Prüfliste für das PCB-Design

In den verschiedenen Unternehmen und Organisationen, für die ich gearbeitet habe, gab es eine breite Palette von Verfahren zur Überprüfung und Genehmigung eines PCB-Designs für die Produktion. Bei einigen der kleineren Unternehmen beschränkte sich dies oft auf einen schnellen Blick auf die Platine, um zu sehen, ob es irgendwelche offensichtlichen Fehler gibt, und vielleicht, wenn sich der Prüfer erinnert, das Ausführen eines Designregelprüfberichts. Selbst in größeren Organisationen gab es einen deutlichen Mangel an Verfahren und Konsistenz, oft weil einfach nie genug Zeit war, ein Verfahren bei dem Arbeitstempo und den Arbeitslastniveaus aller relevanten Mitarbeiter zu erstellen.

Wir alle wissen, wie wichtig es ist, eine Platine auf Probleme zu überprüfen, bevor man mit der Produktion oder dem Prototyping fortfährt. Egal, wie viel Mühe man in das Design steckt, unweigerlich rutscht etwas durch die Lücken. Wenn man keine robuste Liste von Punkten hat, die man vor dem Versenden der Design-Dateien anschauen sollte, könnten diese Probleme immer noch zum Platinenhersteller oder -monteur durchrutschen.

Da wir immer unter hohen Arbeitsbelastungen und dem Druck stehen, Dinge zu erledigen, kann es schwierig sein, die Zeit zu finden, um ein Verfahren oder einen Prozess für die Überprüfung Ihres Board-Designs zu erstellen, wie ich oben erwähnt habe. Daher werde ich in diesem Artikel nicht über die Übel sprechen, die entstehen, wenn man Board-Designs nicht überprüft. Stattdessen werde ich Ihnen das Leben leichter machen, indem ich eine umfangreiche PCB-Checkliste bereitstelle, die Sie entweder anpassen oder direkt für die Überprüfung jedes Board-Designs verwenden können. Je nach Ihrem Board und den darauf verwendeten Technologien sind einige Punkte auf dieser Liste möglicherweise nicht relevant - oder es fehlen möglicherweise Punkte. Obwohl diese Liste relativ umfangreich ist, ist sie nicht erschöpfend, da ich beabsichtigt habe, dass sie der Ausgangspunkt für Ihren eigenen Prozess ist. Hoffentlich erspart Ihnen das, Stunden damit zu verbringen, Ihre eigene PCB-Qualitätscheckliste von Grund auf neu zu erstellen, und Sie benötigen nur ein paar Minuten, um bei der Durchsicht meiner Liste weitere Punkte hinzuzufügen, an die Sie denken. Beachten Sie, dass einige Punkte in mehreren Kategorien mit unterschiedlichen Formulierungen wiederholt werden, weil sie wichtig sind. Jede Phase Ihrer PCB-Designprüfung für die Fertigung kann unterschiedliche Überlegungen zu einem bestimmten Punkt der PCB-Design-Checkliste während der Diskussionen beinhalten.

Ich werde auch nicht alle Punkte auf der Liste im Detail erläutern. Wenn die Punkte für Ihr Produkt/Board relevant sind, hoffe ich, dass Sie entweder die Implikationen des PCB-Checklistenpunkts verstehen - oder bereit sind, einige Recherchen zu betreiben, um Ihr Verständnis zu fördern. Viele der Listenpunkte haben relevante Artikel, die mit ihnen auf diesem Blog verknüpft sind, verfasst sowohl von mir als auch von einigen anderen Branchenexperten.

