Wie Bauteilplatzierung und Routing Ihr PCB vor elektrostatischen Entladungen schützen

Ich organisiere gewisse Dinge mit einem Besorgnis erregendem Maß an Neurotizismus. Während meiner Zeit an der Uni gab es eine klare Grenze zwischen meiner Seite des Arbeitstisches und dem Berg von Probengefäßen und Papieren, der sich auf der Seite meines Tischnachbarn zu stapeln begann. Auch wenn diese Tendenz für meine Tischnachbarn und Lebensgefährten lästig sein kann (zumal sie nicht für das Badezimmer gilt), ist es genau das, was mich zu zu einem Ass bei der Optimierung der Bauteilplatzierung auf PCBs macht. Diese Angewohnheit sorgt nicht nur für Ordnung, sondern verbessert zudem den Schutz der gesamten Leiterplatte vor elektrostatischen Entladungen (auch ESDs genannt).

Eine gute Bauteilplatzierung wirkt sich offensichtlich auf das Routing der Leiterplatte aus. Ihr Routing bestimmt also, wie sich die Effekte etwaiger elektrostatischer Entladungen auf Ihrem PCB und bis in Ihre sensiblen oder ungeschützten Bauteile hinein verbreiten werden. Bezüglich der Anordnung Ihrer Bauteile gibt es einige grundlegende Richtlinien, die Ihnen bei der Verbesserung Ihres Routings helfen und damit zu einem besseren Schutz Ihres PCB und Ihrer integrierten Schaltungen beitragen.

Platzieren Sie die Bauteile am sichersten Ort

Manchmal können Sie aufgrund der gegebenen Designvorgaben nicht für alle Ihre empfindlichen Bauteile Schutzschaltungen verwenden. In diesem Fall können Sie aber bestimmte Maßnahmen ergreifen, um die Überlebenschancen dieser integrierten Schaltungen zu verbessern.

Ungeschützte Schaltungen sollten entfernt von den Leiterbahnen zwischen einer TVS-Schutzschaltung und einem Steckverbindereingang oder anderen Orten platziert werden, wo elektrostatische Entladungen zu erwarten sind. So minimieren Sie das Risiko, das entsprechende Bauteil einem Strom auszusetzen, der auf sich schnell verändernde elektromagnetische Felder infolge eines ESD-Impulses zurückzuführen ist.

^{Eine durchdachte Bauteilplatzierung kann dabei helfen, Ihre integrierten Schaltungen vor elektrostatischen Entladungen zu schützen – auch, wenn Sie sie nicht an eine geschützte Leitung anschließen können.}

Auch Bauteile, die an eine geschützte Leitung angeschlossen sind, können von etwas Voraussicht bei ihrer Platzierung profitieren. Sensible Bauteile, die sich an einer geschützten Leitung befinden, sollten nahe der Leiterplattenmitte platziert werden. Dies hilft, die parasitäre Induktivität für eine optimale Leistung der Schutzschaltung auszugleichen.

Minimierung der Leitungslängen

Lange Leiterbahnen und Kabel verhalten sich wie kleine Antennen. Sie können als Sender und Empfänger für unbeabsichtigte Emissionen wirken. Falls es zu einem ESD-Impuls kommt, können diese Elemente „Outputs“ aus einer Spannungsspitze empfangen und diese über ihre gesamte Länge übertragen.

Einer der einfachsten Schritte zur Minimierung der Leitungslänge ist es, sämtliche Bauteile mit vielen Verbindungen nah beieinander zu platzieren. Dies hilft Ihnen, die Länge und hoffentlich auch die Anzahl der verbindenden Leitungen zu minimieren. Gute Organisatoren wissen, dass man Gleiches zu Gleichem stellt.

Ich weiß, dass ich das bereits erwähnt habe, aber achten Sie darauf, die Größe von Leiterschleifen zu minimieren. Schleifen, die sich über eine große Fläche erstrecken, erhöhen den Anteil Ihrer Leiterplatte, der elektromagnetischen Störungen aufgrund von ESD-Impulsen ausgesetzt ist. Das kann alle von Ihnen implementierten Schutzmaßnahmen zunichte machen und ist deshalb wirklich ungünstig. Und wenn Sie schon einmal dabei sind: Verwenden Sie eine zweckmäßige Massefläche.

Denken Sie an die Kanten

Vielleicht sind Sie ein Rebell und stellen im Buchregal Bücher zu unterschiedlichsten Themen nebeneinander auf. Seien Sie jedoch gewarnt: Ihre zügellose Missachtung von Ordnungsprinzipien kann gravierende Auswirkungen auf Ihr PCB haben – und zwar dann, wenn Sie Leiterbahnen für unterschiedliche Signale einfach dort belassen, wo sie der Autorouter positioniert.

Lassen Sie keine sensiblen Leitungen entlang des Rands der Leiterplatte verlaufen. Dies gilt besonders für Versorgungsleitungen. Ihr Ziel sollte es sein, die von diesen Leitungen ausgehende Strahlung sowie deren Exposition gegenüber Übersprech-Effekten anderer Leitungen zu minimieren. Dabei ist es ganz egal, ob es sich um ein rauschendes Signal oder eine ESD-bedingte Störgröße handelt. Rauschende Leitungen abseits von allem zu platzieren, was in irgendeiner Weise sensibel ist, gilt in jedem Fall als gute Designpraxis.

^{In keinem Fall möchten Sie, dass ein durch die Handhabung Ihrer Leiterplatte entstandener ESD-Impuls direkt in Ihre sensibelsten Bauteile gelangt.}

Ein PCB-Layout richtig zu gestalten, kann sich als extrem mühsam erweisen. Die Verwendung der richtigen PCB-Tools wie z. B. der durchgängigen Designumgebung von Altium kann den Unterschied zwischen einer ordentlichen, funktionierenden Leiterplatte mit gutem Schutz und einem Routing-Gewirr sein, das Sie um den Schlaf bringt. Solche Tools können Ihnen helfen, direkt loszulegen, sodass Sie mehr Zeit für alles andere haben.

Haben Sie noch Fragen zur Bauteilplatzierung? Dann kontaktieren Sie einen Experten bei Altium.