Praktische PCB-Design-Tipps für ein nicht-routingfähiges Board

Ich bin in einer Zeit vor der PlayStation aufgewachsen. Damals waren Super Nintendo und Sega die angesagten Spielekonsolen. Ich entdeckte meine eigensinnige Ader zum ersten Mal beim Spielen von Super Mario, einem Spiel, bei dem ein merkwürdig aussehender Charakter Feuerbälle umherschießt, nachdem er sich Power-Boosts von Pilzen beschafft hat. Ich weiß nicht mehr, wie oft ich das ganze Game gespielt habe, obwohl ich in der letzten Runde am Ende immer geschlagen wurde. Da es damals noch kein „Speichern“ und „Fortsetzen“ gab, verbrachte ich zahllose Stunden damit, böswillige Krokodil-Boss-Gegner zu besiegen.

Glücklicherweise war ich beim Routen meiner Leiterplatten (PCBs) etwas schlauer, wenn es um Platzprobleme ging. Als junger Hardware-Entwickler macht es noch Spaß, munter Bauteile anzuordnen und Verbindungen herzustellen; dies änderte sich aber rasch, wenn man sich mehrere Tage lang damit herumschlägt, einen scheinbar einfachen Entwurf zu routen. Falls Sie auch auf eine Leiterplatte starren, die Sie einfach nicht geroutet bekommen, dann nehmen Sie folgende PCB-Design-Tipps als Ausgangspunkt für Ihre Routing-Strategie:

1. Kleinere Bauteile verwenden 
2. Bauelemente drehen
3. Bauteile neu anordnen
4. Kleinere Leiterbahnen, Durchkontaktierungen und Abstände verwenden
5. Verwendung einer mehrlagigen Leiterplatte

Was macht eine Leiterplatte nicht-routingfähig?

Wenn Sie lange genug in der Branche tätig sind, wissen Sie, dass einige Designs aus verschiedenen Gründen schwierig oder gar unmöglich zu routen sind. Sollten Sie mit dem PCB-Design noch nicht sehr vertraut sein, werden Sie früher oder später in eine komplexe Situation geraten, in der das Routen der Leiterplatte aussichtslos erscheint.

Es gibt eine Reihe von Gründen, warum eine Platine nicht routingfähig ist. Viele davon hängen mit Layout-Entscheidungen zusammen, die Sie direkt nach der Schaltplanerfassung treffen. Eine verfehlte Grundrissstrategie, falsch gewählte Bauteile, zu wenig Lagen oder ein falscher Lagenaufbau sowie falsch dimensionierte Leiterbahnen sind Gründe, warum eine Platine sich nicht routen lässt. Vielleicht versuchen Sie zu viel auf zu kleinem Raum unterzubringen, sodass Sie keine andere Wahl haben, als Ihre Platine zu vergrößern. Bevor Sie Ihre Leiterplatte jedoch einfach größer machen und Ihre Komponenten darauf verteilen, sollten Sie zunächst einige der folgenden PCB-Layout-Tipps ausprobieren und sehen, ob die Entflechtung leichter wird.

PCB-Design-Tipps für ein nicht-routingfähiges Board

1. Kleinere Bauteile verwenden

Falls Sie weiterhin Durchstecktechnik verwenden, so sollten Sie gute Gründe für Ihre Designentscheidung haben. Sie nehmen im Vergleich zu oberflächenmontierten Komponenten mehr Raum ein. Zudem sind SMDs in verschiedenen Formfaktoren erhältlich, und die Entscheidung für einen kleineren Formfaktor kann mehr Platz für Kupferleiterbahnen schaffen.

Manchmal kann die Entscheidung für ein Ball-Grid-Array-(BGA) statt eines Quad-Flat-Package (QFP) die verfügbare Platinenfläche vergrößern. Andersherum erschweren kleinere Formfaktoren oft eine spätere manuelle Reparatur, da sie ein höheres Maß an Präzision und technischem Geschick erfordert.

