Herausforderungen bei modernen PCB-Layouts lösen

Der Fortschritt in der PCB-Technologie ist ein zweischneidiges Schwert. Er hat die Leistungsfähigkeit und Anwendbarkeit von Elektronik erhöht. Aber er macht auch das PCB-Layout schwieriger, was das Risiko längerer Markteinführungszyklen und höherer Produktkosten erhöht. Designer können diese Risiken mindern, indem sie ein einheitliches PCB-Layout-Softwarepaket verwenden, das die notwendige Automatisierung bietet, um Produkte schnell und innerhalb des Budgets auf den Markt zu bringen.

EINFÜHRUNG

„Liebling, ich habe die Kinder geschrumpft.“ „Es ist eine kleine Welt, nach allem.“ Das sind bekannte Phrasen für Disney-Fans – aber sie könnten genauso gut die anhaltende Miniaturisierung von gedruckten Schaltungsplatten (PCB)-Designs beschreiben (Abbildung 1).

Die Platinenfläche ist relativ konstant geblieben, während die Anzahl der Anschlüsse pro Quadratzoll in den letzten 10 Jahren verdreifacht wurde.

Die durchschnittliche Anzahl der Komponenten hat sich in 15 Jahren vervierfacht, während die durchschnittliche Anzahl der Anschlüsse pro Bauteil um den Faktor 4 bis 5x gesunken ist.

Die Anzahl der Pins in einem Design hat sich verdreifacht und die Anzahl der Pin-zu-Pin-Verbindungen hat sich verdoppelt.

Folglich, da Komponenten und fertige Produkte kleiner geworden sind, sind PCB-Layouts dichter und komplexer geworden. Zusammen stellen die zunehmende Miniaturisierung und Komplexität von PCBs mehrere Herausforderungen für PCB-Designer dar, die dafür verantwortlich sind, alles passend und zuverlässig funktionierend zu machen. In einer Umfrage gaben 53 Prozent der befragten Elektronikunternehmen an, dass die zunehmende Komplexität von PCBs ihre Hauptherausforderung darstellt, da sie versuchen, das wettbewerbsfähigste Produkt schneller und kostengünstiger auf den Markt zu bringen.(2) Einige der häufigsten Schmerzpunkte beim PCB-Layout umfassen Folgendes:

Routing von Ball Grid Arrays (BGAs) mit hoher Pin-Anzahl. Entwerfen flexibler PCBs, die in kleine, unregelmäßig geformte Produkte passen. Erhöhung der PCB-Layoutdichte ohne Erhöhung der Schichtanzahl. Vermeidung von Spannungsabfällen in komplexen, vielschichtigen PCB-Designs. Sicherstellung einer effektiven ECAD-MCAD-Integration und besserer Kommunikation mit Herstellern. Einbeziehung ausreichender Testpunkte auf einem dichten, komplexen PCB

All diese Herausforderungen können durch eine hochmoderne, einheitliche PCB-Layout-Software-Suite gemildert werden.

Abbildung 1. Von Zahnbürsten bis hin zu Toastern, von fortgeschrittenen Fahrerassistenzsystemen (ADAS) bis zu fortschrittlichen chirurgischen Geräten, zunehmend komplexe, aber winzige PCBs sind das Gehirn hinter nahezu jedem Aspekt unseres Lebens.

LÖSUNG VON BGA-ROUTING-HERAUSFORDERUNGEN

BGAs sind eine gängige Methode zur Verpackung von PCBs und integrierten Schaltkreisen (ICs), die eine hohe Pinanzahl oder eine extrem hohe Dichte aufweisen. PCB-Designer wählen BGAs, weil sie kosteneffektiv sein können und gleichzeitig die notwendige Flexibilität bieten, um Miniaturisierungs- und Funktionsanforderungen zu erfüllen. Das Problem ist, dass mit steigender Pinanzahl und feiner werdenden Abständen das "BGA-Breakout", also das Routing von BGAs, schwieriger wird. Ineffizientes Routing kann zu einer erhöhten Anzahl von Lagen führen, was wiederum die Kosten in die Höhe treibt und Signalintegritätsprobleme, Delamination und Probleme mit dem Via-Aspektverhältnis verursachen kann.

