Anfängerfehler beim PCB-Design und wie man sie vermeidet

Wenn man mit dem Leiterplattendesign anfängt, betrachtet man den Vorgang typischerweise einfach als „Verbinden von Punkten”: Solange Verbindungen hergestellt werden, ist es nicht besonders wichtig, wie diese Verbindungen zustande kommen. 

Leider entspricht dies absolut nicht der Wahrheit. Als PCB-Designer müssen wir uns, vor allem angesichts der ständig steigenden Geschwindigkeiten bei elektronischen Geräten und strengeren Emissionsstandards, mit den kompliziertesten Details der Leiterplatte und unserer Verbindungen befassen. Wenn wir unvorsichtig sind, riskieren wir eine schlechte Signalintegrität und eine mangelhafte elektromagnetische Verträglichkeit.

Nachdem ich in den letzten Jahren eine ganze Reihe von Leiterplatten anderer PCB-Designer überprüft habe sowie auf einige meiner ersten Leiterplattendesigns zurückblicke, sehe ich, dass sie einige leider fehlerhafte Vorkommnisse gemeinsam haben.

Dieser Artikel soll die fünf häufigsten Anfängerfehler im PCB-Design veranschaulichen und erläutern, was wir tun können, um sie zu vermeiden. Los geht's!

Leiterbahnabstände

Die Hersteller haben Mindestabstände, die sie fertigen können. Je kleiner der erforderliche Abstand ist, desto kostspieliger wird typischerweise die Leiterplatte/PCB.

Ein häufiger Anfängerfehler ist die Annahme, dass die einfache Einhaltung des zulässigen oder herstellbaren Mindestabstandes der richtige Weg ist. Wie oben gezeigt, sind Leiterbahnen aller Signaltypen zusammengepackt, begrenzt nur durch die Designregel, die auf den vom Hersteller vorgegebenen Mindestabstand zwischen den Leiterbahnen festgelegt wurde.

Leider ist diese Art des Routings nicht nur schwieriger herzustellen und führt zu einer geringeren Leiterplattenausbeute, sondern erhöht auch die Kopplung von Leiterbahn zu Leiterbahn erheblich und führt somit zu erhöhtem Übersprechen und Rauschen.

Insbesondere lange Abschnitte mit eng beieinander liegenden, parallel verlaufenden Leiterbahnen sind ein No-Go, es sei denn, es lässt sich einfach nicht vermeiden.

Unser erster einfacher Tipp ist daher, einen angemessenen Abstand zwischen den Leiterbahnen einzuhalten. Als Faustregel gilt, dass der Abstand mindestens das Dreifache des Abstands zwischen der Signalschicht und der benachbarten Referenzschicht betragen sollte. Bei einer dielektrischen Dicke von 0,11 mm würden wir zum Beispiel einen Leiterbahnabstand von mindestens 0,33 mm anstreben – vorzugsweise sogar noch größer.

Leiterbahnbreiten

Ein weiterer häufiger Anfängerfehler beim PCB-Design besteht darin, für jede Art von Leiterbahn dieselbe Leiterbahnbreite zu verwenden. Sei es eine stromführende Leiterbahn, ein hochohmiger Knoten, ein High-Speed Signal und so weiter.

Es mag bequem sein, die gleiche Leiterbahnbreite für das gesamte Design zu verwenden, aber es ist sicherlich nicht optimal. 

Leiterbahnen und ihre Breiten sollten nach verschiedenen Faktoren bemessen werden. Zum Beispiel sollte eine Leiterbahn, die größeren Strom trägt, breiter sein, eine hochohmige und empfindliche Signal-Leiterbahn muss dünner sein, und eine Leiterbahn für HF-Signale muss typischerweise impedanzgesteuert werden.

Viele Leute werden überrascht sein, dass zum Beispiel eine 0,2 mm breite Leiterbahn eine Stromstärke von bis zu etwa einem Ampere bewältigen kann, und das bei einem Temperaturanstieg von nur 20 Grad Celsius!

Via-Größen

Wie bei Leiterbahnen müssen auch Vias entsprechend in der Größe angepasst werden. Für Vias müssen wir zwei Hauptparameter bestimmen. Den Gesamtdurchmesser der Via und den Bohrdurchmesser. Subtrahiert man den Bohr- vom Via-Durchmesser und halbiert dann das Ergebnis, erhält man den Restring.

Die Hersteller verfügen über Mindestkapazitäten sowohl für den Bohrdurchmesser als auch für den Restring. PCB-Design-Anfänger machen in der Regel entweder den Bohrdurchmesser zu groß oder zu klein oder den Restring zu klein, um zuverlässig gefertigt zu werden (sofern dies überhaupt möglich ist!).

Meine Empfehlung für eine „Standard“-Via ist 0,7 mm Durchmesser mit einem 0,3 mm Bohrer. Eine solche Via kann problemlos ein bis zwei Ampere Strom führen.

Entkopplung

Unerfahrene PCB-Designer übersehen oft die richtige Entkopplung. Leider ist die Entkopplung jedoch entscheidend für ein wohlerzogenes und funktionierendes System. 

Eine gute Entkopplung mit niederohmigen Anschlüssen gewährleistet eine ordnungsgemäße Stromversorgung von ICs, die in kurzer Zeit eine große Energiemenge benötigen. Angesichts der sinkenden IC-Anstiegs- und Abfallzeiten und des steigenden Strombedarfs wird dies zu einem immer kritischeren Problem.

Wir können eine gute Entkopplung erzielen, indem wir Entkopplungskondensatoren in der Nähe relevanter IC-Pins platzieren, kurze und breite Leiterbahnen verwenden und Power Vias in unmittelbarer Nähe zueinander platzieren. 

Referenzebenen

Der letzte Tipp ist, solide Referenzen (am häufigsten „GND“- oder „0V“-Ebenen) in Ihren Designs zu verwenden.

Viele PCB-Designer beschäftigen sich nur mit dem Vorwärtspfad, den ein Signal nimmt. Signale und Elektrizität bewegen sich jedoch in geschlossenen Kreisläufen und müssen zu einer Quelle/einem Treiber zurückkehren.

Es zeigt sich, dass beim Anlegen einer AC-Leiterbahn (Frequenz größer als einige kHz) auf einer Leiterplatte, der Rückstrom sofort in der Ebene darunter ist. Dies ist auf elektromagnetische Felder zurückzuführen, die die tatsächliche Energie des Signals enthalten und zwischen der Leiterbahn und der Ebene erzeugt werden.

Daher müssen wir sicherstellen, dass wir für AC-Signale eine Referenzebene direkt darunter haben. Dies kann 0 V oder in bestimmten Fällen eine geeignete Referenz-Versorgungsfläche sein. Wir müssen auch sicherstellen, dass wir keine großen Lücken oder Spalten in dieser Referenzebene erzeugen, und wenn doch, dann kreuzen wir diese Spalten nicht mit einer Leiterbahn auf der Signalebene. Dies führt zu kritischen EMI-Problemen.