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PCB Layout Design Tutorial Anleitung für Ihr nächstes Elektronikprojekt

Eine Leiterplatte (PCB) dient als Plattform für die Verbindung elektronischer Komponenten. Die Designer müssen die DFM- und IPC-Standards für das Schaltungsdesign einhalten, um die Betriebsleistung der Leiterplatte zu verbessern. Dennoch ist das Design einer Leiterplatte eine komplexe Aufgabe, die umfangreiche Kenntnisse erfordert. In diesem Tutorial möchte FS Technologies die wichtigsten Tipps und Regeln für das Leiterplattendesign, die für die Gewährleistung der Funktionalität und Zuverlässigkeit des Endprodukts für Ihr bevorstehendes Projekt unerlässlich sind.

PCB-Layout-Richtlinien

Blaue Lötmaske PCB Bare Board

Das PCB-Layout ist ein entscheidender Aspekt des Schaltungsdesigns, da es die Größe, Form und Anordnung der Komponenten sowie die Kupferbahnen, die sie verbinden, bestimmt. Es umfasst auch die Platzierung von Vias, Steckverbinder und andere mechanische Komponenten, die für PCB-Montage und Leiterplattenmontage. Ein effektives Layout-Design sollte Probleme wie Signalrauschen, Übersprechen und EMI minimieren. In der Regel empfiehlt es sich, hohe Leiterbahnen kurz und direkt zu halten und alle Leiterbahnen von störenden Komponenten wie Netzteilen und Motoren fernzuhalten. In diesem Tutorial werden wir uns mit diesen Themen eingehender beschäftigen.

Signalrauschen

  • Verkürzen Sie die Verdrahtungswege: Der Stromfluss in einem Schaltkreis hängt von der Verkabelung ab. Zu lange Drähte können den Leitungswiderstand erhöhen, die Geschwindigkeit der Signalübertragung verringern und die Signalqualität verschlechtern.
  • Trennen Sie digitale und analoge Signale: Digitale Signale enthalten hochfrequente Komponenten und Störungen. Wenn digitale und analoge Signale zusammen verlegt werden, kann das analoge Signal gestört werden. Es wird empfohlen, die Erdungsdrähte dieser Signale zu trennen, um Rückflussstörungen zu vermeiden.
  • Grundriss: Dazu gehört die bewusste Trennung der Masseschichten in verschiedene Bereiche, um angemessene Masseverbindungen zwischen den Regionen sicherzustellen. Die Trennung von Massebereichen kann die thermische Leistung verbessern und Signalstörungen reduzieren, was für die Aufrechterhaltung der normalen Betriebstemperaturen der Komponenten entscheidend ist.
  • Verhindern Sie Störungen: Zusätzlich zur Verdrahtung und Planung kann die Verwendung von Komponenten wie Filtern, Kondensatoren und Induktoren die gegenseitige Störung von Signalen verhindern. Diese Komponenten können die elektromagnetische Strahlung und die elektromagnetische Anfälligkeit der Schaltung reduzieren. Bei Bedarf kann FS Technology umfassende Dienstleistungen für gedruckte Schaltungen anbieten, darunter Komponentenbeschaffung. Wir beziehen hochwertige Komponenten von zertifizierten Herstellern für Ihr PCBA-Projekt.
  • Ausgewogenes Layout: Dabei handelt es sich um eine Technik, die auf einem vernünftigeren Layout zwischen Komponenten und Signalleitungen beruht, um die Leistung der Schaltung zu verbessern. Zu den zu berücksichtigenden Faktoren gehören die Stromverteilung, die Signalpins, die Erdungsplanung, die Stromversorgungskapazität und die Impedanzanpassung.

Crosstalk

  • Trennung von High-Speed- und Low-Speed-Signalleitungen: Hochgeschwindigkeitssignale ändern sich schneller, aber sie haben auch einige Nachteile, wie z.B. elektromagnetisches Übersprechen, das die Stabilität und Zuverlässigkeit von langsamen Signalleitungen aufgrund der Frequenz beeinträchtigen kann. Daher kann eine effektive Verteilung von Strom- und Erdungskabeln die Wahrscheinlichkeit des gegenseitigen Übersprechens verringern.
  • Vernünftige Bodenplanung: Eine ordnungsgemäße Erdungsplanung stellt sicher, dass alle Geräte auf der Platine effektiv geerdet sind. Die folgenden Regeln sollten befolgt werden: Minimieren Sie Masseschleifen, halten Sie Masseflächen ein, vermeiden Sie dünne und lange Masseleitungen und verwenden Sie eine große Massefläche.
  • Verwenden Sie eine Abschirmung: Wenn Übersprechen beim Design unvermeidlich ist, ist eine Abschirmung eine gute Lösung. Sie besteht aus Metallmaterialien, die um die Signalleitung herum angebracht werden, die vor Störungen geschützt werden muss. Sie kann die Signalleitung effektiv isolieren und Störungen durch elektromagnetische Strahlung reduzieren.
  • Geeignete PCB-Lagen: Das Hinzufügen weiterer Schichten erhöht zwar die Kosten, ist aber eine effektive Lösung. Mehrschichtige Leiterplatte bieten mehr Signalschichten, und die Lücke zwischen den Schichten kann die Oberfläche vergrößern und damit Übersprechprobleme reduzieren.

