EDA

Entwickler-Leitfaden für hochwertiges Leiterplattendesign

| Autor / Redakteur: Nicholaus W. Smith * / Franz Graser

Bild 1: Grundlegender Design Flow für das Leiterplattendesign
Bild 1: Grundlegender Design Flow für das Leiterplattendesign (Bild: Integrated Device Technology)

Gute Boards lassen sich durchaus mit geringem Technikaufwand entwickeln. Mit den hier beschriebenen Richtlinien kann auch der erfahrene Leiterplattenentwickler sein Know-how verbessern.

Dieser Beitrag dient als formelle und umfassende Design-Richtlinie, die Entwickler, Techniker und Anfänger im PCB-Design verfolgen können, um hochqualitative Leiterplatten für jeden Zweck und mit der Zuversicht zu entwickeln, dass das Ergebnis eine voll funktionsfähige Leiterplatte ist, die ihre Anforderungen erfüllt. Designmethoden und Strategien werden vorgestellt, die garantieren, dass Designs pünktlich, innerhalb ihres Budgets und nach allen Anforderungen gefertigt werden. Die Diskussion wird auf die notwendigen Dokumentationen, Designschritte, Strategien und Endkontrollen beschränkt.

Das Blockdiagramm in Bild 1 zeigt die idealen Designschritte für PCBs von der Anforderungsplanung bis hin zum endgültigen Produkt. Nach der Anforderungsplanung für eine Leiterplatte sollte über das endgültige Konzept entschieden werden. Dazu zählen: Merkmale; Funktionen, die die Leiterplatte besitzen und ausführen muss; Verbindung (Interconnection) mit anderen Schaltkreisen; Platzierung und die ungefähren Endabmessungen. Die Umgebungstemperatur und Betriebsumgebung müssen ebenfalls berücksichtigt werden, damit die Materialauswahl für die Leiterplatte entsprechend erfolgen kann.

Bauteile und PCB-Materialien sind so zu wählen, dass ein Betrieb unter allen zu erwartenden Bedingungen und Belastungen des Boards während der Lebensdauer gewährleistet ist. Aus dem Konzept heraus entsteht der Schaltkreis, ein detailliertes Diagramm, das die elektrische Umsetzung der einzelnen Funktionen auf der Leiterplatte darstellt.

Ist der Schaltkreis fertig gezeichnet, kann eine realistische Abschätzung der endgültigen PCB-Abmessungen erfolgen. Dabei werden jedem Schaltkreisblock eigene Bereiche auf der Leiterplatte zugewiesen (Gruppen von Bauteilen, die aus elektrischen Gründen oder Einschränkungen eng miteinander verbunden sind). Die Bauteilplatzierung erfolgt im Hinblick auf das Wärmemanagement, die Funktion und Erwägungen hinsichtlich Störeinfluss/Störanfälligkeit. Parallel zum Schaltkreisdesign wird die Stückliste (BOM; Bill of Materials ) erzeugt.

Stückliste sollte auf dem Stand des Schaltkreisdesigns sein

Die Auswahl der Bauteile für den Schaltkreis sollte durch eine Analyse der maximalen Betriebsspannungen und Ströme an jedem Schaltkreisknoten erfolgen. Zusammen mit den einbezogenen Toleranzen werden die entsprechenden Bauteile ausgewählt. Bei den gewählten, elektrisch passenden Bauelementen müssen nun deren Verfügbarkeit, Kosten und Größe überprüft werden.

Die Stückliste sollte stets auf dem neuesten Stand des Schaltkreisdesigns sein. Die erforderlichen Details für jedes Bauteil in der Stückliste sind: Menge, Referenzbezeichnung, Wert (numerischer Wert wie Ohm, Farad und Ähnliches), Hersteller-Teilenummer und PCB-Stellfläche. Diese fünf Aspekte sind entscheidend, da sie: (a) definieren, wie viele Bauteile benötigt werden; (b) die Identifizierung und Schaltkreisposition erklären und eine exakte Beschreibung jedes Schaltkreiselements für den Einkauf und Austausch bieten, und (c) die Größe jedes Bauteils zur Flächenabschätzung enthalten.

Zusätzliche Beschreibungen lassen sich zwar hinzufügen, diese sollten aber sehr kompakt für jedes Bauteil sein. Zu viel Informationen können die Bibliotheksentwicklung und die Verwaltung unnötig komplex machen.

Einige Unterlagen wurden bereits genannt; die vollständige Dokumentation für eine Leiterplatte wird nun beschrieben. Dazu zählen die Hardware-Abmessungen, Stromlaufpläne, Stückliste, Layout-Datei, die Bauteilplatzierung, Montagepläne und -anleitungen, sowie die Gerber-Dateien. Ein Leitfaden ist ein nützliches Dokument, aber nicht unbedingt erforderlich.

Die Gerber-Dateien sind ein Jargon für die Ausgabedateien des Layouts, die von den PCB-Herstellern verwendet werden, um die Leiterplatte herzustellen. Ein kompletter Satz an Gerber-Dateien enthält die folgenden Ausgabedateien, die aus der Board-Layout-Datei erstellt werden:

  • Siebdruck oben und unten
  • Lötmaske oben und unten
  • alle Metall-Lagen
  • Paste Mask oben und unten
  • Bauteilmaske – x-y-Koordinaten
  • Montagezeichnung oben und unten
  • Bohrmaske
  • Bohrlegende
  • FAB Outline – Abmessungen, spezielle Funktionen*
  • Netzlistendatei

*Zu den Merkmalen zählen unter anderem: Kerben, Aussparungen, verfüllte Vias-in-Pad (für BGA-Gehäuse mit ihren Anschlüssen unterhalb des Gehäuses), Blind/Buried Vias, Oberflächengüte und Nivellierung, Bohrtoleranzen, Lagenzahl und Ähnliches. Weitere Informationen dazu finden sich unter Anderem im Beitrag von Cohen1.

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Bild 3 ist irreführend und eigentlich falsch. Die Wärme breitet sich nicht nur längs der...  lesen
posted am 09.02.2014 um 11:14 von johannes.adam


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