Vor der Einreichung Ihres Boards zur PCB-Designprüfung

• Überprüfen Sie auf unverdrahtete Netze
• Alle Polygone neu ausgießen
• Stellen Sie sicher, dass Ihr Board einen vollständigen Siebdruck hat, einschließlich:
  • Firmenlogo(s)
  • Produktlogo(s)
  • Urheberrechtshinweis
  • Warn-/Gefahrenetiketten und Symbole
  • Steckverbinder sind beschriftet und Pinbelegungen sind angegeben, wo relevant
  • QA/Testblock mit Barcode, leere Bereiche für eine Seriennummer, Daten und QA/Test-Häkchen
  • Boardname, Druckdatum und Revisionsnummer
  • Wenn Designatoren auf dem Siebdruck vorhanden sind, dann überprüfen Sie:
    • Jeder Designator ist nahe bei und identifiziert eindeutig die zugehörige Komponente
    • Alle Designatoren sind nur in einer oder zwei Orientierungen
    • Textgröße und Schriftart bleiben auch nach dem Herstellungsprozess lesbar
  • ICs haben Pin eins deutlich markiert, d.h., die Markierung von Pin eins befindet sich nicht unter einem anderen Bauteil
• Aktualisieren Sie die Leiterplatte von ihren Schaltplänen, um sicherzustellen, dass das Schaltbild und die Platine synchronisiert sind
• Stellen Sie sicher, dass der Designregelbericht ohne Fehler durchläuft
  • Stellen Sie sicher, dass es eine Designregel gibt, um Netze mit nur einem Pin zu erfassen
• Stellen Sie sicher, dass Sie den Umriss der Platine auf einer mechanischen Schicht haben, die zum Platinenhersteller geht
• Fiducials sind für die Montage vorhanden und erfüllen diese Kriterien:
  • Mindestens drei platinenlevel Fiducials sind enthalten
  • Zwei Fiducials liegen diagonal gegenüber über alle extrem feinpoligen Komponenten
• Montagepunkte haben ausreichend Freiraum für die gewählte Unterlegscheibe und den Schraubenkopf
• Wenn ein Gehäusemodell verfügbar ist, wurde es gegen die Platine getestet, um sicherzustellen, dass es keine Interferenzen zwischen dem Gehäuse und den Komponenten geben wird
  • Alle Komponenten (einschließlich mechanischer Teile) haben genaue 3D-Modelle

Ihre Platine sollte vollständig produktionsbereit sein, soweit es Sie betrifft, bevor Sie sie an Kollegen für eine Designprüfliste senden, um jeglichen unnötigen Aufwand ihrerseits zu vermeiden.

Ihr PCB-Layout sollte alle erforderlichen Markierungen abgeschlossen haben, sowie die Montagelöcher und Fiducials, wie hier gezeigt. Können Sie den Siebdruckfehler in diesem Bild erkennen?

Schichten

• Überprüfen Sie, ob der Schichtenaufbau und die Substrathöhen den Spezifikationen des Herstellers entsprechen (oder ob der Hersteller Ihre Spezifikationen erfüllen kann)
• Überprüfen Sie, ob die Kupferdicke auf allen Schichten den Spezifikationen des Zielherstellers entspricht (oder ob es einen Vermerk auf der Dokumentationsschicht für die erforderliche Kupferdicke gibt)
• Stellen Sie sicher, dass es mindestens eine durchgehende, ununterbrochene Massefläche gibt
• Wenn Ihr Board kontrollierte Impedanznetze hat, sind diese sowohl im Schichtenaufbau als auch in den Designregeln korrekt eingerichtet
• Überprüfen Sie, ob eine Sperrspur mit der Platinenform übereinstimmt
  • Überprüfen Sie, ob Aussparungen oder Schlitze im Board als Sperrbarriere verwendet werden, um zu verhindern, dass Netze gefräste Bereiche kreuzen

Eine PCB-Stackup-Tabelle, die als Teil Ihrer Front-End-Engineering-Spezifikationen erstellt wurde, kann hier hilfreich sein, da sie einen visuellen Vergleich mit den Daten in Ihrem PCB-Editor ermöglicht. Eine Tabelle, die von Ihrem Fertigungshaus oder Hersteller bereitgestellt wird, ist die beste Ressource, wie das unten gezeigte Beispiel.

