Einführung in das PCB-Routing

Zachariah Peterson
|  Erstellt: June 4, 2021  |  Aktualisiert am: October 30, 2021
Einführung in das PCB-Routing

Das Routing von Leiterbahnen und Vias in einem PCB-Design wird oft als einfache Aufgabe angesehen. Nachdem Sie die Platine importiert und die Komponenten darauf angeordnet haben, scheint es relativ einfach zu sein, die Komponenten mit Kupfer zu verbinden. In den Tagen der langsamen TTL-DIP-Komponenten auf einfachen Platinen mag das gestimmt haben, aber die modernen Designanforderungen sind deutlich komplexer. Um die Signalintegrität beim Routing sicherzustellen, haben die Leiterbahnen heute sehr spezifische Designanforderungen.

Moderne PCB-Routing-Funktionen können Ihnen dabei helfen, Designregeln aufzustellen und die bestimmten Anforderungen der Leiterbahnen zu berücksichtigen. Die wichtigsten Routing-Techniken hängen von Ihrem Signalisierungsstandard und der erforderlichen Routing-Topologie ab. Sie entwerfen zum ersten Mal eine Leiterplatte und sind bereit für das Routing? Keine Sorge. Wir zeigen Ihnen in diesem Artikel Schritt für Schritt, wie Sie eine Leiterplatte routen und welche Routing-Anforderungen Sie beachten sollten.

PCB-Routing: Erste Schritte

Alle Leiterplatten benötigen Kupfer, um die Komponenten auf der Oberfläche oder in den Innenlagen zu verbinden. Diese Verbindungen werden Leiterbahnen genannt. Ob es sich um ein „einfaches“ Routing handelt, hängt von mehreren Faktoren ab, die das geeignete Leiterbahndesign bestimmen. Zu den wichtigsten Faktoren gehören:

  • Strombelastbarkeit der Leiterbahnen, da Hochstrom-Platinen große Leiterbahnen oder sogar Polygone erfordern.
  • Leiterbahnbreite auf der Platine. Diese gewährleistet die Herstellbarkeit und beeinflusst das Übersprechen.
  • Alle Signale mit kontrollierter Impedanz, die eine bestimmte Breite erfordern. Die Breite wird basierend auf dem Lagenaufbau festgelegt.
  • Routing-Topologie, die bestimmt, wie Leiterbahnverzweigungen mit mehreren Komponenten verbunden werden.
  • Gesamtverluste entlang einer Leiterbahn, die die maximal zulässige Leiterbahnlänge bestimmen.
  • Zulässiger Versatz bei parallelen Bussen und differentiellen Paaren; Protokolle mit quellensynchronen Takten (SPI oder I2C) und parallele Busse haben alle maximale Versatzspezifikationen.

Als Designer ist es Ihre Aufgabe, eine Balance in all diesen Bereichen zu finden und zu bestimmen, welche der Punkte in der obigen Liste für die verschiedenen Netze am wichtigsten sind. So sind beispielsweise Hochgeschwindigkeitsdesigns auf eine kontrollierte Impedanz mit differentiellen Paaren angewiesen, während Hochstromdesigns breite Leiterbahnen benötigen, die nicht unbedingt eine bestimmte Impedanz aufweisen.

Sehen wir uns nun zunächst die Routing-Anforderungen für einfache Platinen an, bevor wir uns komplexeren Designs zuwenden.

Einfaches PCB-Leiterbahn-Routing

Ihr Design weist keine hohen Geschwindigkeiten auf, ist nicht so dicht, dass Probleme mit Übersprechen verursacht werden, und Ihre Leiterbahnen müssen nur einen geringen Strom führen? Dann können Sie in der Regel eine beliebige Leiterbahnbreite wählen, die die Pins und Leads Ihrer Komponenten problemlos aufnehmen kann. Verwenden Sie Leiterbahnbreiten von 5-15 mils, da diese klein genug sind, um direkt in die Pads der meisten Komponenten geroutet zu werden. Unten sehen Sie ein einfaches Beispiel mit einem Operationsverstärker, bei dem die Leiterbahnen zwischen einem Low-Speed-IC, einigen Widerständen und Kondensatoren geroutet werden.

PCB-Routing

Bei einfachen Designs spielen Impedanz, Standard-Routing-Topologien oder hohe Ströme in der Regel keine Rolle. Allerdings sind nur sehr wenige moderne Designs so einfach, dass sie nicht ein gewisses Maß an Leiterbahndesign oder Routingregeln erfordern.

Routing-Regeln für moderne PCBs

Moderne Leiterplatten – selbst solche, die nur eine einfache MCU und geringe Leistungsstufen verwenden – erfordern ein gewisses Maß an Leiterbahndesign und die Beachtung einiger Routingregeln, um die Signalintegrität zu gewährleisten. Als Designer müssen Sie die Anforderungen an die Leiterbahngeometrie für ihre Verbindungen festlegen, um die Zuverlässigkeit und Signalintegrität sicherzustellen.