Elektromagnetische Interferenz

  • Hierarchisches Layout: Bei High-End-Anwendungen, die eine große Anzahl von Leitungen auf der Platine erfordern, können die Komplexität und die Kreuzung der Leitungen zu elektromagnetischen Störungen führen. Hochfrequenz-Leiterplatte wird in solchen Anwendungen häufig verwendet, und ein geschichtetes Layout oder eine PCB-Impedanzkontrolltechnologie kann helfen, Probleme wie Signalverzerrungen und Jitter zu reduzieren.
  • Geeignetes Substratmaterial: Unterschiedliche Trägermaterialien haben unterschiedliche Auswirkungen auf die Leistung von Leiterplatten. Deshalb ist es wichtig, die Eigenschaften der verschiedenen Arten von PCB bevor Sie mit dem Designprozess beginnen. Zum Beispiel können Materialien wie Glasfaser und Polyimid helfen, elektromagnetische Störungen zu reduzieren.
  • Simulation und Analyse: Die Schaltungssimulation und -analyse vor dem Entwurf kann den Entwicklern helfen, das Funktionsprinzip und die Leistung der Schaltung zu verstehen sowie die Entstörungsleistung vorherzusagen und zu optimieren. Tools wie der SPICE-Simulator können genaue numerische Berechnungen und Simulationen der Schaltung durchführen und so den Entwicklern helfen, die Leistung der Schaltung zu bewerten und die Komponentenparameter zu bestimmen. Simulatoren für elektromagnetische Felder können die Ausbreitung und Interferenz von elektromagnetischen Feldern simulieren und so bei der Analyse und Lösung von Problemen mit elektromagnetischen Interferenzen helfen.

Tutorial zur Platzierung von Komponenten

Da dies einer der kritischsten Abschnitte auf der Leiterplatte ist, sollten die wichtigsten Komponenten beim Entwurf nahe der Mitte der Leiterplatte platziert werden. So können Sie die Länge der Signalleitungen minimieren und die Möglichkeit von Interferenzen verringern. Hier finden Sie einige Anleitungen für die Platzierung von Komponenten beim PCB-Design:

  • Nach Funktion gruppieren: Verschiedene Komponenten haben unterschiedliche Funktionen und Aufgaben. Designer müssen ihre Eigenschaften verstehen und die Schaltung je nach Funktion in verschiedene Teile unterteilen. Dann können sie verwandte Komponenten zusammen platzieren, um den Signalpfad besser zu kontrollieren und die Signalübertragung zu optimieren. Stromversorgungskomponenten sollten beispielsweise nahe beieinander platziert werden, und Komponenten, die zum gleichen Signalpfad gehören, sollten gruppiert werden.
  • Montage und Reparatur: Die im Layout entworfenen Komponenten werden bei der Endmontage der PCBA verwendet. Wenn die Abstände zu gering sind, kann dies zu Schwierigkeiten bei der Montage und zu Fehlern führen, was die Projektkosten erhöht. Daher ist die Berücksichtigung der Möglichkeit der Montage beim Entwurf des Komponentenlayouts eine Technik zur Kostensenkung. Darüber hinaus ist ein Ausfall der PCBA unvermeidlich, so dass es notwendig ist, die Reparatur oder Entlöten von Bauteilen.
  • Thermische Eigenschaften von Komponenten: Einige Komponenten erzeugen mehr Wärme, wenn der Schaltkreis in Betrieb ist, z. B. Leistungsverstärker und Prozessoren. Wenn die Komponenten jedoch zu dicht platziert werden, können Komponenten mit schlechter thermischer Leistung beeinträchtigt und beschädigt werden. FS Technology empfiehlt, wärmeerzeugende Komponenten bei der Gestaltung von Leiterplatten in offenen oder wärmeableitenden Bereichen zu platzieren, um eine gegenseitige Beeinflussung der Komponenten zu vermeiden.
  • Datenübertragung: Wie bereits erwähnt, ist die Verkürzung des Signalwegs entscheidend. Daher sollten kommunizierende Komponenten wie Mikroprozessoren, Speicher und Schnittstellenchips nahe beieinander platziert werden. Diese Komponenten kommunizieren miteinander oder tauschen Daten aus, und wenn Sie sie nahe beieinander platzieren, können Sie die Datenübertragungszeit verkürzen.
  • Orientieren und Ausrichten: Die Orientierung und Ausrichtung der Komponenten hängt mit der Signalflussrichtung, der Sauberkeit der Platine und dem Signalweg zusammen. Daher, Komponentenorientierung ist ein wesentlicher Aspekt der PCB-Designrichtlinien. Hier einige Tipps: Widerstände sollten senkrecht zur Leiterplattenrichtung platziert werden, und Kondensatoren sollten parallel zur Leiterplatte platziert werden, um das Routing zu erleichtern.
  • Befolgen Sie die Empfehlungen des Herstellers: Die Designdateien müssen schließlich an den Hersteller weitergeleitet werden. Für PCBA-Unternehmen wie FS Technology gibt es eine unabhängige Designabteilung, deren Mitglieder erfahrene Praktiker der Elektronikindustrie sind. Daher ist es für das Projekt oft eher von Vorteil als von Nachteil, wenn Sie sich auf die Änderungsvorschläge des PCBA-Unternehmens beziehen.

