PCB-Design Grundlagen für Einsteiger: Vom Leiterplatten Layout bis zu IPC Normen

Sie haben gerade Ihr neues PCB-Designprogramm installiert und sind nun bereit, Ihr erstes PCB-Layout zu entwerfen. Wie legen Sie nun am besten los?

Die meisten Ingenieure sind geübt darin, mit Schaltplänen zu arbeiten und ihre Kernkomponenten auszuwählen. Aber für jemanden, der neu im Bereich des PCB-Layouts ist, kann der Prozess überwältigend sein. PCB-Designsoftware enthält viele Tools und folgt einem bestimmten Arbeitsablauf. Die gute Nachricht: Auch für Anfänger ist es möglich, den Designprozess mit Kenntnissen einiger wichtiger PCB-Design-Basics gut zu durchlaufen.

In diesem Artikel werde ich einige dieser Basics vorstellen, die alle neuen Designer befolgen sollten, um sicherzustellen, dass ihr Designprozess erfolgreich ist. Einige dieser Punkte mögen die konventionelle Sichtweise auf die Konstruktion von Leiterplatten in Frage stellen. Sie sollen aber dabei helfen, ein Gleichgewicht zwischen rauscharmer Signalübertragung, Herstellbarkeit und der einfachen Lösung eines Layouts zu schaffen.

Die Basics für den Start eines neuen PCB-Designs

Der PCB-Designprozess folgt einem Standard-Arbeitsablauf. Es ist für jeden neuen Designer wichtig zu verstehen, wie dieser Arbeitsablauf aufgebaut ist. Beim Standard-Arbeitsablauf im Leiterplattendesign liegt der Schwerpunkt darauf, sich ein konstruiertes Design vorzunehmen, ein physisches PCB-Layout abzuschließen und das Design dann für die Fertigung vorzubereiten.

Den PCB-Design-Arbeitsablauf verstehen

Bevor Sie fortfahren, nehmen Sie sich am besten etwas Zeit, um sich kurz mit dem Standard-Arbeitsablauf vertraut zu machen. Über den obigen Link kommen Sie zu allen wichtigen Informationen hierzu. Der Arbeitsablauf umfasst die folgenden Schritte:

1. Kernkomponenten auswählen, die auf Lager sind und von großen Distributoren bezogen werden können.
2. Schaltpläne auf Grundlage technischer Anforderungen erstellen und überprüfen
3. Eine blanke PCB erstellen, den Lagenaufbau entwickeln und Designregeln erstellen
4. Bauteildaten aus den Schaltplänen in das neue PCB-Layout importieren
5. Bauteile platzieren und die Platzierung überprüfen, um sicherzustellen, dass die technischen Anforderungen erfüllt sind.
6. Leiterbahnen und Verbindungen zwischen Komponenten routen
7. Das PCB-Layout bereinigen und eine abschließende Designprüfung durchführen
8. Design-Ausgabedateien vorbereiten und diese zur Fertigung senden

Erfahren Sie hier mehr über den Standard-Arbeitsablauf im PCB-Design.

Schaltpläne und Layout müssen synchronisiert werden

Wenn Sie Ihren Weg als PCB-Designer gerade erst antreten, werden Sie wahrscheinlich eigene Schaltpläne für Ihr Gerät erstellen. Wenn Sie eine Änderung am Design vornehmen, müssen Sie diese Änderungen zwischen den Schaltplänen im Layout entsprechend synchronisieren. Dies gilt insbesondere für die folgenden Designänderungen:

• Hinzufügen, Entfernen oder Austauschen von Komponenten
• Hinzufügen, Entfernen oder Ändern von Netzen
• Gruppieren von Netzen in Netzklassenobjekte
• Ändern von Komponentenparameterinformationen (Teilnummern, Lieferanteninformationen usw.)
• Alle anderen elektrischen Regeln oder Richtlinien, die auf Objekte in Ihren Schaltplänen angewendet werden

Nachdem Änderungen vorgenommen wurden, müssen diese auf das PCB-Layout übertragen werden. Das geschieht mittels einer Importfunktion in Ihrer PCB-Designsoftware. Damit wird sichergestellt, dass alles in Ihrem Design synchronisiert ist und der Designregel-Engine in Ihrer Software Ihre Designdaten korrekt liest.