  1. Bestimmen Sie den Strombedarf in einer bestimmten Leiterbahn; in Stromkreisen können hohe Ströme geführt werden.
  2. Wenn der Strom sehr gering ist (weniger als 1 A), sollten Sie in den Datenblättern Ihrer Komponenten oder in Ihrem Signalisierungsstandard nachsehen, ob eine Impedanzkontrolle erforderlich ist.
  3. Wenn eine Impedanzkontrolle erforderlich ist: Berechnen Sie die Leiterbahnbreite, die Sie benötigen, um Ihr Impedanzziel zu erreichen. Berechnen Sie auch den Abstand der Leiterbahnen, wenn Sie differentielle Paare benötigen.

Wenn eine Impedanzkontrolle erforderlich ist, wird wahrscheinlich eine Routing-Topologie mit Single-Ended oder differentiellen Paaren implementiert. Prüfen Sie Ihre Signalisierungsstandards, um die Anforderungen an das Routing zu bestimmen. Dazu gehören Faktoren wie das Verlustbudget (bestimmt die Gesamtlänge), die Impedanzanforderungen und die zulässige Längenfehlanpassung bei differentiellen Paaren oder in einem parallelen Bus.

Sobald Sie alle Routing-Anforderungen festgelegt haben, können Sie Designregeln für bestimmte Netze aufstellen. Dazu gehört, dass Sie in Ihren Designregeln die minimalen oder maximalen Leiterbahnbreiten definieren. Ihre Routing-Tools verwenden dann diese Spezifikationen, um die Leiterbahnbreite beim Routing der Leiterbahnen festzulegen.

Impedanz und Routing-Topologie

Wenn Sie in Ihrem PCB-Layout eine Impedanzkontrolle benötigen, müssen Sie zunächst die Impedanz bestimmen. Dafür gibt es verschiedene Methoden. Es gibt Formeln, mit denen Sie die Impedanz in Ihrem Design bestimmen können, oder Sie können die Impedanz mit speziellen Programmen berechnen. Die Impedanz von Single-Ended- und differentiellen Paaren erfordert eine bestimmte Geometrie, um die Impedanzziele zu erreichen.

Der schnellste Weg, um die Impedanz zu bestimmen, ist eine PCB-Designsoftware mit einem integrierten Berechnungstool. Nicht alle PCB-Design-Anwendungen enthalten diese Tools, und auch die Ergebnisse sind in den verschiedenen Programmen unterschiedlich genau. Die beste PCB-Design-Software enthält einen Solver für elektromagnetische Felder, der die erforderliche Leiterbahngeometrie automatisch berechnet. Diese Tools verwenden die Informationen über die Dielektrizitätskonstante und die Kupferrauhigkeit Ihrer Leiterplatte und berechnen daraus die Leiterbahnbreite und den erforderlichen Abstand der differentiellen Paare, um eine Zielimpedanz zu erreichen.

PCB Impedanzberechnung
Der Layer Stack Manager in Altium Designer enthält einen elektromagnetischen Feldlöser von Simberian, der hochpräzise Impedanzberechnungen bei einer gewünschten Frequenz ermöglicht.

Die Topologien für das Routing von Leiterbahnen definieren, wie die Leiterbahnen zwischen den Eingängen und Ausgängen von Komponenten verlegt werden und wie die Leiterbahnen abgezweigt werden, um mehrere Komponenten zu erreichen. Beim DDR-Routing wird beispielsweise eine Fly-by-Topologie verwendet, bei der ein einzelner Bus abzweigt, um mehrere Komponenten im Design zu erreichen. Ein anderes Beispiel ist SPI, wo eine ähnliche Bustopologie verwendet wird, allerdings mit Terminierung an den Lastpunkten des Busses. Andere Komponenten verwenden eine Punkt-zu-Punkt-Topologie, um mehrere Komponenten zu erreichen. Dies ist am häufigsten der Fall, wenn ein Design eine Komponente erfordert, die über eine einzige IO-Schnittstelle mit mehreren Lasten kommuniziert. Vergewissern Sie sich, dass Sie die für Ihre Signalisierungsstandards erforderliche Routing-Topologie kennen und wissen, ob diese Leiterbahnen eine Impedanzkontrolle erfordern.

Leiterbahnen routen

Sie routen die Leiterbahnen in Ihrem PCB-Layout durch einfaches Zeigen und Klicken auf Positionen auf der Platine. Dabei werden die Leiterbahnen an den gewünschten Stellen, auf die Sie mit der Maus klicken, fixiert und erstrecken sich schließlich über das gesamte Layout bis zum gewünschten Endpunkt. Die Routing-Tools in Ihrer PCB-Software integrieren automatisch Kurven (normalerweise in einem 45°-Winkel) und platzieren Durchkontaktierungen, wenn Sie die Leiterbahnen zwischen den Komponenten auf der Leiterplatte verlegen.