Regeln für die Spurbreite

PCB Leiterbahnbreite

Die Breite einer Leiterbahn auf einer Leiterplatte sollte sich nach dem Strom richten, den sie führen muss. Es sollte sichergestellt werden, dass die Breite der Leiterbahn ausreicht, um eine Überhitzung oder ein Durchbrennen aufgrund eines hohen Stromflusses zu verhindern. 

Die Formel zur Berechnung der Leiterbahnbreite einer Leiterplatte lautet wie folgt:

Leiterbahnbreite (W) = (Temperaturanstieg × Gewicht des Kupfers)/(Interne Leiterbahnlänge × Querschnittsfläche des Kupfers)

Wo,

Temperaturanstieg Maximal zulässiger Temperaturanstieg für die Spur

KupfergewichtGewicht des Kupfers pro Flächeneinheit der Leiterbahn. 

Interne Leiterbahnlänge Länge der Leiterbahn, die intern auf der Leiterplatte verläuft.

Querschnittsfläche des Kupfers Fläche des Querschnitts der Leiterbahn aus Kupfer. Sie wird durch Multiplikation der Leiterbahnbreite mit der Dicke des Kupfers berechnet

PCB Via Tipps

Ein Via ist ein kleines Loch, das durch verschiedene Schichten einer Leiterplatte verläuft und diese miteinander verbindet. Es ist wichtig, Durchkontaktierungen beim Leiterplattendesign richtig zu verwenden. Vias sollten an Stellen platziert werden, die andere Komponenten oder Signalbahnen nicht beeinträchtigen, und es sollte darauf geachtet werden, dass es nicht zu Interferenzen mit anderen Vias oder Komponenten kommt. Es gibt drei Arten von Durchkontaktierungen, die sich nach ihrer Position auf der Leiterplatte richten:

  • Durchgangsbohrung über: Dieses Via geht von oben nach unten durch die Leiterplatte und ist einfach zu bohren, da Sie nicht an der gewünschten Stelle aufhören müssen zu bohren. Dieses Via ist größer als die anderen Typen.
  • Begraben über: Im Gegensatz zu herkömmlichen Durchkontaktierungen, die die oberen und unteren Schichten einer Leiterplatte verbinden, befinden sich vergrabene Durchkontaktierungen zwischen den inneren Schichten und sind von der Oberfläche aus nicht sichtbar. Eine effiziente Nutzung des Platzes auf der Leiterplatte kann dazu beitragen, die Größe und das Gewicht elektronischer Geräte zu reduzieren.
  • Blind über: Diese Vias verbinden eine äußere Schicht mit einer inneren Schicht der Leiterplatte. Ihre Herstellung ist eine technische Herausforderung, denn die Bohrungen müssen mit Präzision ausgeführt werden.

