Die 5 wichtigsten PCB-Designrichtlinien, die jeder PCB-Designer kennen sollte

Wo liegt der Schlüssel zum Design einer Platine, die auf dem Papier und in der Wirklichkeit realistisch ist? Lernen Sie nachfolgend die 5 wichtigsten Richtlinien kennen, mit denen Sie Ihr nächstes PCB herstellbar, funktional und zuverlässig entwickeln können.

Die 5 wichtigsten PCB-Designrichtlinien, die jeder PCB-Designer kennen sollte

Am Anfang eines neuen Designs kann das PCB-Design leicht zu einem Nebenschauplatz werden, wenn Sie die meiste Zeit mit dem Schaltungsdesign und der Bauteilauswahl verbringen. Aber letztendlich kann es bei der Übertragung eines Designs von der digitalen in die reale Welt schnell zu Problemen für Sie und Ihren Hersteller kommen, wenn Sie nicht genügend Zeit und konzentrierten Aufwand in ein gutes PCB-Design investieren. Wo liegt also der Schlüssel zum Design einer Platine, die auf dem Papier und in der Wirklichkeit realistisch ist? Lernen Sie nachfolgend die 5 wichtigsten Richtlinien kennen, mit denen Sie Ihr nächstes PCB herstellbar, funktional und zuverlässig entwickeln können.

Regel 1 – Feintuning für Ihre Bauteilplatzierung beim Layout Ihrer Platine

Die Phase der Bauteilplatzierung in Ihrem PCB-Layout-Prozess ist gleichermaßen eine Kunst und eine Wissenschaft, bei der Sie den auf Ihrer Platine verfügbaren Platz strategisch abwägen müssen. Dieser Vorgang kann eine Herausforderung sein, denn die Platzierung Ihrer Bauteile entscheidet darüber, wie einfach Ihre Platine herzustellen ist und wie gut sie Ihre ursprünglichen Design-Anforderungen erfüllt.

Obwohl eine allgemeine Richtlinie besagt, die Bauteile in der Grundreihenfolge Steckverbinder, stromführende Schaltungen, Präzisionsschaltungen, kritische Schaltungen etc. zu platzieren, gibt es zusätzlich noch eine ganze Reihe spezifischer Richtlinien, wie zum Beispiel:

• Ausrichtung. Sie sollten ähnliche Bauteile unbedingt in derselben Richtung platzieren, um einen effizienten und fehlerfreien Lötprozess zu gewährleisten.
• Platzierung. Vermeiden Sie die Platzierung von Bauteilen auf der Lötseite der Platine, wo sie hinter beschichteten Durchsteck-Bauteilen liegen würden.
• Organisation. Wir empfehlen, alle Ihre SMDs auf derselben Seite der Platine und alle Durchsteck-Bauteile auf der Oberseite Ihrer Platine zu platzieren, um die Anzahl der Bestückungsschritte zu minimieren.

Eine letzte PCB-Design-Richtlinie, die Sie sich merken sollten: Bei der Verwendung von Mischtechnologie-Bauteilen (Durchsteck- und SMT-Bauteile) benötigen die Hersteller möglicherweise einen separaten Prozess für die Bestückung Ihrer Platine, was Ihre Gesamtkosten erhöht.

       ^{Gute Ausrichtung von Chip-Bauteilen                     Schlechte Ausrichtung von Chip-Bauteilen}  

              ^{Gute Platzierung von Bauteilen                  Schlechte Platzierung von Bauteilen (Abschattung)}

Regel 2 – Platzierung Ihrer Stromversorgungs-, Masse- und Signalleiterbahnen

Sobald Ihre Bauteile platziert sind, können Sie die Leiterbahnen für die Stromversorgung, die Signalübertragung und die Masseverbindung verlegen, damit Ihre Signale einen freien und reibungslosen Weg nehmen können. Es folgen einige Richtlinien für diese Phase Ihres Layout-Prozesses:

