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Ich habe die Platine geschrumpft – Herausforderung PCB-Layout

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Die Leiterplatte soll in kleinste Räume passen

Als in den Anfangstagen der Elektronik alles noch viel einfacher war, hatten Leiterplatten stets eine schöne, vorhersagbare Rechteckform. Inzwischen aber gibt es die Wearables, und die Elektronik hat mittlerweile in nahezu jede denkbare Branche Einzug gehalten. PCBs müssen deshalb oft eine runde oder eine andere unregelmäßige Form haben und in kleinste Räume passen (Bild 3). Weil Not aber bekanntlich erfinderisch macht, haben PCB-Layoutdesigner eine kluge Platzierungs- und Routing-Technik entwickelt, deren praktischste das Rigid-Flex-PCB, also eine starr-flexible Leiterplatte ist.

Bei Rigid-Flex-Boards handelt es sich um traditionelle starre Leiterplatten, die durch eine flexible Leiterplatte miteinander verbunden sind und sich so in kleinste Räume falten und oder durch enge Öffnungen einführen lassen. Beim Design eines Rigid-Flex-PCB müssen Designer mehrere Bereiche beachten, in denen es zu Problemen kommen kann. Zum Beispiel gilt es die Biegestellen sorgfältig zu konstruieren, damit sich die Boards korrekt ausrichten, ohne die Verbindungsstellen zu belasten. Auch der Lagenaufbau muss mit Blick auf diese Biegestellen gestaltet werden.

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In der Vergangenheit fertigten PCB-Designer Papiermodelle an, um Rigid-Flex-Designs zu simulieren und zu testen. Heute dagegen ist PCB-Layoutsoftware der Spitzenklasse in der Lage, starr-flexible Baugruppen auch mit unregelmäßigen Formen dreidimensional zu modellieren, sodass das Design schneller von der Hand geht und sich die Genauigkeit entscheidend verbessert.

Immer mehr Komplexität auf immer weniger Raum

Wie schon erwähnt, kann das Autorouting helfen, ein PCB-Layout zu optimieren und die Zahl der benötigten Lagen zu minimieren. Eine weitere Möglichkeit, die Dichte einer Leiterplatte zu erhöhen, ohne die Lagenzahl anzuheben, ist die bereits erwähnte Layouttechnik HDI, die sehr feine Leiterbahnen, Sacklochbohrungen, vergrabene Durchkontaktierungen und Mikrovias nutzt (Bild 4). Richtig geplant, kann HDI zu niedrigeren Kosten und höherer Performance führen.

HDI hält mehrere flexible Optionen für die Routing-Topologie und das PCB-Layout bereit. Während es aber einige Routing- und Dichteprobleme löst, bringt es auch eine Reihe eigener Probleme mit, von denen nachfolgend einige aufgezählt sind:

  • Eingeschränkter Arbeitsbereich auf der Leiterplatte
  • Kleinere Bauteile und engere Abstände
  • Mehr Bauteile auf beiden Seiten der Leiterplatte
  • Längere Leiterbahn-Routen erhöhen die Signallaufzeiten
  • Zum Fertigstellen des PCB werden mehr Leiterbahn-Routen benötigt

PCB-Designer können PCB-Layoutsoftware nutzen, um Hilfestellung bei der Lösung dieser Probleme zu erhalten und die Zahl der benötigten Lagen potenziell zu verringern (Bild 4).

Vermeidung von Spannungsabfällen

Frühe Leiterplatten wiesen ein sehr einfaches Stromverteilungs-Netzwerk (Power Distribution Network / PDN) auf, das aus einer großen Massefläche und einer Stromversorgungsfläche auf den Innenlagen bestand. Vorteilhaft an einem solchen Design waren die sehr geringe Impedanz der Masseverbindung und die Tatsache, dass von dieser massiven Kupferstruktur der Strombedarf jedes IC gedeckt werden konnte. Moderne PCBs aber sind nicht mehr so einfach gestrickt. Sie arbeiten oft mit mehreren Spannungen, nicht selten für ein und dasselbe IC, und benötigen deshalb mehrere Masse- und Stromversorgungsflächen. Dies kann potenziell eine Vielzahl von Problemen verursachen, wie etwa Wärme- und Delaminationsprobleme, die durch die schmälere Stromversorgungsfläche (und die dadurch erhöhte Stromdichte) hervorgerufen werden, oder elektromagnetische Störungen, die auf Unstetigkeiten in der Massefläche zurückzuführen sind.