Lernen Sie mehr über den PCB-Herstellungsprozess

Jedes Design, das Sie als physisches Produkt produzieren möchten, sollte auch im großen Maßstab herstellbar sein. Mit ECAD-Software können Sie jedes erdenkliche Designmerkmal in Ihr PCB-Layout integrieren. Ihre Designentscheidungen müssen jedoch in Standardprozessen herstellbar sein. Deshalb muss ein Designer die Grenzen dessen kennen, was tatsächlich in Form einer Leiterplatte hergestellt werden kann.

Das bedeutet, dass sich alle PCB-Designer die Zeit nehmen sollten, die Grundlagen der Leiterplattenherstellung zu lernen, damit sie sicherstellen können, dass ihre Designs auch vollständig herstellbar sind. Dies steht im Zusammenhang mit einer Reihe wichtiger Praktiken, die in Ihren Entwicklungsprozess integriert werden sollten und als „Design for Manufacturing“ (DFM) bekannt sind. Nehmen Sie sich etwas Zeit, um sich über einige grundlegende Designfehler zu informieren, die die Herstellung zum Scheitern bringen und dazu führen können, dass Ihre Leiterplatte möglicherweise vor der Produktion zur Überarbeitung an Sie zurückgeschickt werden muss.

• Erfahren Sie mehr über „Design for Manufacturing“ (Design für die Fertigung)

Designregeln sind der Schlüssel zum Erfolg

Nachdem Sie den Herstellungsprozess und einige der Standardkapazitäten von Leiterplattenherstellern kennengelernt haben, wird es nun viel einfacher sein, einige der Einschränkungen zu verstehen, die in Designregeln festgelegt sind. Die meisten DFM-Probleme hängen mit der Größe der Kupferelemente auf der Leiterplatte oder dem Abstand zwischen verschiedenen Elementen zusammen. Die in PCB-Designsoftware programmierten Standard-Designregeln sind normalerweise eher etwas konservativ angelegt. Sie sollten also ungefähr die Grenzen kennen, bis zu denen Sie gegen diese Designregeln verstoßen können.

Betrachten Sie als Beispiel den folgenden Footprint. Dieser Footprint hat einen Pad-zu-Pad-Abstand von etwa 9 mil. Sobald die Komponente auf das PCB-Layout übertragen wird, wird ein Designregelfehler (grün dargestellt) angezeigt. Sie können problemlos gegen diese Designregel verstoßen und Ihren Grenzwert niedriger ansetzen, da die meisten Hersteller einen Mindestabstand von nur etwa 5 mil verlangen. Überprüfen Sie also unbedingt die Abstände in der Leistungsübersicht Ihres Herstellers, bevor Sie anfangen, mit Designregeln herumzuspielen.

Eine Massefläche verwenden

Jede Leiterplatte muss eine klare Masseverbindung haben, damit alle Komponenten in dem Design vollständige Schaltkreise bilden und das gesamte Design mit Strom versorgt wird. Die Masseverbindung kann mit einer Batterie auf der Leiterplatte oder mit einer externen Spannungsversorgung verbunden sein. Egal, wie diese Verbindung hergestellt wird, die Masse muss an alle anderen Komponenten auf der Leiterplatte angeschlossen werden. Die bei weitem einfachste Art, dies zu tun, ist eine Massefläche, bei der eine der Lagen der Leiterplatte als Masse dient und eine große Kupferplatte die gesamte Lage abdeckt.

Bis heute bin ich überrascht, wie viele neue Designer zögern, eine Massefläche in ihrem PCB-Lagenaufbau zu platzieren. Viele grundlegende Rauschprobleme, die digitale und analoge Signale betreffen, lassen sich auf das Fehlen einer Massefläche im Gerät zurückführen. Bei modernen PCBs ist es eine Standardrichtlinie, eine solide Massefläche im Gerät zu verwenden. Es gibt einige Ausnahmen, bei denen geteilte Flächen oder eine sternförmige Masse auf einer Leiterplatte angemessen sind. Diese Ansätze sind jedoch für die überwiegende Mehrheit der digitalen und analogen Designs nicht geeignet.