Ausrichtung der Stromversorgungs- und Masseflächen

Es wird stets empfohlen, Ihre Stromversorgungs- und Masseflächen auf Innenlagen, symmetrisch und zentriert anzuordnen. So vermeiden Sie eine Biegung Ihrer Platine, die auch Einfluss auf die ordnungsgemäße Platzierung Ihrer Bauteile hat. Zur Stromversorgung Ihrer ICs sollten Sie für jede Versorgung gemeinsame Leitungen benutzen, auf robuste und breite Leiterbahnen achten und ein Daisy-Chaining der Versorgungsleitungen von einem Bauteil zum anderen vermeiden.

Anschließen der Signalleiterbahnen

Als Nächstes müssen Ihre Signalleitungen gemäß Ihren Schaltplanvorgaben verbunden werden. Es wird empfohlen, die Leiterbahnen immer möglichst kurz und direkt zwischen den Bauteilen zu verlegen. Sollte Ihre Bauteilplatzierung doch einmal die horizontale Führung der Leiterbahn auf einer Seite der Platine erzwingen, sollten Sie die Leiterbahnen auf der gegenüberliegenden Seite immer vertikal platzieren.

Festlegung der Netzbreiten

Ihr Design wird vermutlich verschiedene Netze mit einem breiten Spektrum von Stromstärken benötigen. Letztere bestimmen dabei die Netzbreite. Unter Berücksichtigung dieser Grundanforderung empfehlen wir 0,010" Breite für analoge und digitale Signale mit geringen Strömen. Wenn Ihre Leiterbahnen mehr als 0,3 Ampere führen, sollte das Netz breiter sein. Dieser kostenlose Leiterbahn-Breitenrechner, vereinfacht diesen Prozess.

^{Bevorzugtes Routing: (Pfeile zeigen die Richtung der Lötmigration)}

^{Nicht bevorzugtes Routing: (Pfeile zeigen die Richtung der Lötmigration)}

Regel 3 – Alles schön getrennt halten

Wahrscheinlich haben Sie schon einmal erlebt, wie hohe Spannungen in Stromversorgungs-Schaltungen und Stromspitzen störend auf Niederspannungs- und Stromreglerschaltungen einwirken können. Um diese Interferenzen zu minimieren, befolgen Sie bitte die folgenden Richtlinien:

• Trennung. Halten Sie die Massen für Stromversorgung und Regelung unbedingt für jede Stromversorgungsstufe getrennt. Wenn Sie diese auf Ihrer PCB wirklich zusammenführen müssen, tun Sie das am besten gegen Ende Ihres Versorgungspfades.
• Platzierung. Wenn Sie Ihre Massefläche auf der mittleren Lage platziert haben, sollten Sie unbedingt einen Pfad mit geringer Impedanz anlegen, um das Risiko für Störbeeinflussungen aus der Stromversorgungs-Schaltung zu minimieren und Ihre Steuersignale zu schützen. Dieselbe Richtlinie kann angewandt werden, um die Massen für digitale und analoge Schaltungen getrennt zu halten.
• Kopplung. Zur Reduzierung der kapazitiven Kopplung durch große Masseflächen und die darüber und darunter verlaufenden Leitungen sollten nur analoge Leitungen die analoge Masse queren.

^{Beispiel für die Separierung von Bauteilen (digital und analog)}

Regel 4 – Wärmeprobleme bekämpfen

Ist es Ihnen schon einmal passiert, dass die Leistungsfähigkeit Ihrer Schaltung aufgrund von Wärmeproblemen beeinträchtigt wurde oder dass Ihre Platine sogar beschädigt wurde? Dieses Problem betrifft viele Designer, die keine Wärmeabführung einplanen. Hier sind einige Richtlinien zur Vermeidung von Wärmeproblemen:

Identifikation problembehafteter Bauteile

Im ersten Schritt müssen Sie überlegen, welche Bauteile auf Ihrer Platine am meisten Wärme abgeben. Dazu können Sie im Datenblatt Ihrer Bauteile unter „Wärmewiderstand“ nachsehen und dann die empfohlenen Richtlinien zur Ableitung der entstehenden Wärme befolgen. Natürlich können Sie auch Kühlkörper und Lüfter einbauen, um die Bauteile zu kühlen, aber zusätzlich sollten Sie kritische Bauteile möglichst weit von Wärmequellen entfernt platzieren.

