Was sind PCB-Bauteile und wie werden sie erstellt?

Zachariah Peterson
|  Erstellt: September 7, 2021  |  Aktualisiert am: November 1, 2021
Was sind PCB-Bauteile und wie werden sie erstellt?

Jedes elektronische Gerät benötigt gewisse Bauteile, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Die Modelle für diese Bauteile müssen erstellt werden, bevor sie in CAD-Programmen genutzt werden können. Alle elektronischen Komponenten enthalten spezielle Datensätze, die in Schaltplansymbolen, im Footprint der Leiterplatte und in 3D-Modellen eines PCB-Bauteils gespeichert werden. Diese Daten müssen in allen PCB-Bauteilen enthalten sein, damit sie in einem PCB-Design angezeigt, platziert und mit Leiterbahnen versehen werden können. Die häufigste Frage dabei: Was genau sind die einzelnen Eigenschaften in PCB-Komponenten und wie werden sie erstellt?

Das Erstellen von elektronischen Leiterplatten-Bauteilen ist einfach und gelingt mit Standard-CAD-Tools. Die Komponentendaten werden durch das Einzeichnen spezieller Daten in einer CAD-Anwendung erstellt. Anschließend werden die Komponentendaten zur Wiederverwendung in neuen Projekten in einer Bibliothek gespeichert. In diesem Artikel sehen wir uns genauer an, wie elektronische Bauteile angelegt werden und mit welchen CAD-Tools in Ihrer Designsoftware Sie Ihre Komponenten erstellen können.

Die benötigten PCB-Bauteile auswählen

Die Auswahl von Bauteilen ist Teil des Frontend-Entwicklungsprozess und ist vom Zugang zu den passenden Lieferkettendaten und Elektrospezifikationen Ihrer Komponenten abhängig. Alle Leiterplatten-Bauteile, die Sie für Ihre Leiterplatte auswählen, sollten lieferbar sein, d. h., sie sind auf Lager und bei autorisierten Händlern erhältlich. Außerdem brauchen Sie technische Daten für Ihre Bauteile, damit Sie CAD-Modelle, Simulationen und Gehäusedesigns nach Bedarf erstellen können.

Leider kann es sein, dass Sie beim perfekten Bauteil für Ihre Leiterplatte das Symbol oder den Footprint selbst anlegen müssen, und zwar von Hand in einem CAD-Tool. Eine PCB-Designsoftware enthält Tools, mit denen Sie die grundlegenden Bestandteile elektronischer Bauteilen erstellen und sie dann in Ihr PCB-Layout einfügen können.

Wichtige Daten in elektronischen Bauteilen

Die zwei grundlegenden Bestandteile eines Bauteils sind das Schaltplansymbol und der PCB-Footprint. Schaltplansymbole werden bei der Frontend-Entwicklung genutzt, um die Verbindungen in Ihren Schaltplänen festzulegen und so die entsprechenden Netze in Ihrem PCB-Layout zu definieren. Schaltplansymbole enthalten keine physischen Daten für das Design, sondern nur die stromführenden Verbindungen, die auf der Leiterplatte bereitgestellt werden müssen.

Abbildung schematischer Schaltplansymbole für PCB-Bauteile
Abbildung schematischer Schaltplansymbole für PCB-Bauteile

Der PCB-Footprint umfasst dagegen die physischen Daten, mit denen ein Bauteil in einer 2D-Zeichnung eingezeichnet werden kann. Mit den Daten in einem PCB-Footprint werden später Gerber-Dateien und Bestückungsdaten für Ihr PCB-Layout erstellt. Die Daten Ihres PCB-Footprints müssen die Pad- und Paketangaben in den Datenblättern Ihrer Bauteile genau wiedergeben.

Abbildung eines PCB-Footprints
Abbildung eines PCB-Footprints

In der folgenden Tabelle sind die Daten zusammengefasst, die in Schaltplansymbolen und PCB-Footprints enthalten sein müssen, damit ein Bauteil ordnungsgemäß in Ihren Schaltplänen und im PCB-Layout dargestellt werden kann.