• Erfahren Sie mehr über die Erdung in Ihrer Leiterplatte

Platzierung vor dem Routing abschließen

Sobald Sie Ihre Schaltplandaten in ein neues PCB-Layout übertragen, müssen Sie auch erste Komponenten auf der Leiterplatte platzieren. An diesem Punkt des Designprozesses besteht Ihr Ziel darin, Komponenten so zu platzieren, dass das Design „lösbar“ ist, d. h. leicht geroutet werden kann. Daher ist es am besten, jegliches Routing zu vermeiden, bis die Komponenten platziert sind und die Platzierung genehmigt wurde.

Wenn Sie das Routing jedoch vornehmen, bevor alle Komponenten platziert sind, ist es unvermeidlich, dass Sie das Routing später nochmal ändern müssen. Bevor Sie irgendetwas routen, versuchen Sie das Layout an einen Punkt zu bringen, an dem alle Signalkreuzungen minimiert sind.

Nachdem alles platziert und finalisiert wurde, ist es an der Zeit, mit dem Routing zu beginnen. Wenn Sie die obigen Ratschläge befolgt und Ihre Designregeln überprüft haben — bevor Sie mit der Arbeit an Ihrem PCB-Layout begonnen haben — ist die Wahrscheinlichkeit eines erfolgreichen Routings Ihres Designs wesentlich höher. Wenn wir das Wort „Erfolg“ verwenden, um das Routing zu beschreiben, beziehen wir uns in der Regel auf drei Bereiche:

• Den Bedarf an neuen Signallagen für das Routing all Ihrer Signale minimieren
• Übergänge zwischen den Lagen soweit wie möglich minimieren
• Rauschen minimieren, was durch die Verwendung einer Massefläche im PCB-Lagenaufbau unterstützt wird
• Versuchen Sie, möglichst viele Routen kurz und direkt zu halten.

Diese Liste von Richtlinien ist zwar nicht allumfassend, aber sie gilt für die meisten Signale, die Sie auf Ihrer Leiterplatte routen werden. High-Speed-, Low-Speed-, Niederfrequenz-Analog- und HF-Designs nutzen alle diese Tipps für das PCB-Routing; also gewöhnen Sie sich daran, diese Praktiken auch in Ihrem PCB-Layout anzuwenden.

• Erfahren Sie mehr über das Routing in Ihrem PCB-Layout

Vergessen Sie nicht: Ihr Ziel ist die Fertigung!

Auch wenn alles im Layout geroutet und finalisiert ist, ist Ihre Arbeit noch nicht getan. Als Designer sind Sie auch dafür zuständig, Fertigungsdateien aus dem PCB-Layout zu erstellen. PCB-Designsoftware enthält zwar Tools zur automatischen Erstellung dieser Ausgabedateien. Sie sollten diese fertigen Dateien jedoch selbst noch einmal überprüfen, um sicherzustellen, dass Sie keine der Einstellungen im Ausgabedatei-Exporter falsch angewendet haben. Nehmen Sie sich also etwas Zeit, um alles zu überprüfen, bevor Sie es an Ihren Hersteller senden.

• Erfahren Sie mehr über Design-Ausgabedateien und die Fertigung

Was passiert als Nächstes?

Herzlichen Glückwunsch! Sie haben das Ende der Designphase erreicht. Jetzt kommt die Fertigung. Im nächsten Schritt überprüft Ihr Hersteller das Design, um sicherzustellen, dass es seinen Verarbeitungskapazitäten entspricht. Wenn alles eine abschließende DFM-Prüfung bestanden hat, geht Ihre Leiterplatte in die Produktion und Montage.

Sobald Sie die Grundlagen des PCB-Designs gelernt haben, können Sie das volle Spektrum an PCB-Design- und Layout-Funktionen in Altium Designer® ausprobieren. Wenn Sie Ihr Design fertiggestellt haben und die Dateien für Ihren Hersteller freigeben möchten, können Sie auf der Altium 365™-Plattform mühelos zusammenarbeiten und Ihre Projekte teilen. Sie können auch eine umfassende Design-Review durchführen, um sicherzustellen, dass Ihre neue Leiterplatte mit hoher Ausbeute und hoher Qualität hergestellt werden kann.

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