Hinzufügen thermischer Entlastungen

Das Hinzufügen von "Thermal Reliefs" eignet sich hervorragend zur Entwicklung einer herstellbaren Platine. Von essenzieller Bedeutung sind sie außerdem für die Schwalllötung von Baugruppen mit hohem Kupfergehalt und mehrlagigen Platinen. Weil sich die Einhaltung der Prozesstemperaturen schwierig gestalten kann, wird stets empfohlen, thermische Entlastungen bei Durchsteck-Bauteilen zu setzen, um den Lötvorgang so gut wie möglich zu vereinfachen. So verlangsamen Sie die Durchtrittsgeschwindigkeit der Wärme durch die Bauteilschichten.

Generell sollten Sie immer ein thermisches Entlastungsmuster für Durchkontaktierungen oder Bohrungen vorsehen, die mit Masse- oder Stromversorgungs-Flächen verbunden sind. Zusätzlich zu thermischen Entlastungen können Sie auch Teardrops platzieren, an denen die Leiterbahnen mit Pads zusammenlaufen, um mehr unterstützendes Kupfer bzw. Metall zur Verfügung zu stellen. So wird die mechanische und thermische Belastung reduziert.

^{Typisches thermisches Entlastungsmuster}

Regel 5 – Überprüfen Sie Ihre Arbeit

Allzu leicht wird man am Ende des Design-Projekts von dem Aufwand überwältigt, den das Zusammenfügen aller Teile mit sich bringt. Das doppelte und dreifache Prüfen Ihrer Arbeit auf Fehler kann in der Phase über Erfolg oder Misserfolg bei der Herstellung entscheiden.

Zur Unterstützung dieses Qualitätskontrollprozesses wird stets empfohlen, zuerst eine elektrische Regelprüfung (ERC) und eine Entwurfsregelprüfung (DRC) durchzuführen, um die Einhaltung aller Vorgaben zu gewährleisten. Mit diesen beiden Systemen können Sie leicht Regeln für Abstandsbreiten, Leiterbahnbreiten, übliche Herstellungsstrukturen, Hochgeschwindigkeits-Anforderungen und Kurzschlüsse durchsetzen.

Wenn ERC und DRC fehlerlose Ergebnisse hervorgebracht haben, können Sie anschließend das Routing jedes Signals überprüfen und sicherstellen, das Sie nichts übersehen haben. Dazu müssen Sie Ihren Schaltplan Leitung für Leitung durchgehen. Und natürlich müssen Sie mit den Probing- und Maskierungs-Funktionen Ihres Design-Tools prüfen, ob Ihr PCB-Layout mit dem Schaltplan übereinstimmt.

^{Prüfen Sie Ihre Regeln für Design, PCB und Vorgaben am besten doppelt}

Fazit zum Platinendesign

Das waren sie schon – unsere 5 wichtigsten PCB-Designrichtlinien, die jeder PCB-Designer kennen sollte. Wenn Sie diese kleine Liste mit Empfehlungen befolgen, sind Sie auf dem besten Weg zu einer funktionalen und herstellbaren Platine und einem wahrlich hochwertigen PCB.

Gute PCB-Design-Methoden sind erfolgsentscheidend. Sie bilden die Grundlage für das Aufbauen und Verfestigen einer Praxis der kontinuierlichen Verbesserung in allen Ihren Designdisziplinen.

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