Constraint Management

Tipps zum Design und zur Fertigung von Leiterplatten

04.05.17 | Autor / Redakteur: Dirk Müller * / Gerd Kucera

Bild 1: Constraint Manager mit unterschiedlichen Kategorien für Regeln und DRC-Verletzungen (rot).
Bild 1: Constraint Manager mit unterschiedlichen Kategorien für Regeln und DRC-Verletzungen (rot). (Bild: FlowCAD)

Jedes neue Elektronik-Design hat spezifische Anforderungen an Stromdichte, Spannungen, Impedanzen, schnelle Signale und mechanische Einbaubedingungen. Ist das Design regelkonform und produzierbar?

Nachdem das erste Konzept für die Schaltung im Stromlaufplan oder als Blockdiagramm erstellt wurde, sind zusammen mit dem PCB-Designer erste Überlegungen zur Leiterplatte zu machen. Das Erstellen des Board-Outline (der Leiterplatten-Kontur) übernimmt ein mechanisches CAD-System, dann folgen Überlegungen zum Lagenaufbau. Wie viele Lagen werden benötigt und welche technischen Anforderungen gibt es?

Mit dem Design-Werkzeug PCB Editor von OrCAD oder Allegro lassen sich Lagenaufbauten zusammenstellen und dabei entsprechende Parameter als Regel festlegen. So kann spezifiziert werden, dass auf Signalen oder differentiellen Paaren auf einigen Lagen eine Impedanz vorgegeben wird. Auch ist auf Versorgungslagen ein dickeres Kupfer für höhere Ströme wählbar.

Nach diesen Überlegungen zum Lagenaufbau erhält der Leiterplatten-Hersteller vom Schaltungsentwickler/PCB-Designer ein IPC-2581-File und liest diese Daten in seine Software ein. IPC-2581 ist ein Standard zur CAM-Datenübertragung, das Hersteller und Zulieferer der Elektronikindustrie unterstützen.

Das herstellerunabhängige Datenformat IPC-2581 sorgt für den unternehmens- und prozessübergreifenden CAD-Flow vom Leiterplatten-Tool bis zur Fertigung mit nur einem einzigen Datenformat. Der Leiterplatten-Hersteller schlägt daraufhin einen konkreten Lagenaufbau vor, der technisch möglich und kostengerecht ist. Hierbei werden die unterschiedlichen Materialdicken und Eigenschaften des FR4 und des Kupfers als IPC-2581-Datei zurückgeschrieben.

Ist der Lagenaufbau definiert, dann kann das PCB-Layout beginnen. Nunmehr sind die Design-Regeln für die Leiterplatten-Fertigung zu beachten. Wer nach PCB Design Rules im Internet sucht wird etliche Fertigungsrichtlinien finden, die sich zum Teil widersprechen.

Der Widerspruch kommt durch unterschiedliche Maschinen und Fertigungsprozesse bei den Herstellern zustande. Daher ist es empfehlenswert, stets die Richtlinien des ausgesuchten Herstellers zu verwenden, der auch den Stackup berechnet hat.

PCB-Tools wie OrCAD und Allegro erlauben das Einlesen von Regelsätzen für bestimmte Technologien. So können Regeln, die sich in vorherigen Entwicklungen bewährt haben, als Regelsatz exportiert und in späteren Entwürfen wiederverwendet werden. Das vereinfacht nicht nur die Regelvergabe deutlich, sondern sichert auch eine Konstanz und Durchgängigkeit der Qualität bei allen erstellten Designs.

Ein Regelsatz für eine SerDes-Schnittstelle kann neben den Impedanzwerten auch Angaben über minimale und maximale Längen der einzelnen Signale einbeziehen, um die Setup- und Hold-Zeiten einzuhalten. Differentielle Paare lassen sich mit einem maximalen Phasenversatz zwischen dem positiven und negativen Signal definieren, damit die EMV-Störeinflüsse, wie in der Norm vorgeschrieben, begrenzt sind.

Es lassen sich auch die Anzahl der Durchkontaktierungen und Lagenwechsel limitieren. Dieser Regelsatz adaptiert sich dann an den vorhandenen Lagenaufbau.

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