Erdungstechniken für plattierte Befestigungslöcher auf Ihrer Leiterplatte

Immer, wenn Sie Ihre Leiterplatte in ein Gehäuse einbauen, muss sie auch irgendwie an diesem befestigt werden. Einerseits gilt es also, eine sichere Befestigung zu gewährleisten, anderseits darf die Oberfläche der Leiterplatte nicht etwa mit einer Schraube beschädigt werden. Daher ist es üblich, zur Befestigung durchkontaktierte Löcher in den Ecken zu platzieren. Bei diesen PCB-Befestigungslöchern liegt das Pad im Allgemeinen unter der Lötmaske frei, so dass der Befestigungspunkt bei Bedarf elektrisch mit einem Ihrer Netze verbunden werden kann. Eine Frage, die sich hier oft stellt, bezieht sich auf Erdung und PCB-Befestigungslöcher: Soll die Befestigung im Design geerdet werden, und wenn ja, wie sollte sie geerdet werden? Sollte sie immer mit dem Gehäuse verbunden sein, nur mit einer internen Masse oder woanders?

Das ist eine spannende Frage, und die Antwort wird normalerweise als „Immer/Nie-Situation” formuliert. Beispielsweise mag eine Person behaupten, dass sie ihre Befestigungslöcher immer an einem Gehäuse erdet, während jemand anderes vielleicht behauptet, dass man dies niemals tun sollte, da es das Design ruiniere. Wie bei den meisten so formulierten Designregeln ist die tatsächliche Antwort jedoch etwas komplizierter. Denn sie umfasst viele Aspekte eines Designs – von der Eingangsleistung bis hin zur Struktur Ihres Erdungssystems. Zudem ist es wichtig, auch die Masse angemessen zu berücksichtigen. Wenn Sie wissen, wie Leistung und Masse am Eingang Ihrer Leiterplatte definiert sind, wird es schon etwas einfacher, die richtige Befestigungsstrategie zu entwerfen.

Wie man PCB-Befestigungslöcher entwirft

Wie der Name schon vermuten lässt, werden PCB-Befestigungslöcher verwendet, um Ihre Leiterplatte an einem Gehäuse zu befestigen. Dabei gibt es durchaus einige Punkten hinsichtlich der PCB-Befestigungslöcher, bei denen sich dann doch alle einig sind:

• Befestigungslöcher sollten grundsätzlich plattiert werden, da dies eine Befestigung mit Metallschrauben ermöglicht.
• Da schwebende Metallstücke als EMI-Quellen agieren können, sollten die Befestigungslöcher mit einem Erdungsnetz (Erde (PE), Signalmasse (SGND), geerdetes Gehäuse usw.) verbunden werden.
• Die Befestigungslöcher sollten so bemessen sein, dass sie Platz für einige Befestigungselemente in Standardgröße bieten.
• Die Befestigungslöcher können auch nicht-plattiert sein, obwohl dies nur bei Kunststoffschrauben oder Abstandhaltern, die im Design verwendet werden, wünschenswert wäre.

In einem früheren Artikel zu Aufnahmebohrungen habe ich die obigen Punkte schon einmal ausführlich diskutiert. Dort vor allem, weil in einigen prominenten Ressourcen nicht zwischen Befestigungslöchern und Aufnahmebohrungen unterschieden wird. Für Designer ist dies aber eine sehr wichtige Unterscheidung. Denn Befestigungslöcher werden mit ziemlicher Sicherheit Teil des Erdungssystems Ihrer Leiterplatte sein und Sie sollten daher genau vorher überlegen, wie sich dies auf EMI und die Sicherheit in Ihrem Design auswirkt.

Das Verbinden von plattierten Befestigungslöchern mit dem Gehäuse ist eine bewährte Methode. Dabei kann auch die Masse Ihres Gehäuses mit einer Erdung verbunden werden, wenn eine solche Verbindung in Ihrem Design verfügbar ist. Dies ist jedoch nicht immer der Fall; beispielsweise dann nicht, wenn ein batteriebetriebenes System mit Metallelementen im Gehäuse vorliegt. Je nachdem, wie PCB-Befestigungslöcher, Gehäuse und Erde verbunden sind, kann das Gerät elektromagnetischen Störungen (EMI) ausgesetzt sein oder es sogar zu einem elektrischen Schlag für den Benutzer kommen. Letzteres ist ein Problem, welches bei der Stromversorgung eines Computers auftreten kann. Dies passiert entweder dann, wenn das Gehäuse des Netzteils nicht gut geerdet ist (solange es eingesteckt ist) oder wenn es mit dem Minuspol des Netzteils verbunden ist (solange es nicht eingesteckt ist). Wenn die PCB-Erdungstechniken ordnungsgemäß implementiert werden, einschließlich einer geeigneten Masseverbindung, dann kann jede schwebende Masseverbindung eliminiert werden. Dies ist eine der Hauptanwendungen von geerdeten PCB-Befestigungslöchern in Metallgehäusen.