Begriffe, die man kennen sollte

Insbesondere BGAs mit über 1.500 Pins stellen eine einzigartige Herausforderung für das Routing dar (Abbildung 2). Typischerweise wird das Routing in zwei Schritte unterteilt. Zuerst muss der Designer von den Oberflächen-BGA-Pads in die inneren Lagen des PCBs verbinden – das ist das Fanout. Dann muss der Designer von diesen inneren Lagen-Vias zu den restlichen Komponenten auf dem PCB verbinden.

Oft ist gerade das Herausführen aus einem großen BGA der Hauptgrund für die Anzahl der benötigten Lagen für das Routing. Wenn dieser Vorgang manuell durchgeführt wird, kann der BGA-Breakout-Prozess einen PCB-Layout-Designer mehrere Tage in Anspruch nehmen – doch PCB-Layout-Software kann diesen Prozess automatisieren und die Routing-Zeit oft auf nur wenige Minuten reduzieren. Auf diese Weise kann fortschrittliche PCB-Layout-Software die Kosten für das PCB-Layout senken und auch die Markteinführungszeit verkürzen.

Zusätzlich zum Autorouting kann High Density Interconnect (HDI) auch bei BGA-Routing-Problemen helfen. Siehe die Diskussion über HDI später in diesem Dokument für weitere Informationen.

Abbildung 2. Das Routing eines großen BGA kann zeitaufwendig sein; PCB-Layout-Software-Tools, die eine automatisierungsunterstützte BGA-Breakout-Funktion bieten, können die Routing-Zeit von Tagen auf Minuten reduzieren. Mit freundlicher Genehmigung von Engenious Designs

PCB-Layout-Software-Tools, die eine automatisierungsunterstützte BGA-Breakout-Funktion bieten, können die Routing-Zeit von Tagen auf Minuten reduzieren

SIE MÖCHTEN, DASS DAS PCB WO PASST?

In den einfacheren, frühen Tagen der Elektronik waren Leiterplatten immer ein schönes, vorhersehbares Rechteck. Doch mit dem Aufkommen von tragbaren medizinischen Geräten und der Einführung von Elektronik in nahezu jede denkbare Branche müssen Leiterplatten nun oft kreisförmig oder in irgendeiner unregelmäßigen Form sein und in herausfordernde Räume passen (Abbildung 3). Der Beweis, dass Not tatsächlich die Mutter der Erfindung ist, haben PCB-Layout-Designer clevere Platzierungs- und Routing-Techniken entwickelt – die nützlichste davon wird als Rigid-Flex-Design bezeichnet.

Rigid-Flex-Platinen sind traditionelle starre PCB-Platinen, die mit einem flexiblen gedruckten Schaltkreis verbunden sind, der in kleine Räume gefaltet oder durch kleine Öffnungen eingeführt werden kann. Beim Entwerfen einer Rigid-Flex-Platine müssen Designer mehrere Bereiche berücksichtigen, in denen Probleme auftreten können. Zum Beispiel müssen Biegungen präzise entworfen werden, damit die Platinen richtig ausgerichtet sind, ohne Druckpunkte zu belasten, und der Stackup (die Karte der PCB-Schichten) muss mit diesen Biegungen im Hinterkopf entworfen werden.

In Erinnerung an Papierschnittmuster verwendeten PCB-Designer früher Papiermodelle, um Rigid-Flex-Designs zu simulieren und zu testen. Derzeit bieten führende PCB-Layout-Software dreidimensionale (3D) Modellierung von Rigid-Flex-Baugruppen – einschließlich ungewöhnlicher Formen – was das Design beschleunigt und die Genauigkeit erheblich verbessert.

Abbildung 3. Diese starre-flexible Bluetooth-Schaltungseinheit passt in einen Stecker eines selbstverödenden Skalpells. Mit freundlicher Genehmigung von Engenious Designs.