Beispiel einer Stackup-Tabelle zum Vergleich in einer PCB-Designprüfung. Bild bereitgestellt von Zach Peterson/TTM.

Signalpfad

• Stellen Sie sicher, dass die Masseebene ausreichend Stromführende Vias in der Nähe von Anschlüssen und Spannungs-/Rücklaufsenken hat
• Wenn erforderlich/relevant, stellen Sie sicher, dass Spannungsebenen und -bereiche ausreichend Verbindungsvias für die Stromanforderungen haben
• Stellen Sie sicher, dass die Leiterbahnen zu den Referenzebenen ausreichend breit für die Stromanforderungen sind
• Überprüfen Sie, ob ausreichend Vias für die Stromtragfähigkeit der Leiterbahnen vorhanden sind
• Überprüfen Sie, ob die Mindestleiterbahnbreiten für alle stromführenden Netze ausreichend sind. Überlegen Sie, ob eine Designregel erforderlich ist
• Überprüfen Sie, ob alle Massepins ein Via zur Masseebene haben
• Überprüfen Sie, ob eine durchgehende Masseebene innerhalb einer Signallage von jeder Signalleiterbahn vorhanden ist
• Überprüfen Sie, ob alle kontrollierten Impedanz Leiterbahnen die korrekten Netzregeln und Impedanzprofile haben
• Überprüfen Sie, ob Differentialpaar-Leiterbahnen so nah wie möglich beieinander liegen
• Überprüfen Sie, ob die Längen der Differentialpaar-Leiterbahnen abgeglichen sind
• Überprüfen Sie, ob alle Hochgeschwindigkeitssignale in der Länge abgeglichen sind, insbesondere einschließlich:
  • DDR
  • PCIe
  • Ethernet
  • LVDS
  • HDMI
  • USB3+
  • MIPI
• Überprüfen Sie, ob jede Signalleitung entlang ihrer Länge eine konstante Impedanz aufweist. Wenn die Leitung die Schicht wechselt, sollte ihre Impedanz gleich bleiben
• Überprüfen Sie, ob Leitungen, die länger als ein Sechstel der Anstiegs- oder Abfallzeit des Signals sind, simuliert wurden:
  • Überprüfen Sie, ob Abschlusswiderstände oder eine andere Form der Terminierung vorhanden sind, um Klingeln oder Überschwingen zu verhindern
• Überprüfen Sie, ob Abschlusswiderstände an den relevanten Stellen sind
• Überprüfen Sie lange Leitungen, die anderen Leitungen nahe sind, auf Nebensprechen hin simuliert wurden
• Überprüfen Sie, ob alle Hochgeschwindigkeitsleitungen über einem durchgehenden Masseflächen verlaufen
• Stellen Sie sicher, dass keine empfindlichen Netze unter geräuschintensiven Komponenten verlaufen
• Überprüfen Sie, dass die Vias für Entkopplungskondensatoren nicht geteilt werden
  • Jeder Entkopplungskondensator benötigt sein eigenes Via für VCC und für GND direkt zu den Referenzebenen

Das xSignals-Paket enthält Funktionen, die viele dieser Überprüfungen nach dem PCB-Layout automatisieren können, aber vor einer gründlicheren manuellen Überprüfung durch das Ingenieurteam.

Rückwegverletzung hervorgehoben in xSignals. Sie können wählen, ob Sie dies ignorieren oder Teile der Verdrahtung neu machen, um es zu beseitigen.