Erdungsrichtlinien

  • Verwenden Sie eine solide Grundplatte: Eine solide Massefläche bietet einen niederohmigen Rückweg für den Strom, reduziert Rauschen und verbessert die Zuverlässigkeit der Schaltung. Idealerweise sollte die Massefläche die gesamte Leiterplatte abdecken, um sicherzustellen, dass der Stromrückflussweg immer so kurz wie möglich ist.
  • Halten Sie Hochgeschwindigkeits-Signalrückströme von anderen Erdströmen getrennt: Hochgeschwindigkeitssignale können erhebliche Stromschleifen erzeugen, die mit anderen Erdströmen interferieren können. Um diese Interferenzen zu minimieren, ist es wichtig, dass die Rückströme von Hochgeschwindigkeitssignalen von anderen Erdströmen getrennt werden. Dies kann durch die Verwendung einer separaten Massefläche oder durch die gemeinsame Führung der Hochgeschwindigkeitssignale und ihrer Rückströme erreicht werden.
  • Minimieren Sie den Bereich der Erdschleife: Masseschleifen können unerwünschtes Rauschen in der Schaltung erzeugen. Um den Bereich der Masseschleifen zu minimieren, halten Sie den Massepfad so kurz und direkt wie möglich. Versuchen Sie, die Verlegung von Masseleitungen in Schleifen oder die Verwendung mehrerer Massepunkte zu vermeiden.
  • Getrennte analoge und digitale Masse: Analoge und digitale Schaltungen sollten getrennt gehalten werden, um Interferenzen zu vermeiden. Es ist wichtig, die analogen und digitalen Masseebenen getrennt zu halten und sie an einem einzigen Punkt zu verbinden, um Masseschleifen zu vermeiden. Die Trennung von analoger und digitaler Masse kann helfen, Übersprechen, Rauschen und Interferenzen zu reduzieren.
  • Erwägen Sie eine Erdung für Netzteile: Die Netzteile sollten ordnungsgemäß geerdet sein, um Rauschen und Interferenzen zu minimieren. Verwenden Sie für jedes Netzteil eine separate Erdungsverbindung und verbinden Sie sie an einem einzigen Punkt mit der Haupterde. Es ist wichtig, eine gemeinsame Erdungsverbindung zwischen verschiedenen Netzteilen zu vermeiden, da dies zu Erdungsschleifen führen und Rauschen in den Stromkreis einbringen kann. Eine ordnungsgemäße Erdung kann die Leistung und Zuverlässigkeit der Schaltung verbessern.

Richtlinien für die Stromversorgung

Wir sollten Spannungsregler und Filter verwenden, um sicherzustellen, dass die Stromversorgung stabil und zuverlässig ist und die Nennwerte erreicht. Es ist auch wichtig, dass die Leiterbahnen des Netzteils breit genug sind, um die Stromlast zu bewältigen.

  • Minimieren Sie Spannungsabfälle: Verwenden Sie dicke Leiterbahnen oder mehrere parallele Leiterbahnen, um den Spannungsabfall zwischen der Stromversorgung und der Last zu minimieren. Berechnen Sie den Spannungsabfall und passen Sie die Leiterbahnbreite entsprechend an.
  • Berücksichtigen Sie das Wärmemanagement: Netzteile können erhebliche Wärme erzeugen, insbesondere wenn sie mit hohen Stromstärken arbeiten. Erwägen Sie den Einsatz von Kühlkörpern, Lüftern oder anderen Kühlmechanismen, um die Wärme abzuleiten und einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten.
  • Umgehung des Netzteils: Wenn Ihre Schaltung empfindliche analoge oder digitale Komponenten enthält, sollten Sie einen Bypass-Kondensator zwischen der Stromversorgung und der Masse einfügen. Dies kann dazu beitragen, Spannungsschwankungen zu glätten und Rauschen zu vermeiden.

PCB Test Richtlinien

Die Überwachung der gesamten PCB-Test ist ein entscheidender Aspekt bei der Validierung des Designs, und die Auswahl eines PCBA-Prototyping-Service mit einer schnellen Durchlaufzeit kann Ihnen helfen, die Tests schnell abzuschließen, so dass Probleme erkannt und behoben werden können, bevor sie zu größeren Problemen werden. Es ist wichtig, jede Komponente und jedes Subsystem während des Bauprozesses zu testen und das gesamte Board nach Abschluss der Montage gründlich zu prüfen. Automatisierte Testwerkzeuge können den Testprozess unterstützen und das Risiko menschlicher Fehler verringern. Ziehen Sie den Einsatz von Leiterplattenprüfgeräten wie Boundary Scan, automatische optische Inspektion (AOI) oder automatische Röntgeninspektion (AXI) in Betracht. Um die ICP-Tests zu vereinfachen, können Sie einen Programmieranschluss oder ein Programmierpad hinzufügen.

Fazit

Mit bekannten PCB-Layout-Software in Designprojekten kann Ihren Designprozess vereinfachen. Mit diesen Tools können Designer Layoutentwürfe erstellen, bearbeiten und optimieren, bevor PCB-Herstellung. Die Beachtung der oben genannten Regeln und die Anwendung dieser Techniken sowie die Übersendung der Designdateien an die Mailbox von FS Technology sind Schlüsselfaktoren für die Herstellung hochwertiger Leiterplatten oder PCBAs und die Aufmerksamkeit der Elektronikhersteller.

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