KOMPLEXITÄT IN KLEINEREN RÄUMEN VERPACKEN

Wie bereits erwähnt, kann das Autorouting dabei helfen, ein PCB-Layout zu optimieren und die Anzahl der Schichten zu minimieren. Eine weitere Möglichkeit, die Dichte auf einer PCB zu erhöhen, ohne die Schichtanzahl zu erhöhen, ist die Verwendung von HDI – eine Layouttechnik, die sehr feine Leiterbahnen und blinde Vias, vergrabene Vias und Mikrovias verwendet (Abbildung 4). HDI kann niedrigere Kosten bei höherer Leistung bieten, wenn es richtig entworfen wird.(3)

HDI bietet mehrere flexible Optionen für die Routing-Topologie und das PCB-Layout. Während HDI jedoch einige Routing- und Dichteprobleme löst, bringt es auch eigene Probleme mit sich, einschließlich der folgenden (4):

Begrenzter Arbeitsbereich auf der Platine

Kleinere Komponenten und dichtere Platzierung

Größere Anzahl von Komponenten auf beiden Seiten der PCB

Längere Leiterbahnen erzeugen längere Signalflugzeiten

Mehr Leiterbahnen erforderlich, um die Platine zu vervollständigen

PCB-Designer können PCB-Layoutsoftware verwenden, um diese Probleme zu lösen und möglicherweise die erforderliche Anzahl von Schichten zu reduzieren.

Abbildung 4. Ein Beispiel-HDI-Modell für große, dichte Platinen mit mehreren hochpoligen BGAs.

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VOR SPANNUNGSABFÄLLEN SCHÜTZEN

Frühe Leiterplatten verfügten über sehr einfache Maschinen und ein Stromverteilungsnetzwerk (PDN), bestehend aus einer großen Massefläche und Komponenten der Stromversorgungsebene auf den inneren Lagen. Die Vorteile eines solchen Designs umfassen einen Pfad mit niedriger Impedanz zur Masse und reichlich Strom aus dieser Kupfermasse, um jeden IC-Bedarf zu decken. Aber die Lösung moderner Herausforderungen im Leiterplattenlayout ist nicht so einfach. Sie arbeiten oft mit mehreren Spannungen, sogar für denselben IC, was mehrere Masse- und Stromversorgungsebenen erfordert. Dies kann potenziell eine Reihe von Problemen verursachen, wie thermische Probleme und Delamination, verursacht durch die Verengung der Stromversorgungsebene (was die Stromdichte erhöht) und elektromagnetische Störungen, verursacht durch Diskontinuitäten in der Massefläche.

Aber am wichtigsten ist, dass die Aufteilung der Stromebene zu weniger Kupfer in der Versorgungsebene führt und daher eine geringere Stromtragfähigkeit zur Folge hat. Während des Schaltens, wenn der Strom sein Maximum erreicht, kann ein schlechtes Design möglicherweise nicht genug Strom liefern, was zu einem Spannungsabfall (auch als DC-Abfall oder IR-Abfall bezeichnet) am IC führt (Abbildung 5). Eine unzureichende Spannung kann Fehlfunktionen verursachen, die in einigen Fällen (wie bei Anwendungen im Automobilbereich, die Übertragungs-, Motor- oder Bremsfunktionen steuern) katastrophal sein können. Um die Sache zu komplizieren, treten solche Spannungsabfälle oft intermittierend auf, nur unter bestimmten Schaltbedingungen. Dies macht sie schwer mit manuellen Techniken zu testen oder zu diagnostizieren.

Glücklicherweise kann eine gute PCB-Layout-Software-Suite eine PDN-Analyse durchführen, manchmal auch IR-Analyse oder Leistungsintegrität DC (PI-DC) Simulation genannt, die überprüft, ob die Ebenen, Leiterbahnen und Durchkontaktierungen auf der Platine ausreichende Größe und Eigenschaften haben, um die Stromverbrauchsanforderungen der Geräte auf der Platine zu erfüllen. Indem Bereiche des Designs identifiziert werden, die wahrscheinlich zu problematischen Spannungsabfällen führen, ermöglicht eine solche Analyse den Designern, zuverlässige und dennoch effiziente PCB-Designs zu erstellen.

Abbildung 5. Obwohl jede Kupferform einen relativ kleinen Widerstand von nur 0,25Ω hat, haben sie dazu geführt, dass die Spannung an der Last von 5V auf 4,5V gefallen ist.

VERBESSERUNG DER KOMMUNIKATION UND ZUSAMMENARBEIT

Allzu oft arbeiten Elektro- und Maschinenbauingenieure in Silos. Dieser Mangel an Kommunikation und Zusammenarbeit kann dazu führen, dass Entwürfe ihre Fristen nicht einhalten; jede Änderungsanweisung im Engineering (ECO) fügt Zeit und Kosten zur Produktentwicklung hinzu und schwächt den Wettbewerbsvorteil Ihres Unternehmens. Und selbst wenn das Design abgeschlossen ist, kann die Kommunikation dieses Designs an den Hersteller zu Frustration und Ungenauigkeiten führen – was wiederum die Entwicklungszeit und -kosten erhöht.