Komponenten

• Überprüfen Sie, ob alle Durchkontaktierungen als durchkontaktiert eingestellt sind, wenn sie gelötet werden sollen
• Stellen Sie sicher, dass genügend Freiraum für Folgendes vorhanden ist:
  • Für Pick-and-Place-Köpfe in der Produktion
  • Für die manuelle Montage bei Prototypen
  • Für den Zugang der Lötspitze, falls Nacharbeiten erforderlich sind
• Überprüfen Sie, ob Bypass-Kondensatoren so nah wie möglich an den IC-Stromanschlüssen platziert sind (unter 15mm)
• Überprüfen Sie, ob Quarz-/Oszillator-Taktquellen so nah wie möglich an den IC-Taktanschlüssen platziert sind
• Überprüfen Sie, ob Abschlusswiderstände so nah wie möglich an der Signalquelle platziert sind
• Überprüfen Sie, ob EMI/RFI-Filterung so nah wie möglich am Austrittspunkt (Platinenrand, Stecker, Abschirmung) platziert ist
• Überprüfen Sie, ob Potentiometer das Signal/die Spannung erhöhen, wenn sie im Uhrzeigersinn gedreht werden
• Überprüfen Sie, ob programmierbare Geräte einen zugänglichen Programmierkopf/-pads haben
• Überprüfen Sie, ob keine Bauteile mit hoher thermischer Masse (z.B. große Transformatoren/Induktoren) neben sehr kleinen Bauteilen platziert sind
• Überprüfen Sie, ob die Platzierung der Komponenten kurze Leiterbahnlängen für Hochgeschwindigkeitssignale priorisiert
• Überprüfen Sie, ob eine ausreichend große Kupferfläche für die Wärmeableitung von Geräten mit hoher Verlustleistung vorhanden ist, einschließlich:
  • Lineare Regler
  • Schaltnetzteile (einschließlich LED-Treiber)
  • Leistungsstarke LEDs
  • Hochfrequenz-Gatetreiber
  • MOSFETs
  • Motorsteuerungen
  • Ladegeräte
  • Hochgeschwindigkeits-Mikroprozessoren
  • Leistungsverstärker

Testen

• Überprüfen Sie, ob die Testpads ausreichend weit vom Rand der Platine entfernt sind, um eine Fixierung zu ermöglichen
• Überprüfen Sie, ob Testpads keine Stubs/Impedanzfehlanpassungen in Hochgeschwindigkeitsnetzen erzeugen
• Überprüfen Sie, ob Komponenten den Zugang zu Testpads für manuelle Tests (z.B. mit einer Oszilloskopsonde) oder automatisierte Tests (z.B. mit einem Nadelbett) nicht blockieren
• Überprüfen Sie, ob Testpads für Prototypen deutlich gekennzeichnet sind
• Überprüfen Sie, ob jedes Signal, das für Tests oder Inspektionen benötigt wird, einen Testpunkt hat
• Überprüfen Sie, ob alle Testpunkte auf derselben Seite der Platine angeordnet sind, idealerweise:
  • Die Unterseite der Platine für den Zugang mit Nadelbettvorrichtungen
  • Die Oberseite der Platine für den manuellen Zugang mit Testgeräten (z.B. Oszilloskopsonden)

Testpunkte werden manchmal an ungünstigen Stellen platziert, wie zu nah an anderen Pads oder in der Nähe von Platinenrändern. Wenn sie in der Nähe anderer Pads platziert werden, besteht das Risiko einer unbeabsichtigten Kurzschlussbildung beim Testen. Wenn sie in der Nähe eines Platinenrandes platziert werden, könnten sie mit dem Gehäuse oder der mechanischen Montage interferieren. Da Testpunkte oft keine spezifische Platzierungsvorgabe haben, ist es eine gute Idee, sie während einer Designprüfung zu verschieben und alternative Standorte zu identifizieren.

Diese Keystone-Testpunkte sind sehr nah am Platinenrand platziert, und ihre Siebdruckmarkierungen sind sehr nah an anderen Durchgangslöchern für das Löten von Drähten platziert. Wenn es keine Spezifikation gibt, die verlangt, dass diese Testpunkte hier sein müssen, könnte in einer Überprüfung des PCB-Designs ein neuer Standort identifiziert werden.

