In der Elektronikentwicklung ist das PCB-Layout-Design die entscheidende Brücke zwischen der Schaltungstheorie und der physischen Umsetzung.Eine ausgezeichnete PCB-Design gewährleistet nicht nur die ordnungsgemäße Funktionalität der Schaltkreise, sondern verbessert auch die Zuverlässigkeit des Produkts, senkt die Produktionskosten und vereinfacht die künftige Wartung.Dieser Artikel befasst sich mit dem gesamten Prozess des PCB-Layout-Designs, vom ersten Schaltplanentwurf bis zur Endkontrolle, mit detaillierten Richtlinien und praktischen Tipps für jede Phase.
1.Pre-Layout-Vorbereitung
Schematischer Entwurf:Die Blaupause des Schaltungsentwurfs
Das schematische Design ist die Grundlage für das Leiterplattenlayout - vergleichbar mit dem Bauplan eines Architekten. Zu den wichtigsten Überlegungen in dieser Phase gehören:
- Genauigkeit der Komponentensymbole: Stellen Sie sicher, dass jedes Symbol mit seinem physischen Fußabdruck übereinstimmt.
- Korrekte Netzverbindungen: Überprüfen Sie sorgfältig jede elektrische Verbindung, um Unterbrechungen oder Kurzschlüsse zu vermeiden.
- Klare Hierarchie: Komplexe Schaltungen sollten modularisiert werden, wobei die Funktionsblöcke separat gezeichnet werden.
Häufiger Fehler: Viele Anfänger stürzen sich auf das Layout, ohne die Schaltpläne gründlich zu prüfen, was später zu schwer auffindbaren Problemen führt. Überprüfen Sie Schaltpläne immer mindestens zweimal, bevor Sie fortfahren.
Verwaltung von Komponentendatenbanken:Auf die Details kommt es an
Eine gut organisierte Bauteilbibliothek ist ein Markenzeichen für professionelles PCB-Design:
- Fußabdruck-Daten: Enthält Abmessungen, Padformen und Abstände.
- 3D-Modelle: Mithilfe bei der mechanischen Passformkontrolle.
- Wichtige Parameter: Nennspannung, -strom, -leistung, usw.
- Informationen für Lieferanten: MPN-Nummern und Beschaffungskanäle.
Profi-Tipp: Pflegen Sie eine unternehmensweit einheitliche Bibliothek und aktualisieren Sie sie regelmäßig, um die Effizienz und Konsistenz des Designs zu verbessern.
2.PCB-Layout-Phase
Entwurfsvorbereitung und Blockplanung
Stellen Sie vor dem Einbau der Bauteile sicher, dass diese ordnungsgemäß vorbereitet sind:
- Gliederung der Tafel definieren: Berücksichtigen Sie den Einbauraum, die Befestigungslöcher und die Position der Anschlüsse.
- Stack-up-Design: Bestimmen Sie die Anzahl der Lagen und Materialien entsprechend den Anforderungen an die Signalintegrität.
- Partitionierung von Funktionsblöcken: Gruppieren Sie Komponenten nach Schaltkreisfunktion und planen Sie den Signalfluss.
Erfahrung teilen: Es erweist sich oft als effizienter, zunächst ein grobes Layout auf Papier zu skizzieren und dabei die Platzierung kritischer Komponenten und Signalpfade zu markieren, als direkt in die CAD-Software einzusteigen.
Rastereinstellungen: Ein Schlüssel zu effizientem Layout
Intelligente Netzkonfigurationen verbessern die Layoutqualität und -geschwindigkeit:
- Große Komponenten: 50-100 mil Gitter (ICs, Steckverbinder).
- Kleine Passive25 mil Gitter (Widerstände, Kondensatoren).
- Feinabstimmung: 5-10 mil Raster (letzte Anpassungen).
Warnung: Durch häufiges Ändern der Rastereinstellungen wird die Ausrichtung der Komponenten gestört. Layout nach Komponententyp in Phasen.
Regeln und Techniken für die Platzierung von Komponenten
Allgemeine Platzierungsprinzipien
- Einseitiger Vorrang: Legen Sie alle Komponenten auf eine Ebene, es sei denn, die Dichte erfordert etwas anderes.
- Ausrichtung und Orientierung: Ordnen Sie die Teile orthogonal an, um die Übersichtlichkeit zu wahren.
- Kontrolle der Abstände: Mindestens 1 mm zwischen den Bauteilen, 2 mm von den Platinenrändern entfernt.
- Thermisches ManagementVerteilen Sie wärmeerzeugende Teile nicht in der Nähe temperaturempfindlicher Geräte.
Fallstudie: Bei der Entwicklung eines Leistungsmoduls wurden durch die Ausrichtung von Hochstromkomponenten die Leiterbahnlängen linear reduziert und die Kühlung verbessert, wodurch die Temperaturen um 15 % gesenkt werden konnten.
Platzierung kritischer Komponenten
- Hochfrequenzteile: Minimieren Sie die Verbindungslängen, um parasitäre Effekte zu reduzieren.
- Hochspannungskomponenten: Vergrößern Sie die Abstände, achten Sie auf Kriech- und Abstandsanforderungen.
