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Ich habe die Platine geschrumpft – Herausforderung PCB-Layout

| Autor / Redakteur: Mark Forbes * / Margit Kuther

“Liebling, ich habe die Kinder geschrumpft.” Disney-Fans kennen diesen Satz, doch ebenso könnte er die fortlaufende Miniaturisierung bei den PCB-Designs beschreiben.

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Bild 1: Egal, welches Equipment – immer stehen komplexere, winzige PCBs dahinter.
Bild 1: Egal, welches Equipment – immer stehen komplexere, winzige PCBs dahinter.
(Bild: Altium)

Während die Leiterplattenfläche weitgehen konstant blieb, hat sich die Zahl der Anschlüsse pro Flächeneinheit in den vergangenen zehn Jahren verdreifacht.

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Die durchschnittliche Anzahl der Bauelemente hat sich binnen 15 Jahren vervierfacht, während die durchschnittliche Zahl der Anschlüsse pro Bauteil um den Faktor 4 bis 5 gesunken ist (Bild 1). Die Zahl der Pins pro Design hat sich verdreifacht, und die Zahl der Pin-zu-Pin-Verbindungen verdoppelte sich.

Während die einzelnen Bauteile und die fertigen Produkte also immer kleiner wurden, haben die PCB- (Printed Circuit Board) Layouts an Dichte und Komplexität zugenommen. Insgesamt birgt die zunehmende Miniaturisierung und Komplexität der PCBs eine ganze Reihe von Herausforderungen für die Entwickler, bei denen die Verantwortung dafür liegt, dass alles zusammenpasst und reibungslos funktioniert.

In einer Umfrage der Aberdeen Groupgaben 53% der befragten Elektronikunternehmen an, die wachsende Komplexität der PCBs sei ihre Haupt-Herausforderung in ihrem Bemühen, schneller und zu geringeren Kosten ein möglichst wettbewerbsfähiges Produkt auf den Markt zu bringen. Im folgenden finden Sie eine Übersicht über einige der häufigsten Problembereiche beim PCB-Layout:

  • Routing von Ball Grid Arrays (BGAs) mit hohem Pin Count
  • Design flexibler PCBs, die in kleine, unregelmäßig geformte Produkte passen
  • Anhebung der PCB-Layoutdichte, ohne die Zahl der Lagen zu erhöhen
  • Vermeidung von Spannungsabfällen in komplexen PCB-Designs mit vielen Lagen
  • Sicherstellung einer effektiven ECAD-MCAD-Integration und Verbesserung der Kommunikation mit den Herstellern
  • Ausstattung dichter, komplexer PCBs mit genügend Prüfpunkten

Alle eben genannten Herausforderungen lassen sich entschärfen, wenn eine modernsten Erkenntnissen entsprechende, durchgängige PCB-Layoutsoftware verwendet wird.

Das Routing von Ball Grid Arrays

BGAs sind eine verbreitete Gehäusebauform für PCBs und integrierte Schaltungen (ICs), die sehr viele Anschlüsse besitzen oder extrem dicht gepackt sind. PCB-Designer setzen auf BGAs, weil diese einerseits kosteneffektiv sein können und andererseits die nötige Flexibilität bieten, um den Anforderungen in Sachen Miniaturisierung und Funktionalität gerecht zu werden. Das Problem ist, dass der Pin Count zunimmt, während das Anschlussraster immer feiner wird.

Das ‚BGA Breakout‘, also das Herausführen und Routen der Anschlüsse eines BGA, wird dadurch immer schwieriger. Ineffizientes Routing aber kann dazu führen, dass mehr Leiterplattenlagen benötigt werden. Höhere Kosten, mögliche Signalintegritäts-Probleme, Delamination und Schwierigkeiten mit dem Seitenverhältnis von Durchkontaktierungen sind einige der hierbei möglichen Probleme.

Eine spezielle Herausforderung für das Routing stellen insbesondere BGAs mit mehr als 1500 Anschlüssen dar (Bild 2). In der Regel gliedert sich das Routing in zwei Schritte. Als erstes muss der Designer Verbindungen zwischen den BGA-Pads an der Oberfläche und den Innenlagen des PCB herstellen (Fanout). Anschließend müssen die Verbindungen von diesen Innenlagen zu den übrigen Bauteilen auf dem PCB angelegt werden. Oftmals entscheidet allein das Routing aus einem großen BGA heraus maßgeblich darüber, wie viele Lagen für das Routing benötigt werden.

Auf manuellem Weg ausgeführt, kann der BGA-Breakoutprozess einen PCB-Layoutdesigner mehrere Tage beschäftigen. PCB-Layoutsoftware aber kann helfen, diesen Arbeitsgang zu automatisieren, wobei sich der Zeitaufwand für das Routing häufig auf Minuten reduziert. Auf diese Weise kann fortschrittliche PCB-Layoutsoftware die Kosten für das Layout verringern und auch die Markteinführungszeit verkürzen.

Abgesehen vom Autorouting kann die HDI-Technik (High Density Interconnect) ebenfalls Hilfestellung bei Problemen mit dem BGA-Routing leisten. Auf HDI wird weiter unten in diesem Beitrag eingegangen.

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