Miniaturisierung

PCB-Software für OrCAD und Cadence Allegro beherrscht Embedded-Designregeln und zielt auf Massenmärkte

| Redakteur: Gerd Kucera

Die jetzt von Cadence vorgestellte neue Release 16.5 der PCB-Software für OrCAD und Cadence Allegro besitzt die derzeit höchste Funktionalität für Embedded-Komponenten, um die Miniaturisierung weiter voranzutreiben.

Um Bauteile nicht nur oben und unten auf Leiterplatten, sondern auch innerhalb der Lagen zu platzieren, müssen PCB-Layout-Systeme die Herstellverfahren für Embedded-Komponenten beherrschen und deren besonderen Designregeln kennen.

Dies ist nur eine der zahlreichen Neuerungen in der Version 16.5, die im Mai auf der CDNlive 2011 in München weltweit erstmalig vorgestellt wurde. Miniaturisierung ist für viele Kunden neben der Optimierung der Signalqualität und der Stromversorgung ein wichtiges Thema.

Starrflex-Leiterplatten als möglich Alternative

Der Flächenbedarf und damit indirekt die Abmessungen einer Leiterplatte sind durch die Anzahl der zu platzierenden Bauteile auf den beiden Lötseiten vorgegeben. Bei der Miniaturisierung soll diese Fläche verkleinert werden. Also müssen zur Ober- und Unterseite des PCBs noch zusätzliche Ebenen in der dritten Dimension für die Platzierung verwendet werden. Eine Möglichkeit ist, eine Tochterkarte auf die Leiterplatte mit Steckverbindern aufzustecken. Steckverbinder sind jedoch bei der Zuverlässigkeit und der mechanischen Befestigung eine Schwachstelle. Die Alternative sind Starrflex-Leiterplatten, wobei die flexiblen Teile die Steckverbinder ersetzen und die starren Teile der Leiterkarte übereinander gefaltet werden. Zwar ist die elektrische Verbindung durch die Folienverbindungen zuverlässig, das Problem der mechanischen Befestigung bleibt weiterhin.

Sowohl gesteckte Tochterkarten als auch Starrflex-Lösungen reduzieren zwar die Grundfläche, erhöhen gleichzeitig aber die Abmessungen in z-Richtung und verlängern die Signallängen zwischen den einzelnen starren Platinen. Daher greifen auch jetzt Industriekunden auf die Technologie der integrierten Bauteile (Embedded Components) zurück, die bisher nur von Anbietern mobiler Geräte bzw. Spielekonsolen verwendet wurde. Embedded oder auch vergrabene (englisch burried) Bauteile haben gleich mehrere Vorteile.

Schon seit Jahren wurden auf Innenlagen Schaltungselemente als gedruckte Bauelemente (Widerstandspasten und gedruckte Spulen) realisiert. Die Fertigungsverfahren sind jetzt soweit, dass auch echte Bauteile im Inneren der Leiterplatte bestückt werden können. Hierzu werden die Leiterplatten in verschiedenen Einzelschritten erstellt, Bauteile aufgebracht und die innen bestückten Lagengruppen anschließend miteinander zu der endgültigen Leiterplatte verpresst.

Ein Vorteil ist die elektrische Verbesserung

Zum einen sparen diese in die Leiterplatte integrierten Bauteile Platz an der Ober- und Unterseite, was zu kleinen Abmessungen der Leiterplatten führt. Zum anderen bieten sie auch elektrisch besondere Vorteile, die bei sonst keiner Art der Miniaturisierung erreicht werden. Je dichter elektrische Komponenten zueinander platziert werden, desto kürzer können auch die elektrischen Verbindungsleitungen zwischen den Bauteilen ausgeführt werden. Kürzere Leitungslängen haben bei hohen Übertragungsraten weniger Probleme mit der Signal- und Power-Integrität sowie der elektromagnetischen Verträglichkeit. Somit wird die Leiterkarte elektrisch zuverlässiger. Ein weiterer Aspekt ist die Gewichteinsparung der bestückten Leiterkarte, da Steckverbinder, zusätzliche mechanische Befestigungen und Grundfläche der Leiterkarte entfallen.

Jedoch ist die Herstellung von Leiterplatten mit Embedded Components nicht ganz trivial. Einige Anbieter beherrschen die präzisen Fertigungsschritte so sicher, dass sie Embedded Components auch für die Serienfertigung von industriellen Produkten zu attraktiven Preisen anbieten. Herkömmliche PCB-Layout-Software kann keine Bauteile in den Innenlagen platzieren und alle erforderlichen Designregel für Embedded Components überprüfen.

In der Designsoftware Cadence Allegro 16.5 wurden nun alle für das Design dieser Technologie wichtigen Designregeln integriert. So können Bauteile nicht nur auf den bisherigen äußeren Lötseiten platziert werden. Die Platzierung erfolgt auf Innenlagen die zuvor für diese Art der Bauteilanordnung freigegeben wurden. Es wird auch definiert, ob die Innenlage von oben oder unten, gemäß der Fertigungsschritte, zu bestücken ist. Die Abstände zu den Kupferelementen benachbarter Lagen werden geprüft und bei Unterschreitungen ein Designfehler angezeigt. Auch werden beim Platzieren eines Bauteils, rund um dessen Abmessungen, Sicherheits- und Verbotszonen sowie Aussparungen automatisch erzeugt.

Designregeln für Embedded-Komponenten

Welche Komponenten eignen sich für heutige Herstellverfahren, um in Leiterplatten integriert zu werden? Bei passiven Bauteilen können große Wertebereiche eingesetzt werden (Widerstände von 10 Ω bis zu 10 MΩ und Kondensatoren mit Kapazitäten von bis zu 100 nF). Bei den passiven Bauformen sind 0402 und 0201 mit einer Bauelementehöhe von 100 µm bis 300 µm möglich. Bei aktiven Bauteilen wie Dioden und ICs werden ultradünne Chips ohne Gehäuse (bare-die) mit einer Höhe von 100 bis 150 µm und bis zu einer Anzahl von 50 Anschlüssen verarbeitet.

Im Setup für Embedded Components können die sehr stark variierenden Parameter für den jeweiligen Leiterplattenhersteller und seinen optimierten Bestückungsprozess eingetragen werden. Ist ein Bauelement zur Platzierung auf einer Innenlage vorgesehen, werden die Werte analysiert. Im Lagenaufbau ist beispielsweise definiert, ob das Bauteil auf der inneren Lage 6 nach oben oder nach unten ausgerichtet aufgelötet wird (vergleiche Bild 2).

Wenn die Bauteilhöhe größer ist als das Isolationsmaterial zwischen den Lagen und durch die benachbarte Lage durchstößt, dann muss dieses Verhalten (Protruding) in der Nachbarlage erlaubt sein, sonst gibt es schon beim Platzieren eine Fehlermeldung.

Ist ein Durchstoßen erlaubt, dann müssen auf der benachbarten Lage Verbotszonen für dort verlegte Signale erstellt werden, damit eine Aussparung vorgenommen werden kann. Im PCB Editor werden diese Keep-Out- Bereiche automatisch beim Platzieren generiert. Mit dem Platzieren werden um das Bauteil herum mechanische Aussparungen (cavities)/lagenbezogene Fräsungen im Isolationsmaterial erzeugt, die zum Zeitpunkt der Platzierung leer sind, jedoch während des Fertigungsprozesses mit geschmolzenem Harz wieder ausgefüllt werden und das Bauteil im eingebauten Zustand umschließen.

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