PCB-Erdungstechniken für Befestigungslöcher

Das obige Bild soll dabei nicht als übertriebene Verallgemeinerung verstanden werden. In einigen Fällen muss das Befestigungsloch möglicherweise überhaupt nicht an der Leiterplatte selbst geerdet werden, sondern dies mag durchaus am Gehäuse erfolgen. In anderen Fällen mögen Sie keine Wahl haben: Sie müssen hier vielleicht die Befestigungslöcher an einer internen Verbindung erden, da es wirklich keine andere Möglichkeit gibt, diese zu erden. Die PCB-Erdnungstechnik, die für ein Befestigungsloch gewählt wird, sollte in jedem Fall verschiedene Aspekte berücksichtigen: etwa den zu bewältigenden Strom, die Frequenz dieses Stroms und Sicherheitsaspekte wie beispielsweise ESD. Leider gibt es nicht den einen Ansatz, der alle möglichen Situationen abdeckt. Hoffentlich helfen aber die folgenden Punkte und veranschaulichen, wie man jene Masseverbindungen ausreichend berücksichtigen kann, die bei der Montage einer Leiterplatte eventuell entstehen können.

Fall 1: Niedriger Gleichstrom, keine galvanische Isolierung

Die nachstehenden Tabellen zeigen einige Situationen, die veranschaulichen sollen, wie man am besten mit einem plattierten PCB-Befestigungsloch als Teil der Standard-PCB-Erdungstechniken umgeht. Wir betrachten hier Fälle mit 3-Leiter-Gleichstrom (POS, NEG und GND-Masseverbindung), 2-Leiter-Gleichstrom (nur POS und NEG) und 3-Leiter-Wechselstrom (gleichgerichtet zu Gleichstrom).

Diese Tabelle bildet natürlich nur einen Teil der möglichen Situationen ab, bei denen Sie sich mit der Definition von GND bei niedrigem Strom beschäftigen sollten. Der hier aufgeführte Leitfaden ist in erster Linie dafür gedacht, EMI aus Metallgehäusen (oder Kunststoffgehäusen mit Metallelementen) zu unterdrücken. Und zwar, indem das Gehäuse und die PCB-Masse auf dasselbe Potenzial gelegt werden.

Bei einem 3-Leiter-System oder 3-Leiter-Wechselstrom/2-Leiter-Gleichstrom-System gilt es folgendes zu beachten: Sollten Sie hier einmal das PE und die negative Versorgung der GND innerhalb des Systems verbinden müssen, dann tun Sie dies am besten direkt am Eingangspunkt. Auf diese Weise verhindern Sie GND-Schleifen und stellen gleichzeitig sicher, dass die Metallelemente im Gehäuse geschützt und nicht schwebend sind. Dies imitiert die Verkabelung in Wohngebäuden: Die Verbindung zwischen Ihrer Stromkreismasse und der Systemmasse wird nur am Systemeingang (z. B. am Schalter) hergestellt, aber jedoch NICHT an dem Punkt, wo der Strom ans GND zurückgeführt wird. Diese Verbindung wird jedoch in der Regel an der Steckdose/dem Schalter hergestellt. Wenn Sie nun eine zusätzliche Verbindung von der Leiterplatte zum Gehäuse anlegen, kann dadurch eine kleine GND-Schleife über das Eingangskabel entstehen.

Probleme mit Fall 1 in einem Metallgehäuse

3-Leiter Gleichstrom mit Anschluss an Erde/Gehäuse: Wenn durch PCB-Befestigungslöcher die Masse der Leiterplatte (GND) und das Gehäuse an einer Stelle überbrückt werden, kann eine GND-Schleife am Kabel entstehen. Dies kann dann vorkommen, wenn der vorgeschaltete Teil des Kabels mit der Erde verbunden ist. Bei einer Überbrückung an mehreren Stellen liegen entsprechend auch mehr Sicherheitsverbindungen zur Masse (GND) vor, welche wiederum einen guten Pfad zur Erde für Streuströme, ESD usw. darstellen. Dafür riskieren Sie aber, dass über das Gehäuse Gleichstrom-Masseschleifen um die Leiterplatte herum entstehen; diese können Sie durch solide, niederohmige Verbindungen vermeiden. Selbst wenn nur mit einem einzigen plattierten PCB-Befestigungsloch gearbeitet wird, können immer noch kapazitiv gekoppelte Ströme für hochfrequentes Rauschen auftreten – was letztlich zu Gleichtaktrauschen am Eingang führen kann. Das beste Gleichgewicht zwischen Sicherheit, EMI-Unterdrückung und Verringerung des Rauschens erreichen Sie dann, wenn Sie die Befestigungslöcher plattieren, diese mit dem Metallgehäuse verbinden und die Löcher jedoch gleichzeitig von der Signalmasse der Leiterplatte abtrennen. Bedenken Sie auch, dass Sie bei Bedarf jederzeit andere Pfade erstellen können, um ESD zu unterdrücken.