- Schwere Teile: Verwenden Sie Stützen, um mechanische Belastungen zu bewältigen.
- Einstellbare Komponenten: Position für ergonomischen Zugang.
Gelernte Lektion: Ein verlegtes Potentiometer erzwang einmal eine Umgestaltung des Gehäuses und verzögerte die Produkteinführung.
3. Routing-Strategien und Regelanwendungen
Routing-Prioritätsreihenfolge
- Kritische Signale zuerst: Taktgeber, Hochgeschwindigkeitsleitungen und analoge Signale.
- Stromnetze: Berücksichtigen Sie die Stromkapazität und den Spannungsabfall.
- Allgemeine Signale: Unwichtige Verbindungen zuletzt leiten.
Fachkundige Beratung: Dedizierte Schichten für kritische Signale, um Rauschkopplungen zu vermeiden.
Routing-Tipps und Fallstricke
- 90°-Biegungen: Vermeiden Sie es - verwenden Sie stattdessen 45° oder gebogene Leiterbahnen.
- Differentialpaare: Gleiche Länge/Abstand bei symmetrischer Verlegung.
- Serpentinen: Für die Längenanpassung verwenden, aber auf zusätzliche Parasitika achten.
- Vias: Minimierung der Anzahl der kritischen Pfade.
Testdaten: Jedes Via auf Hochgeschwindigkeitsleitungen kann eine Verzögerung von 0,3-0,5 ps verursachen, was bei GHz-Frequenzen erheblich ist.
4. Endgültige Verifizierung und Validierung
Layout-Checkliste
- Maßkontrollen: Entspricht den mechanischen Zeichnungen.
- Vollständigkeit der Komponenten: Keine fehlenden Teile.
- Überprüfung der Freigabe: Bauteil/Spur/Kantenabstand.
- Thermische Analyse: Verteilung der Wärmequelle.
- Gebrauchstauglichkeit: Leichter Zugang zu verschleißanfälligen Teilen.
QA-Tipp: Standardisierung von Prüfbögen zur Gewährleistung systematischer Prüfungen.
Schwerpunktbereiche der Entwurfsprüfung
- Elektrische LeistungAnalyse der Signal-/Leistungsintegrität.
- Herstellbarkeit: Kompatibilität des PCB-Fertigungsprozesses.
- Prüfbarkeit: Ausreichende Testpunkte.
- Kostenkontrolle: Optimale Nutzung des Panels.
Tipp zur Teamarbeit: Beziehen Sie Fertigungs- und Testteams in Überprüfungen ein, um abteilungsübergreifende Probleme frühzeitig zu erkennen.
5. PCB-Design FAQ
Q1: Warum sind für meine Leiterplatten immer mehrere Prototypen erforderlich?
A: In der Regel aufgrund einer unzureichenden Überprüfung im Vorfeld.Empfohlene Abhilfemaßnahmen:
- Einführung strenger schematischer Überprüfungsverfahren.
- Simulieren Sie kritische Schaltungen vor dem Layouten.
- Prüfen Sie 3D-Baugruppenmodelle virtuell.
- Erkundigen Sie sich frühzeitig bei Leiterplattenherstellern nach deren Möglichkeiten.
F2: Wie lassen sich Probleme mit der Signalintegrität bei hoher Geschwindigkeit beheben?
A: Wichtige Überlegungen:
- Kontrolle der Impedanz über berechnete Leiterbahnbreiten/-stapelungen.
- Halten Sie die kritischen Pfade kurz.
- Behalten Sie ununterbrochene Bezugsebenen bei - vermeiden Sie Spaltungen.
- Verwenden Sie bei Bedarf Abschlusswiderstände, um Reflexionen zu dämpfen.
F3: Gibt es Tipps für kompakte PCB-Layouts?
A: Strategien mit hoher Bevölkerungsdichte:
- Bevorzugen Sie 0402 oder kleinere Komponenten.
- Verwenden Sie Multilayer-Platten mit vertikaler Verlegung.
- Setzen Sie blinde/vergrabene Durchkontaktierungen mit Bedacht ein.
- Enge Zusammenarbeit mit Maschinenbauern bei der Raumplanung.
F4: Wie lassen sich EMI-Probleme minimieren?
A: Wirksame Gegenmaßnahmen:
- Halten Sie empfindliche Signale ≥5mm von den Platinenrändern entfernt.
- Sorgen Sie für solide Masseflächen unter Hochgeschwindigkeitsbahnen.
- Fügen Sie Filter an Schnittstellen hinzu.
- Vermeiden Sie scharfe Ecken und abrupte Breitenänderungen.
F5: Häufige Fehler bei der Stromverteilung?
A: Typische Stromversorgungsfehler:
- Entkopplungskappen >3mm von ICs platziert.
- Unterdimensionierte Leiterbahnen verursachen einen übermäßigen IR-Abfall.
- Vernachlässigung von Stromrückleitungen.
- Übersehen von thermischen Derating-Effekten.
Empfohlene Lektüre
- Was ist ein PCB-Design?
- Wie man eine PCB-Platte entwirft
- Wie man die Leistung und Zuverlässigkeit von PCB-Leiterplatten verbessert