Am wichtigsten aber ist, dass infolge der Unterteilung der Stromversorgungsfläche weniger Kupfer vorhanden ist, was die Stromtragfähigkeit zwangsläufig reduziert. Wenn die Ströme beim Schalten ihre Spitzenwerte erreichen, kann ein unzureichend entwickeltes Design möglicherweise nicht genügend Strom bereitstellen, was zu einem Abfall der Spannung am IC führen kann (Bild 5). Unzureichende Spannung aber kann Fehlfunktionen zur Folge haben, deren Konsequenzen in einigen Fällen (zum Beispiel in Steuerungen für Getriebe-, Motor- oder Bremsfunktionen in Automobilen) katastrophal sein können. Zusätzlich verkompliziert sich die Sachlage dadurch, dass solche Spannungsabfälle häufig nur intermittierend auftreten und nur bei bestimmten Schaltzuständen zu beobachten sind. Hierdurch lassen sich diese Effekte mit manuellen Verfahren nur schwierig erfassen und diagnostizieren.

Glücklicherweise kann gute PCB-Layoutsoftware PDN-Analysen durchführen, die gelegentlich auch als IR-Analysen oder Power Integrity DC-Simulation (PI-DC) bezeichnet werden. Dabei wird verifiziert, ob die Flächen, Leiterbahnen und Durchkontaktierungen auf der Leiterplatte von ihren Abmessungen und Eigenschaften her ausreichend sind, um den Stromverbrauchs-Anforderungen der Bauelemente auf dem Board gerecht zu werden. Durch die Kennzeichnung von Bereichen im Design, in denen es zu problematischen Spannungsabfällen kommen kann, befähigen derartige Analysen die Designer zum Erstellen zuverlässiger und dennoch effizienter PCB-Designs.

Verbesserte Kommunikation und Kollaboration

Allzu häufig arbeiten Elektronik- und Mechanik-Designer isoliert in ihren jeweiligen Bereichen. Dieser Mangel an Kommunikation und Kollaboration aber kann dazu führen, dass Designs nicht fristgerecht fertig werden, denn jeder Änderungsauftrag erhöht den Zeit- und Kostenaufwand der Produktentwicklung und lässt den Wettbewerbsvorteil Ihres Unternehmens schrumpfen. Und selbst wenn das Design fertiggestellt ist, kann die Kommunikation dieses Designs an den Hersteller zu Frustrationen und Ungenauigkeiten führen, was die Entwicklung erneut teurer und zeitaufwändiger macht.

Die beste PCB-Layoutsoftware trägt auf die folgende Weise dazu bei, die Probleme bei der ECAD-MCAD-Integration zu lösen:

  • Nahtlose Einbindung von Arbeitsabläufen des Mechanikdesigns in Ihr Elektronik-Designtool
  • Bereichsübergreifendes Teilen von Managementinformationen
  • Möglichkeit zur 3D-Visualisierung des PCB-Designs
  • Unterstützung für Echtzeit-Abstandsprüfungen für Bauteile und mechanische Gehäuse
  • Möglichkeit zum Erstellen virtueller Prototypen komplexer Designelemente (z. B. Rigid-Flex-Baugruppen)

Features dieser Art verhindern Kommunikationsfehler und sorgen dafür, dass Designs innerhalb des vorgegebenen Zeit- und Finanzbudgets fertiggestellt werden können.

Ist das Design vollendet, ist es ebenso wichtig, dass Ihre PCB-Layoutsoftware das Erstellen der Dokumentation unterstützt, die Ihrem Hersteller genau vermittelt, was Sie wünschen. Zum Beispiel muss der Hersteller wissen, wie Ihr PCB und Ihre Komponenten in das gesamte Produktdesign hineinpassen und welche Bauteile sie zur Verfügung haben müssen. Dies lässt sich am besten mit 3D-Ausdrucken und Videos erreichen, mit denen sich komplexe Einzelheiten des Designs klar kommunizieren lassen.

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