Dabei gibt es einige potenzielle Probleme. Sie müssen für eine niederohmige Verbindung zur Erde sorgen, wenn Sie einen Sicherungseffekt erzielen wollen.

3-Leiter-Stromgleichrichtung auf 2-Leiter: Wenn das in Ihrem Design vorliegende Gehäuse metallisiert ist, sollten Sie die Masse der Leiterplatte (GND) nur durch die plattierten Befestigungslöcher mit dem Gehäuse verbinden. Dies gilt vor allem dann, wenn Ihr Kabel nicht abgeschirmt ist und nur über zwei Adern gespeist wird. Wenn sich jedoch alle Einheiten (Gleichrichter + Gleichstromausgang) auf einer Leiterplatte befinden, sollten Sie die oben genannten Richtlinien für ein allgemeines 3-Leiter-System befolgen. Seien Sie hier besonders aufmerksam hinsichtlich der Entwicklung möglicher GND-Schleifen. Bei Gleichstrom können sich nämlich u.a. Schleifenprobleme auf Gehäuse-/GND-Ebene bilden. Insbesondere dann, wenn mehrere Verbindungen durch Befestigungslöcher zur Masse vorliegen. Andererseits sind mehrere Verbindungen wiederum hilfreich, um Probleme hinsichtlich hochfrequenten Rauschens oder ESD-Quellen zu lösen. Denken Sie also immer zunächst über das spezifische Problem nach, das Sie lösen möchten 

2-Leiter-Gleichstrom: Dieser tritt auf, wenn Sie eine Batterie oder ein Tischnetzteil in Ihrem Design verwenden – dieser Fall ist als equivalent zum vorhergehenden zu betrachten. Nochmals: Denken Sie erst über das spezifische Problem nach, das Sie lösen möchten, bevor Sie einen Weg einschlagen. Da es keine einzig wahre Erdungsmethode gibt, die alle Probleme löst, gilt es sicherzustellen, dass die von Ihnen gewählte Strategie auch wirklich die für Sie elementaren Probleme berücksichtigt. Ich erwähne dies hier, weil viele Geräte in der heutigen Elektronik genau diese 2-Leiter-Konfiguration aufweisen. Dabei wird häufig versucht, Sicherheit gegen HF-Rauschen auszugleichen und dabei gleichzeitig Gleichtaktrauschen zu unterdrücken.

Wenn Sie mit einer Batterie arbeiten, sind die Ströme in der Regel so niedrig, dass Sie einfach die plattierten Befestigungslöcher nutzen können, um das Gehäuse mit der Masse der Leiterplatte (GND) zu überbrücken. Dies ist solange möglich, wie Sie sehr niederohmige Verbindungen am Eingang der Stromversorgung vorliegen haben. Wenn Sie nur die Massen miteinander verbinden und sicherstellen wollen, dass nichts schwebt, kann dies an einem einzigen Punkt (dem Stromversorgungseingang) geschehen. Dies an mehreren Stellen zu tun, bietet jedoch eine größere Sicherheit gegen ESD/Streuströme an verschiedenen Stellen, insbesondere in der Nähe von Steckverbindern (siehe industrielles Ethernet als Beispiel). Dies ist im Grunde das, was beim Metallgehäuse Ihres Laptops geschieht, wenn er ausgesteckt wird. Allerdings fließen nun Ströme durch das Gehäuse (und möglicherweise entsprechend auch durch den Benutzer) und es besteht die Möglichkeit, dass GND-Schleifen entstehen. Letztlich kann sich das sowohl negativ auf die Benutzersicherheit als auch die Anwendungen zur Präzisionsmessung auswirken.

Die ideale Situation, welche ich für das 3-Leiter-Gleichstromsystem und das 3-Leiter/2-Leiter-Gleichstromsystem hier beschrieben habe, ist also die Verbindung von Erde und Gehäuse durch ein einziges Montageloch am Stromeingang, wobei dieses nur mit der Leiterplattenmasse verbunden ist. Die Impedanz zwischen dem Gehäuse und der Erde sollte so niedrig wie möglich sein, wozu in der Regel eine große Schraube oder eine Erdungsklemme erforderlich ist.