Schutz/EMI/EMC

• Überprüfen, ob angemessene Kriechstrom- und Luftabstandsregeln für alle Hochspannungsnetze festgelegt sind
• Überprüfen, ob separate Erdungsbahnen/-wege für ESD notwendig sind
• Überprüfen, ob Entkopplungskondensatoren neben Steckverbindern und Vias, die diese benötigen könnten, vorhanden sind
• Überprüfen, ob TVS-Dioden oder andere ESD-Minderungskomponenten in Reihe mit der Leiterbahn zum Bauteil liegen (d.h., jedes ESD-Ereignis muss durch das Bauteilpad gehen, bevor es ein empfindliches Gerät erreicht)
• Sicherstellen, dass keine Leiterbahnstummel/Netzantennen zu Testpunkten oder ungenutzten Steckerstiften führen
• Sicherstellen, dass Hochgeschwindigkeitssignale so direkt wie möglich geführt werden – keine malerischen Umwege
• Überprüfen, ob jede Leiterbahn, die über 100mA führt, in ihrer Breite berechnet wurde, um sicherzustellen, dass sie für den Strom ausreichend dimensioniert ist
  • Wenn die Platine in einem Gehäuse mit wenig oder gar keiner Luftzirkulation eingebaut wird, die Breite für eine innere Lage statt einer äußeren Lage berechnen oder simulieren
• Überprüfen Sie, ob ein HF-Schirm irgendwo auf der Platine benötigt wird und ob er eine ausreichende Grundfläche hat
• Wenn Sie eine zweilagige Platine verwenden:
  • Gibt es irgendwelche Masseschleifen?
  • Gibt es eine ausreichend große Massebahn für den Rückstrom jedes Geräts?
  • Gibt es eine ununterbrochene Massefläche unter jeder Hochgeschwindigkeitsleitung?
• Wenn Sie mehrere Massen haben, stellen Sie sicher, dass sie nur an einem einzigen Punkt verbunden sind

Paneele

• Stellen Sie sicher, dass genügend Rahmenfläche für Förderer und Spannvorrichtungen vorhanden ist
• Stellen Sie sicher, dass der Siebdruck Folgendes enthält:
  • Leerstellen für QA/Testmarkierungen
  • Druckdatum
  • Maschinenname
  • Firmenname
  • Panel-Barcode
  • Platinenteilenummer und Revision
• Überprüfen Sie, ob Panel-Fiducials vorhanden sind
• Überprüfen Sie auf eine Ursprungskennzeichnung
• Überprüfen Sie, ob Impedanz-/Lagen-/andere Testbereiche vorhanden sind, falls erforderlich
• Überprüfen Sie, ob V-Score/Fräs-/Tab-Lagen vorhanden sind und mit der Platine ausgerichtet sind, falls sie nicht in der Platinendatei enthalten sind
• Überprüfen Sie, ob das Panel nicht zu groß für die Plattendicke und eventuelles Fräsen ist (d.h. geringe Flexibilität/Nachgiebigkeit)

Schlussfolgerung

Wenn Sie diese PCB-Checkliste durchgehen oder Ihre eigene davon abgeleitete Version verwenden und sie in einem PCB-Design-Review-Meeting einsetzen, dann ist es am besten, jedes Element als Diskussionspunkt zu betrachten, anstatt es nur als abzuhakendes Kästchen zu sehen. Das kann wirklich wichtig sein, um sicherzustellen, dass das Design die Absicht des Produkts erfüllt, anstatt nur Kästchen anzukreuzen. Eine Überprüfung vor der Produktion sollte mehr sein, als nur sicherzustellen, dass alle technischen Probleme mit dem Board, die man in Betracht ziehen könnte, angesprochen wurden. Es sollte auch sicherstellen, dass die Funktionalität den Anforderungen entspricht. Es ist viel effizienter, etwaige Änderungen am Schaltplan vorzunehmen und das elektrische Design so anzupassen, dass es der Designabsicht und den Anforderungen entspricht, die möglicherweise während des Meetings neu bewertet wurden, als einfach die Boards zu bestellen und dann festzustellen, dass man diese Diskussion hätte führen sollen, bevor man Geld ausgibt und auf die Ankunft der Boards warten muss.

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