PCB-Design und CAD-Software: Wissen, was Ihre Entwürfe bestimmt

Ab und zu wird der Ausdruck „Rechtsstaatlichkeit“ Teil von Gesprächen darüber, wie Länder regiert werden. Zurückgehend bis zur Magna Carta des 13. Jahrhunderts, spricht die „Rechtsstaatlichkeit“ über die Entwicklung friedlicher und gerechter Gesellschaften – und die Notwendigkeit grundlegender Menschenrechte. Personen, die unter der „Rechtsstaatlichkeit“ leben, genießen

• Gleichheit vor dem Gesetz
• Die Transparenz des Gesetzes
• Eine unabhängige Justiz und
• Zugang zu rechtlichen Abhilfemaßnahmen.

Ohne Regeln für die Regierungsführung würden wir einen Mangel an Konsistenz erleben, der zu Chaos führt. Das Gleiche gilt für das PCB-Design. Ohne ein solides Fundament aus elektrischen und Designregeln würde der Wahnsinn digitaler und analoger Signale, die mit unterschiedlichen Frequenzen arbeiten, zu Lärm werden. Eine Welt voller lärmender Schaltkreise wäre weniger erfreulich, wenn intelligente Geschirrspüler in 9 von 10 Haushalten Signale aussenden, die von Spionagesatelliten erkannt werden.

Wenn wir CAD-Software verwenden, um PCBs zu entwerfen, regieren elektrische Regeln den Layoutprozess der Platine. Zum Beispiel müssen Sie nach dem Platzieren Ihrer Komponenten die Strom-, Masse- und Signalleitungen so verlegen, dass die Leitungen dem Schaltplan entsprechen und um sicherzustellen, dass das Design die Integrität der Signale, RF und EMC Designregeln beachtet.

Es liegt Elektrizität in der Luft

Während es einige Regeln gibt, die überall offensichtlich sind, ist es möglicherweise nicht so anwendbar, dass Ihre PCB-Designs eine Geschwindigkeitsbegrenzung einhalten, während Sie um Ihren Computer herumstehen. Zu den gängigen elektrischen Regeln für PCBs gehören:

• Abstand
• Kurzschlüsse
• Unverlegtes Netz
• Unverbundener Pin
• Ungefülltes Polygon

Abstand: Ohne den korrekten Abstand zwischen PCB-Leiterbahnen kann es zu einem Überschlag kommen. Abstand definiert den minimal zulässigen Abstand zwischen zwei Objekten auf einer Kupferschicht. In den Vereinigten Staaten gibt der Standard UL 60950-1 den minimal zulässigen PCB-Abstand für batteriebetriebene und mit Wechselstrom betriebene Informationstechnologiegeräte vor. Tabellen in der Standarddokumentation spezifizieren die Abstandsmaße für Leiterbahnen in Bezug auf die Arbeitsspannung, den Verschmutzungsgrad, die PCB-Materialgruppe und die Beschichtung.

Kurzschlüsse: Die Erhöhung der Komponentendichte bei einem PCB-Design schafft die Umgebung für einen Kurzschluss. Oft versuchen Entwürfe, Probleme mit der Dichte durch die Verwendung kleinerer Komponentenpads zu begegnen. Die geringe Entfernung zwischen den kleineren Pads kann jedoch die Bildung von Lötbrücken ermöglichen. Die Verwendung kleinerer Pads führt auch zu Problemen bei der Leiterbahnenführung, die wiederum Verbindungen überfüllen und Lötstellen beeinträchtigen. Eine dieser Bedingungen kann die Umgebung für einen Kurzschluss schaffen.

Es gibt eine Reihe von Gesetzen, die für Spannung und Strom wichtig sind.

Unverdrahtetes Netz: Nachdem der Platinenumriss erstellt wurde, geht der PCB-Designprozess zur Bauteilplatzierung und zur Konfiguration der Footprints für Designgeräte über. Die Pins jedes platzierten Teils müssen verbunden werden, bevor wir das Design als abgeschlossen betrachten können. Unsere PCB-Designwerkzeuge stellen jede Verbindung zwischen Teilen mit einem Draht dar.