Leider ist es in der Realität nicht immer praktikabel, alles mit einem plattierten PCB-Befestigungsloch am Eingang zu erden. Bei manchen Leiterplatten befindet sich das Loch möglicherweise in der Mitte der Leiterplatte, was folglich nicht immer auch der Ort des Stromeingangs ist. In der Regel gibt es mehrere Befestigungslöcher. Diese befinden sich normalerweise an den Ecken der Leiterplatte. Bei sehr großen Leiterplatten, können diese jedoch auch über die gesamte Leiterplatte verteilt sein, um die Struktur zu stützen und Vibrationen zu verhindern. Wenn alle Befestigungslöcher plattiert sind und sie auch dieselbe Verbindung zwischen Leiterplatte und Gehäuse herstellen, besteht die Möglichkeit von Masseschleifen. In diesem Fall findet sich immer eine gewisse kapazitive Kopplung für hochfrequentes Rauschen. Hierdurch kann Gleichtaktrauschen entstehen, welches zurück zur E/A-Seite der Leiterplatte zirkulieren kann – d. h. eine kapazitiv gekoppelte Masseschleife für hochfrequentes Rauschen kann hier entstehen.

Es ist klar, dass hier ein Gleichgewicht gefunden werden muss. Ein Gleichgewicht zwischen „der Verwendung von mehreren plattierten Befestigungslöchern, um maximale ESD-Sicherheit zu gewährleisten”, „der Verwendung von nur einem plattierten Befestigungsloch, wobei alle anderen Löcher nicht-plattiert belassen werden, um Masseschleifen und Rauschen zu vermeiden” und „der Sicherstellung, dass das Gehäuse geerdet ist, um eine geringe EMI und eine hohe Abschirmung zu gewährleisten”. Bevor Sie bei Ihrer Leiterplatte also womöglich die Masse (GND) und das Gehäuse mittels plattierter Befestigungslöcher verbinden, sollten Sie zunächst sorgfältig darüber nachdenken, welche Anforderungen Sie genau an Ihr Design stellen wollen.

Fall 2: Hochstrom mit galvanischer Isolierung

Dieser Fall kann knifflig sein, denn das Hauptproblem ist hier nicht immer das Rauschen, sondern vielmehr die Gewährleistung von Sicherheit. Diese Art von System ist bei Stromversorgungen von Netzteilen üblich. Ein Ziel der galvanischen Isolierung ist es dabei zu verhindern, dass sich ein Stromschlag von der Primär- bis zur Ausgangsseite ausbreitet. Außerdem wollen wir die Isolierung nicht zerstören, indem wir die Eingangs- und Ausgangsseite des Systems mit Verbindungen zum Gehäuse überbrücken. Daher ist es empfehlenswert, hier einen Erdungsanschluss am Gehäuse zu verwenden und die Leiterplatte mit plattierten Befestigungslöchern nur mit dem Gehäuse zu verbinden.

In diesem Fall wird dringend empfohlen, das Gehäuse zu erden, den PCB-GND-Erdungsanschluss nur am Stromeingang zu positionieren, und mithilfe von plattierten Befestigungslöchern eine Verbindung alleinig zum Gehäuse herzustellen. Dies ist im obigen Bild einmal exemplarisch dargestellt. Auf der Sekundär-/Ausgangsseite eines isolierten Systems gehen Sie genauso vor: Verbinden Sie die plattierten Befestigungslöcher nur mit dem Gehäuse, aber nicht mit dem PCB-GND auf der Sekundärseite. Um störende Strahlungsemissionen aus der sekundären GND-Region zu verhindern, überbrücken Sie die primären und sekundären GND-Regionen einfach mit einem Class-Y-Kondensator. Dies gewährleistet eine galvanische Trennung für Gleichströme und stellt sicher, dass alle GND-Bereiche bei Wechselströmen auf demselben Potenzial liegen.

Grundlegende Tipps für das Entwerfen von PCB-Befestigungslöchern

Ein PCB-Befestigungsloch kann wirklich als ein wichtiges elektrisches Feature angesehen werden, welches Sie in Ihrem Design entsprechend nutzen sollten. Aus mechanischer Sicht ist darauf zu achten, dass Bohrung und Pad groß genug sind. Groß genug, um ein Befestigungselement aufzunehmen und gleichzeitig (falls erforderlich) eine niederohmige elektrische Verbindung zum Gehäuse zu ermöglichen. Abgesehen davon ist es wichtig, daran zu denken, dass das einfache Erden aller Befestigungslöcher an einem Metallgehäuse nicht alle Probleme lösen wird. Die PCB-Erdungstechniken, die Sie mit Ihren Befestigungslöchern implementieren, können leider nicht jedes EMI- oder Sicherheitsproblem lösen. Stellen Sie also sicher, dass Sie eine Erdungsstrategie entwickeln, die die spezifischen Probleme in Ihrem System auch ausreichend berücksichtigt.

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