionen für Komponenten-Footprints zu berücksichtigen. Sockel können mit einer Induktivität verbunden sein. Daher ist es eine gute Praxis, den Einsatz von Sockeln in einem Hochgeschwindigkeitsdesign zu eliminieren oder zu minimieren. Die Auswahl des richtigen Gehäuses und des dazugehörigen Komponenten-Footprints ist ebenfalls wichtig. Einige Geräte, wie Operationsverstärker, werden typischerweise<a href="https://www.analog.com/en/resources/analog-dialogue/articles/high-speed…; rel="noopener" target="_blank"> in verschiedenen Gehäusen angeboten</a>. Eine Variante eines Operationsverstärkers kann kürzere Leiterbahnlängen in einer Schaltung ermöglichen als eine andere. Zuletzt müssen möglicherweise die Formen der Komponenten-Footprints für thermische Überlegungen angepasst werden. Eine ausgezeichnete Methode zur Wärmeableitung besteht darin, Power-Pads direkt unter IC-Footprint-Formen zu platzieren, die mit einer internen Ebene verbunden sind.</p>

<p dir="ltr">Leiterplatten-Fußabdrücke und Pad-Formen können bei der Erstellung Ihres Hochgeschwindigkeits-Leiterplattendesigns helfen. Selbst die kleinste Änderung könnte Ihnen helfen, die Verdrahtung zu straffen und die Verbindungslängen zu verringern oder sogar Probleme durch parasitäre Induktivität oder Hochgeschwindigkeitsthermieprobleme zu reduzieren.</p>

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