Bauteildaten

Schaltplansymbol

PCB-Footprint

Teilenummer des Herstellers

X

 

Lieferantendaten

X

 

Anschlussflächenmuster

 

X

Paketumriss

 

X

Pin-Bezeichnung

X

X

Pin-Name

X

X

Siebdruckdaten

 

X

Lötstoppmaskendaten

 

X

I/O-Definitionen auf Pins

X

 

Zum Schluss brauchen Sie für ein elektronisches Bauteil noch eine letzte wichtige Sache: das 3D-Modell. Dieses wird zwar nicht für die PCB-Fertigung benötigt, doch moderne Designs erfordern oft ein gewisses Maß an Mechanikprüfung und 3D-Visualisierung. MCAD-Tools können zum Gehäusedesign, zum Prüfen auf Kollisionen und zum Erstellen einer Leiterplattenform für das PCB-Layout genutzt werden.

Abbildung der drei Bestandteile eines PCB-Bauteils: ein schematisches Symbol, der PCB-Footprint und ein 3D-Modell
Abbildung der drei Bestandteile eines PCB-Bauteils: ein schematisches Symbol, der PCB-Footprint und ein 3D-Modell

Bauteilbibliotheken anlegen

Nachdem Sie die Bauteile für eine Leiterplatte erstellt haben, werden diese üblicherweise in einer Bibliothek organisiert. Mit Bibliotheken können Elektronikentwickler alle nötigen Bauteildaten für ein PCB-Layout und die Schaltpläne in eine einzige Datei einbinden. Die Bauteildaten können Sie dann nach Bedarf mit Kollegen, Herstellern oder Kunden teilen.

Bibliotheken können Schaltplansymbole, Footprints oder vollständige Bauteile (Symbole und PCB-Footprints zusammen) enthalten. Viele Unternehmen, die Tausende Bauteile für mehrere Projekte verwalten müssen, beschäftigen einen PCB-Bibliotheksverwalter in Vollzeit. Diese Person hat die Aufgabe, für die Aktualität und Richtigkeit aller Bauteildaten zu sorgen, die in neue Projekte eingefügt werden. Alle Bauteildaten müssen auf Richtigkeit und Aktualität geprüft werden, damit neue Designs bei Bedarf in großen Mengen bezogen werden können.

Nachdem die Bauteile erstellt und die Designdaten geprüft wurden, können Sie die Bauteile in Ihre Schaltpläne und Ihr PCB-Layout einfügen. Bibliotheken tragen entscheidend zur Richtigkeit und Aktualität der Bauteildaten in Ihren Designs bei.

Komponentendaten im Schaltplan und im PCB-Layout

Nachdem Sie Ihre Bauteile und Bibliotheken erstellt haben, können Sie damit ein neues Projekt beginnen. Wenn Sie auf bestehende, überprüfte Bauteile setzen, sparen Sie viel Arbeitszeit beim Design. Wenn Sie ein Bauteil wiederverwenden wollen, rufen Sie es einfach aus den bestehenden Bibliotheken ab und platzieren Sie es im Schaltplan.

Wenn die Bauteile im Design über 3D-Modelle verfügen (normalerweise mit STEP-Dateien), kann das Design im 3D-Modus geprüft werden – oft direkt in Ihrer PCB-Designsoftware. Nachdem das PCB-Layout abgeschlossen ist, sollten Sie die Bauteile im Design auf mechanische Einschränkungen prüfen, damit es keine unerwünschten Kollisionen zwischen Bauteilen, Leiterplatte und Gehäuse gibt. Die besten PCB-Designtools prüfen Abstände und Interferenzen automatisch in 3D, indem sie 2D- und 3D-Designdaten direkt aus Ihren PCB-Bibliotheken abrufen.

3D-PCB-Layout
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Das Erstellen, Beziehen und Verwalten von elektronischen Bauteilen ist einfacher, wenn Sie die umfassenden Designfunktionen von Altium Designer® nutzen. Alle Benutzer in Altium Designer haben Zugriff auf einen eigenen Arbeitsbereich in Altium 365™, wo sie Projekte, Bauteildaten, Fertigungsdaten und sonstige Projektdokumentation speichern und mit Kollegen teilen können. Altium Designer lässt sich auch in gängige MCAD- und Simulationsanwendungen integrieren. So können Sie auch die Systementwicklung angehen und die mechanischen Einschränkungen Ihres Gehäuses und Ihrer Komponenten berücksichtigen.

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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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