Kernpunkte des PCB-Designs
PCB-Design ist die Grundlage für elektronische Produkte. Die Qualität der Leiterplatte wirkt sich direkt darauf aus, wie gut das Gerät funktioniert, wie zuverlässig es ist und wie hoch die Produktionskosten sind. Es gibt mehrere wichtige Teile des Designs gedruckte Schaltplatten (PCBs). Dazu gehören die Planung des Layouts, die Festlegung der Entflechtungsstrategien und die Sicherstellung einer guten Energie- und Signalversorgung. Auch die Anforderungen an den Herstellungsprozess sind wichtig.
1. PCB Layout Planung
PCB-Layout ist die wichtigste Phase des Entwurfs, in der die richtige Platzierung der Komponenten den Signalfluss optimiert, Interferenzen reduziert und die thermische Effizienz verbessert.
1.1 Funktionale Partitionierung und Isolationsdesign
- Analog/Digital/RF Zonenisolierung: Erreicht durch physikalischen Abstand (≥5mm) und Trennung der Grundplatte
- Bereich Hochspannung und Niederspannung: Leistungsumwandlungsmodule sollten einen Abstand von 10-15 mm zu empfindlichen Signalen einhalten
- Platzierung wärmeempfindlicher Komponenten: BGA-Gehäuse erfordern eine Sperrzone von 5 mm; wärmeerzeugende Komponenten (z. B. Leistungs-MOSFETs) sollten in der Nähe der Platinenränder liegen.
1.2 Mechanische und thermische Auslegungsstandards
- Koordinatensystem einrichten: Ursprung in der Mitte der Befestigungslöcher in den Ecken (±0,05 mm Genauigkeit)
- Planung des Wärmemanagements:
- Layout mit natürlicher Konvektion: Komponenten mit hoher Wärmeentwicklung auf der Oberseite der Leiterplatte
- Gezwungene Luftkühlung: Ausrichtung der Komponenten in Richtung des Luftstroms
- Strukturelle Kompatibilität: Steckverbinder müssen mit den Gehäuseöffnungen fluchten (±0,2 mm Toleranz)
2.1 Grundlegende Routing-Prinzipien
- 3W-Regel: Leiterbahnabstand ≥3× Leiterbahnbreite (z. B. 15mil Abstand bei 5mil Breite)
- Routing auf orthogonaler Ebene: Benachbarte Signalschichten werden senkrecht verlegt (0°/90°-Kreuzung)
- Über Optimierung: Hochgeschwindigkeitssignale, die die Ebenen wechseln, erfordern nebeneinander liegende Masse-Rückleitungen (Abstand ≤λ/10)
2.2 Spezielle Signalverarbeitung
| Signalart | Anforderungen an das Routing | Typische Parameter |
|---|
| Differentiale Paare | Längenanpassung (±5mil) | 100Ω±10% Impedanz |
| Taktsignale | Spuren bewachen | 6mil Breite |
| RF-Signale | Gebogene Ecken | 50Ω Impedanz |
3. Entwurf der Leistungsintegrität
3.1 Leistungsarchitektur der Mehrschichtplatine
- Segmentierung der Ebene:
- Digitale (1,2V/1,8V) und analoge Leistungsisolierung
- 20H-Regel: Leistungsebene 20× dielektrische Dicke von der Masse zurückgesetzt
- Platzierung des Entkopplungskondensators:
- Bulk-Kondensatoren (10μF) an den Leistungseingängen
- Kleine Kondensatoren (0,1μF) in der Nähe der IC-Stifte (≤3mm)
3.2 Auslegung der Spannungsumwandlung
- DC-DC-Layout Grundlagen:
- Abstand zwischen Induktor und Schalter ≤5mm
- Rückkopplungsspuren, die von Störquellen weggeführt werden
- Steuerung der Welligkeit:
- Einschwingverhalten der Last ΔV<2%
- ≥40dB Rauschunterdrückung @100MHz
4. Erweiterte Optimierung der Signalintegrität
4.1 Kontrolle der Übertragungsleitung
- Berechnung der Impedanzanpassung:
Formel für die Impedanz von Mikrostreifen:
Z0 = [87/sqrt(εr+1.41)] * ln[5.98h/(0.8w+t)]
- Strategien für die Beendigung:
- Abschluss der Quellenserie (22-33Ω)
- End-Parallelabschluss (50Ω gegen Masse)
4.2 Techniken zur Verringerung des Übersprechens
- 3D-Abstandsregeln:
- Abstand zwischen den einzelnen Schichten ≥3H (H = Höhe zur Bezugsebene)
- Gestaffeltes Routing auf der Nachbarschaftsschicht
- Methoden zur Abschirmung:
- 1 Massebahn pro 5 Hochgeschwindigkeitssignale
- Kritische Signale in Streifenleitungskonfiguration
5. DFM-Normen (Design for Manufacturing)
5.1 Parameter der Prozessfähigkeit
| Parameter | Standardverfahren | Hochpräzises Verfahren |
|---|
| Min. Leiterbahnbreite | 0,1 mm | 0,05 mm |
| Minimale Bohrergröße | 0,2 mm | 0,1 mm |
| Pad-Abstand | 0,15 mm | 0,08 mm |
5.2 Besondere Bauweise
- Thermische Via-Arrays: 0,3 mm Durchmesser, 0,6 mm Abstand
- Kupfer Auswuchten: <30% Kupferflächenunterschied pro Seite
- Panelisierung Design: V-förmig geschnittene Linien, die Bereiche mit hoher Routingdichte vermeiden
6. Prozess der Entwurfsverifizierung
6.1 Checkliste für die Produktionsvorbereitung
- Elektrische Regelprüfung (ERC): Überprüfung auf Unterbrechung/Kurzschluss
- Entwurfsregelprüfung (DRC): Über 300 Prozessregeln
- Simulation der Signalintegrität: Einrichtungs-/Haltespanne >15%
- Thermische Analyse: Sperrschichttemperatur <80% Bewertung