Die beste PCB-Layout-Software löst ECAD-MCAD-Integrationsherausforderungen, indem sie Folgendes tut:

Nahtlose Integration von mechanischen Design-Workflows in Ihr elektrisches Design-Tool

Teilen von Projektmanagementinformationen über Domänen hinweg

Ermöglichen der 3D-Visualisierung des PCB-Designs

Unterstützung der Echtzeit-Prüfung von Freiräumen für Komponenten und mechanische Gehäuse

Ermöglichen virtueller Prototypen komplexer Designelemente wie starr-flexibler Abschnitte

Merkmale wie diese verhindern Kommunikationsabbrüche und führen zu Entwürfen, die rechtzeitig und innerhalb des Budgets abgeschlossen werden.

Wenn das Design abgeschlossen ist, ist es genauso wichtig, dass Ihre PCB-Layout-Software die Erstellung von Dokumentationen unterstützt, die Ihrem Hersteller genau mitteilt, was Sie möchten. Zum Beispiel muss der Hersteller wissen, wie Ihre PCB und Komponenten in das Gesamtprodukt-Design passen und welche Komponenten sie vorrätig haben müssen. Dies lässt sich am besten mit 3D-Drucken und Videos erreichen, die komplexe Design-Details klar kommunizieren.

TESTPUNKTE AUCH BEI DICHTE PCB-LAYOUTS INTEGRIEREN

Da die PCB-Grundfläche aufgrund erhöhter Komponentendichte und Miniaturisierung weiter schrumpft, werden sie anfälliger für Jitter, Übersprechen und elektromagnetische Störungen. Das bedeutet, dass das Testen der PCB wichtiger denn je ist; ironischerweise bedeutet dies jedoch auch, dass der verfügbare Platz für Testpunkte minimiert wird. PCB-Layout-Designer können die PCB-Layout-Software nutzen, um „für den Test zu entwerfen“, indem sie Kontaktstellen für Flugsonden einbauen, sodass Testingenieure die Schaltkreise testen können (Abbildung 6).

Hochfrequente, dichte PCB-Layouts erschweren es oft, Platz auf der Platine für Testpunkte zu reservieren. Aber PCBs, die dem Herstellungsprozess keine kritischen Zugangspunkte bieten, riskieren eine sehr niedrige Testabdeckung (30 Prozent oder weniger) und verpassen wichtige Tests. Eine angemessene Testsondenabdeckung sollte 70 bis 80 Prozent zugänglich sein. (5)

Die folgenden Techniken können helfen, zusätzlichen Platz für Testpunkte zu schaffen (6):

Eine Streifen Lötstopplack am Ende des Bauteilpads belassen.

Das gesamte Via-Pad nicht mit Lötstopplack bedecken.

Nur den freigelassenen Kupferteil als Punkt für eine Testsonde verwenden.

Das Experimentieren mit diesen Techniken manuell könnte ziemlich viel Zeit in Anspruch nehmen. Jedoch kann die richtige PCB-Layout-Software Ihnen helfen, leicht und schnell für den Test zu entwerfen, was zu einer höheren Qualität des PCB-Designs und der Leistung führt.

Abbildung 6. Es ist wichtig, für den Test zu entwerfen, indem man ausreichende Testpunkte im PCB-Layout bereitstellt.

Es ist wichtig, für den Test zu entwerfen, indem man ausreichende Testpunkte im PCB-Layout bereitstellt

EINEN WETTBEWERBSVORTEIL BEWAHREN DURCH DIE VERWENDUNG EINER EINHEITLICHEN PCB-LAYOUT-SOFTWARE-SUITE

Zusätzliche Vorteile der Verwendung einer einheitlichen PCB-Layout-Software-Suite umfassen eine konsistente Benutzeroberfläche für Design, Testen, Projektmanagement und Zusammenarbeit; ein einzelnes Repository für Daten, um Genauigkeit und Sicherheit zu erhöhen; und gesteigerte Effizienz, die aus der Durchführung aller PCB-Designaufgaben in einer einzigen, konsistenten Umgebung resultiert.

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