Ein Netz umfasst die gesamte Kette von Punkten, Komponentenlandungen und Durchkontaktierungen vom ersten Quellpunkt bis zum letzten Quellpunkt. Verschiedene Netze haben unterschiedliche Breiten aufgrund der Notwendigkeit, verschiedene Strommengen zu tragen.

Das Netz dient als Designanleitung, die uns sagt, dass zwei Pins verbunden werden müssen. Mit dem etablierten Netz geht es in der nächsten Phase des Platinendesigns um das Verlegen der Netzverbindungen zwischen den Bauteilen. Der Routing-Prozess wandelt Netzverbindungen in Kupferbahnen um, die die Bauteile physisch in dem PCB-Prototyp verbinden.

Ein geroutetes Netz hat alle Komponentenpads durch Bahnen, Bögen, Pads, Vias und Polygone verbunden. Ein nicht geroutetes Netz repräsentiert schlechte Verbindungen, mangelhafte Verbindungen oder unvollständige Verbindungen innerhalb des Netzes. Eine Bahn, die nur leicht ein Via berührt, wird einen Fehler für ein nicht geroutetes Netz verursachen.

Unverbundener Pin: Die Regel für unverbundene Pins fügt der Gesamtprüfung auf schlechte oder unvollständige Verbindungen Redundanz hinzu. Ein unverbundener Pin hat kein zugewiesenes Netz oder verbundene Bahnen. Überprüfen Sie beim Design Ihrer PCB auf unverbundene Pins auf der Schaltungsebene. Wenn das Design absichtlich den Pin unverbunden lässt, markieren Sie den Pin als „No ERC.“

Ungefülltes Polygon: Polygonfüllungen balancieren symmetrisch die Kupferverteilung auf Mehrschicht-PCBs aus. Dadurch wird die Platine weniger anfällig für Verwerfungen, Biegungen und Verdrehungen während des Herstellungsprozesses. Eine gute Kupferbalance hat gleichmäßig verteilte Bahnen innerhalb jeder Schicht über die PCB. Das Füllen offener Bereiche mit Kupfer gleicht das Kupfer in der gegenüberliegenden Schicht aus und sorgt für Symmetrie.

Wenn die Kupferverteilung asymmetrisch wird, können thermische Belastungen, die durch Heißluftnivellierung, Wellenlöten oder Wärmeentwicklung beim Reflow entstehen, zu einer Verformung der PCB führen. Eine gebogene Platine verformt sich sphärisch, wobei die vier Ecken der Platine in einer einzigen Ebene liegen. Verdrehungen der Platine verformen sich diagonal und verursachen, dass eine der PCB-Ecken außerhalb der Ebene der drei verbleibenden Ecken liegt.

Stellen Sie sicher, dass Sie eine angemessene und notwendige Symmetrie haben, um die Designanforderungen zu erfüllen

Elektrische Regelprüfungen bringen alles zusammen

PCB-CAD-Software verwendet eine elektrische Regelprüfung (ERC), um die Genauigkeit des Schaltplans zu überprüfen und sicherzustellen, dass Ihr Design alle festgelegten Einschränkungen erfüllt. Das Erkennen eines Regelverstoßes im Schaltplan ermöglicht es Ihnen, den Fehler zu korrigieren, bevor der Prozess vom Schaltplan zum Platinenlayout übergeht. Zum Beispiel testet die elektrische Regelprüfung für Kurzschlüsse auf einen Kurzschluss zwischen Objekten, die sich auf den Signal- und Ebenenlagen befinden.

Mit einer leistungsstarken PCB-CAD-Software haben Sie die Flexibilität, das ERC-Berichtsniveau mit Bussen, Codesymbolen, Komponenten, Kabelbäumen, Netzen und Parametern zu verknüpfen. Aufgrund dieser Flexibilität können Sie Spaltbreiten, Leiterbahnbreiten und die Verlegung jedes Signals überprüfen. Für diese Softwarefähigkeiten schauen Sie sich Altium Designer an.

Wenn Sie mit jemandem weiter über Designregeln und bewährte Verfahren sprechen möchten, sprechen Sie heute mit einem Experten bei Altium.