2. Drehen von Bauelementen

Vielleicht fragen Sie sich, warum das Drehen von Komponenten die Leiterbahnverlegung erleichtern soll. Betrachten Sie die unten dargestellte Flachbaugruppe. Hier stehen sich zwei ICs gegenüber, sodass es sehr einfach ist, Leiterbahnen auf der Oberflächenschicht direkt zwischen den beiden Chips zu verlegen. Wäre das eine IC um 90 Grad gedreht, müssten Leiterbahnen um das IC herumgeführt werden, um die erforderlichen Verbindungen herzustellen. Ist genügend Platz auf der Bestückungsseite vorhanden, stellt dies mitunter kein großes Problem dar; allerdings kann die Anordnung von Längenausgleichsstrukturen aber erschwert werden. Ist die Bestückungsseite jedoch sehr beengt, könnten Sie sich schnell in einer Zwickmühle wiederfinden.

Eine einfache Drehung eines ICs mit hoher Pinzahl kann die Pins zueinander ausrichten und Routing-Aufgabe erheblich erleichtern.

3. Bauteile neu anordnen

Dieser Punkt geht ein wenig über das einfache Drehen von Bauteilen hinaus. Vielmehr geht es darum, den richtigen Grundriss für Ihre Platine zu wählen, bevor Sie mit dem Routen Ihrer Leiterbahnen beginnen. Ein gutes Gespür hilft mitunter, sicherzustellen, dass die Bauelemente gut positioniert sind und kein kostbarer Platz verschenkt wird. Versuchen Sie dabei, auf folgende Punkte zu achten:

• Positionieren Sie kaskadierte Bauteile nebeneinander bzw. nacheinander. Dadurch entfällt das unnötige Hin-und-Her-Routing auf der Platine.
• Wenn möglich, konsolidieren Sie Komponenten. Verwenden Sie beispielsweise statt mehrerer kleiner Widerstände (parallel oder in Reihe) einen einzigen Widerstand, der den gewünschten Widerstandswert liefert.
• Gruppieren Sie Komponenten zu funktionalen Blöcken und platzieren Sie interagierende Blöcke nahe beieinander. Dadurch verringert sich der Abstand zwischen Komponentengruppen, die miteinander kommunizieren müssen.
• Komponenten, die an einen Randstecker angeschlossen werden müssen, sollten möglichst nahe am Stecker platziert sein. Alle anderen Komponenten in der Signalkette sollten dann wie oben beschrieben kaskadiert werden.

Vermutlich haben Sie schon darüber gelesen, wie analoge und digitale Komponenten in unterschiedliche Bereiche einer Mixed-Signal-Platine voneinander getrennt werden müssen. ADCs wiederum sollten dann die Trennlinie zwischen diesen beiden Teilgruppen überbrücken, um Mixed-Signal-Interferenzen zu verhindern. Platzieren Sie bei dieser Layoutart jene Bauelemente, die am dichtesten an ADCs angeschlossen werden müssen, nahe genug, und andere Bauelemente von diesem Teil der Platine weg.

Eine einfache Drehung eines ICs mit hoher Pinzahl kann die Pins zueinander ausrichten und Routing-Aufgabe erheblich erleichtern.

4. Kleinere Leiterbahnen, Durchkontaktierungen und Abstände verwenden

Viele Leiterplattendesigns vergangener Tage waren nicht aufgrund von Fertigungsbeschränkungen nicht herstellbar, aber etliche davon wurden überwunden. Heute verfügen Designer bei der Layoutplanung über kleinere Durchkontaktierungen, dünnere Leiterbahnen und Abstände, die bei sehr eng gepackten Boards bis hinunter zur High-Density-Interconnect-(HDI)-Technik reichen. Dabei gibt es bei der Nutzung immer dünnerer Leiterbahnen einige Einschränkungen zu beachten:

• Impedanzen: Verhalten sich Leiterbahnen auf Ihrer Leiterplatte wie Übertragungsleitungen, wie es bei hohen Frequenzen und hohen Flankensteilheiten der Fall ist, müssen Sie ein kontrolliertes Impedanz-Routing verwenden. Dadurch wird die von Ihnen verwendbare Leiterbahnbreite auf bestimmte Mindestwerte beschränkt.
• Differenzialpaare: Differenzialpaare erfordern einen bestimmten Abstand, um sicherzustellen, dass die Differenzialimpedanz einen bestimmten Wert annimmt.
• Hochstromausführung: Leiterbahnen, die hohe Ströme führen, müssen mit einer spezifischen Breite ausgelegt werden, um die Stromdichte und damit den Temperaturanstieg zu begrenzen.
• Hochspannungsausführung: In Leiterplatten, die Hochspannung führen, müssen Leiterbahnen zu anderen Leitern genügend Abstand haben, um elektrostatische Überschläge zu verhindern. Prüfen Sie unbedingt die Kriech- und Luftstrecken zwischen freiliegenden Leitern.

5. Verwendung einer mehrlagigen Leiterplatte

Zweifellos sind die Herstellungskosten ein wichtiger Faktor, wenn es um die unternehmerischen Aspekte des Elektronikdesigns geht. Die meisten Nachwuchsdesigner entscheiden sich für ein- oder zweilagige Designs, wenn kein unmittelbarer Bedarf für eine mehrlagige Leiterplatte besteht. Die Verlagerung der Strom- und Masseanschlüsse auf die mittleren Lagen einer Leiterplatte wirkt jedoch Wunder und schafft auf der äußeren Lage der Leiterplatte enormen Platz. Zudem sorgt eine große Power- und Massefläche für eine stabile Stromversorgung von PCB-Komponenten.

Verwenden Sie Multilayer-PCBs für mehr Freifläche zum Routen.

Moderne Designs bauen deshalb auf einer (mindestens) 4-Lagen-Leiterplatte auf. Diese Platinen verfügen über eine interne Stromversorgungs- und Massefläche, sodass die Oberflächenlagen für Bauelemente verfügbar sind. Mit zunehmender Leiterbahn- und Bauteildichte müssen Sie weitere Ebenen hinzufügen, um alle erforderlichen Leiterbahnen unterzubringen. Diese internen Schichten sind entscheidend, um mehr Komponenten auf einer Platine zu gruppieren, da sie Platz auf den Oberflächenschichten freimachen. Befolgen Sie bei der Arbeit mit Mehrschichtplatinen unbedingt die Best Practices für das PCB-Stackup-Design.

Sollten Sie nach diesen Änderungen Autorouting benutzen?

Viele erfahrene Konstrukteure, die ich kenne, sind aus einer Reihe von Gründen gegen Autorouting. In der Regel arbeiten sie an sehr komplexen Designs, die einer Reihe von Designbeschränkungen unterliegen. Diese Beschränkungen können in typischen Autorouter-Tools einfach nicht berücksichtigt werden. In anderen Situationen müssen die Ergebnisse aus einem Autorouter ohnehin modifiziert werden, und der Entwickler kann ohne den Autorouter oft ein besseres Routing ohne Regelverletzungen erreichen.

Wenn Sie sich mit PCB-Routing-Strategien beschäftigen oder einfach nur in Experimentierlaune sind, probieren Sie Ihren Autorouter einfach aus. Die Algorithmen der Autorouter haben sich im Laufe der Zeit stetig verbessert und sind leistungsfähig genug, um auch zwischen den Lagen einer Multilayer-Platine gleichmäßig zu routen.

Die andere Option ist das auto-interaktive Routing – eine Form des gelenkten Autoroutings. Bei diesem Werkzeug gibt der Konstrukteur spezifische Punkte auf der Platine vor, die der Router durch Verbindungen vervollständigt. Auf diese Weise kann eine größere Anzahl von Leiterbahnen unter Einhaltung der Designbeschränkungen gleichzeitig geroutet werden. Sobald Sie sicher sind, dass Ihre Leiterplatte korrekt geroutet werden kann, können Sie so kritische Verbindungen manuell vornehmen, bevor Sie den Rest vom automatisierten Teil des Tools erledigen lassen.

Auto-interaktives Routing führt Leiterbahnen durch verschiedene Punkte, wobei der Router die Lücken zwischen den einzelnen Punkten schließt.

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