Bevor Sie mit dem Routing Ihrer Leiterbahnen beginnen, sollten Sie sich etwas Zeit nehmen und eine Strategie für die verschiedenen Routen entwickeln. Auf diese Weise verhindern Sie, dass Sie übermäßig viele Durchkontaktierungen verwenden oder zusätzliche Lagen hinzufügen müssen. Ihre Routing-Strategie hängt von Ihrem PCB-Layout ab. Wenn sich zu viele Netze im PCB-Layout kreuzen, ist es schwieriger, Leiterbahnen ohne übermäßige Lagenübergänge zu routen. Manchmal müssen Sie zuerst mit den einfachsten Leiterbahnen beginnen, da Sie dadurch herausfinden, welche Leiterbahnen mehr Zeit und Mühe erfordern, um sie vollständig zu routen.

PCB-Routing Vias
Das Routing einiger Leiterbahnen kann sehr komplex sein, wie zum Beispiel bei diesem BGA. Die Leiterbahn führt durch zwei Vias und endet schließlich auf der Oberfläche.

Beachten Sie beim PCB-Routing einige wichtige Richtlinien:

  • Versuchen Sie, impedanzkontrollierte Leiterbahnen für eine bestimmte Schnittstelle oder ein Signalisierungsprotokoll auf derselben Lage zu routen.
  • Minimieren Sie Via-Übergänge auf Hochgeschwindigkeitsprotokollen und RF-Leiterbahnen.
  • Achten Sie darauf, dass Sie nicht über Spalten in Ebenen routen und behalten Sie den Rückpfad auf Ihrer Leiterplatte im Auge; am besten verwenden Sie einheitliche Massebereiche.
  • Halten Sie die Leiterbahnen so kurz und direkt wie möglich.
  • Scheuen Sie sich bei hohen Strömen nicht, Polygone zu verwenden, um größere Leiter zu konstruieren; mit diesen können Sie jede beliebige Leiterform erzeugen.

Die Signalintegrität ist eng mit dem PCB-Lagenaufbau und dem Routing verbunden. Die Anordnung der Ebenen/GND/PWR-Lagen in Bezug auf Ihre Signallagen und das Routing ist ein wichtiger Faktor für die Signalintegrität; das Routing über komplette GND-Abschnitte ist der beste Weg, um sicherzustellen, dass Ihr Design die Signalintegrität beibehält und immun gegen EMI (Übersprechen, externes HF-Rauschen, Stromversorgungsrauschen usw.) ist. Mit dieser einfachen Richtlinie und den oben gezeigten Routing-Regeln vermeiden bzw. reduzieren Sie viele Signalintegritätsprobleme und stellen sicher, dass Ihre Leiterplatte funktionsfähig bleibt.

Die fortschrittlichsten Routing-Tools sind interaktiv und helfen Ihnen dabei, die grundlegenden Routing-Richtlinien einzuhalten. Mit anderen Worten: Diese Tools sind halbautomatisch und ermöglichen es Ihnen, Leiterbahnen für eine Gruppe von Signalen zu definieren. Die Routing-Tools platzieren die Leiterbahnen dann so, dass sie automatisch Ihren Designregeln entsprechen. Bei dieser Art des Routings werden die Designregeln für Ihre Netze und Netzgruppen automatisch überprüft, während Sie Ihr PCB-Layout erstellen. Viele Freeware- und Open-Source-Designprogramme zwingen Sie dazu, alles manuell zu erledigen. Moderne PCB-Designprogramme wie Altium Designer helfen Ihnen hingegen, produktiv zu bleiben, während Sie Ihr PCB-Layout fertigstellen und Ihre Leiterbahnen routen.

PCB Routing-Richtlinien
Die interaktiven Routing-Funktionen von Altium Designer bieten ein intelligentes, halbautomatisches PCB-Routing, basierend auf Ihren Designregeln und grundlegenden Routing-Anforderungen.

Das Routing von Leiterbahnen ist deutlich einfacher, wenn Sie das vollständige PCB-Layout-Toolset in Altium Designer® verwenden. Die integrierte Design Rules Engine in Altium Designer prüft Ihr Routing automatisch, während Sie die Leiterbahnen platzieren. So können Sie Fehler direkt erkennen und beseitigen, bevor Sie die Leiterplatte fertigstellen. Jeder Altium Designer-Benutzer hat außerdem Zugriff auf einen speziellen Arbeitsbereich in Altium 365. Hier werden Projekte, Komponentendaten, Fertigungsdaten und alle anderen Projektdokumente gespeichert und können mit anderen Benutzern geteilt werden.

Wir haben nur an der Oberfläche dessen gekratzt, was mit Altium Designer auf Altium 365 möglich ist. Starten Sie noch heute Ihre kostenlose Testversion von Altium Designer + Altium 365.

Über den Autor / über die Autorin

Über den Autor / über die Autorin

Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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