Grundzüge des Leiterplatten-Designs – Herausforderungen

Eine Leiterplatte zu entwickeln bedeutet, ein schematisches Design aufzugreifen und so auszulegen, dass es so kosteneffektiv wie möglich umgesetzt werden kann. Bisher war dies kostspieligen und eigens dafür entwickelten Tools vorbehalten, die zunehmende Beliebtheit hochgradig funktionaler und zugleich frei zugänglicher Software, zum Beispiel DesignSpark PCB, sowie Entwürfe und Designbeispiele bieten Leiterplatten-Entwicklern nun jedoch die Möglichkeit, schnell und mühelos loszulegen.

 

Dabei besteht die beste Möglichkeit zur Verhinderung von Problemen, die im Nachhinein viel Zeit und Geld kosten können, in der Kenntnis optimierter Verfahrensweisen. Das Auftreten eines Problems im Zuge der EMV-Prüfung, beispielsweise, kann kostspielige Reparaturen oder gar die Rückkehr zu dem ursprünglichen Design und die Überarbeitung des Layouts nach sich ziehen - was Monate kosten kann.

Herausforderungen

 

Die Platzierung der verschiedenen Komponenten ist die erste Herausforderung, der sich Entwickler zu stellen haben. Sie wird zu einem gewissen Punkt von dem Schaltbild bestimmt, da manche Komponenten logischerweise nebeneinander sitzen. Doch muss sichergestellt werden, dass Temperatur-sensible Komponenten, darunter Sensoren, nicht zu eng an Wärme erzeugenden Geräten (z. B. Leistungswandler) platziert werden. Bei verschiedenen Leistungsbereichen in einem Design können Wandler von 12 V auf 5 V an verschiedenen Stellen auf der Leiterplatte platziert werden; dabei erzeugen sie Wärme und elektrische Störsignale, und können somit Zuverlässigkeit und Leistung anderer Komponenten beeinträchtigen.

 

Ebenso beeinflussen diese Wandler die elektromagnetische Leistung des Designs, was nicht nur für Leistung und Stromverbrauch, sondern auch für die Zulassung wichtig ist. Jedes Gerät, das in Europa verkauft wird, muss über eine CE-Kennzeichnung verfügen. Eine der Prüfungen zum Erhalt einer solchen Kennzeichnung besteht darin, sicherzustellen, dass das Gerät nicht mit anderen Systemen interferiert. Oftmals geht es hierbei um Stromversorgungseinheiten, doch werden Störsignale von vielen verschiedenen Geräten ausgesandt, darunter auch DC-DC-Wandler einer Leiterplatte und sogar Hochgeschwindigkeits-Datenwandler. Diese Signale können von Bahnen aufgegriffen werden, die diese wiederum wie kleine Antennen weiterleiten, wodurch Störsignale als Folge des Leiterplattendesigns in unerwarteten Frequenzen und Bereichen erzeugt werden können.

 

Probleme durch elektromagnetische Störungen können durch Abschirmung und Metallgehäuse behoben werden; die aufmerksame Beachtung aller elektromagnetisch störenden Geräte auf der Leiterplatte kann helfen, die Gesamtkosten des Systems dank einer kostengünstigeren Abschirmung zu senken.

Elektromagnetische Störung können jedoch auch in dem Design der Leiterplatte zu einem wichtigen Faktor werden. Übersprechen kann sich mit Bahnen koppeln, das Verhältnis von dem Signal zu dem Störgeräusch senken und die Leistung beeinträchtigen. Ist das gekoppelte Störgeräusch zu stark, kann das gesamte Signal verloren gehen, was wiederum das Hinzufügen kostspieligerer Komponenten (z. B. Verstärker) erfordert; mit mehr Aufmerksamkeit auf kritische Signalpfade beim Design der Leiterplatte kann dieses Problem an erster Stelle ausgeräumt werden. An diesem Punkt sind Design-Vorlagen womöglich nicht hilfreich, da das letztlich umgesetzte Design andere Komponenten an anderen Plätzen mit anderen thermischen und elektromagnetischen Anforderungen beinhalten wird.

 

Kapazität ist ein weiterer entscheidender Punkt, der in dem Design der Leiterplatte zu berücksichtigen ist, da diese Signale verlangsamen und den Stromverbrauch steigern kann. Bahnen können sich seitwärts oder horizontal durch zwei Schichten koppeln und einen Kondensator bilden. Dieses Problem kann relativ leicht ausgeräumt werden, indem sichergestellt wird, dass Bahnen nicht zu lange parallel verlaufen; Kopplungen können durch einen Knick in einer der beiden Leitungen behoben werden. Nichtsdestotrotz müssen auch hier wieder die Entwurfsregeln beachtet werden, um die Leiterplatte gut umsetzbar zu gestalten und Störgeräusche aufgrund zu scharfer Knicke zu verhindern. Leitungen können sich ebenso zu nahe kommen, was wiederum zu einem Kurzschluss zwischen den Leitungen führen kann - insbesondere an Ecken, an denen im Laufe der Zeit kleine 'Ausbrüche' aus dem Metall auftreten können. Entwurfsregelprüfungen werden normalerweise überall dort vorgenommen, wo das Risiko höher ist als normal.

 

Am besten erkennbar ist das Problem an der Masseebene. Eine einzelne Metallplatte, die kapazitativ an alle Leitungen an der Ober- und der Unterseite gekoppelt ist. Während hiermit die Leitung effektiv vor Störgeräuschen abgeschirmt wird, wird ebenso eine eigene Parasitärkapazität erzeugt, die die Geschwindigkeit der Leitung verringert und den Stromverbrauch erhöht.

 

Durchkontaktierungen zwischen den jeweiligen Lagen stellen wohl eine der größten Herausforderungen bei mehrlagigen Leiterplatten dar, da sie zu Problemen bei der Fertigung führen können. Hohlräume in den Vias verringern die Leistung des Signals und die Zuverlässigkeit des Designs, und sind demnach sorgfältig zu berücksichtigen. 

Lösungen

 

Die zahlreichen Herausforderungen des Designs von Leiterplatten können mit einer Vielzahl verschiedenster Technologien in Angriff genommen werden. Manche von ihnen leiten sich von dem Design selbst ab, darunter die Verwendung von Differenzialleitungen zur Verringerung von Störgeräuschen, während andere auf dem Layout der Leiterplatte basieren. Diese Design-Elemente können automatisch von den jeweiligen Layout-Tools übernommen werden; die Möglichkeit, die automatische Platzierung der Komponenten und das Layout manuell zu optimieren, kann für die Qualität des Designs von Nutzen sein. Dabei stellen die Entwurfsregelprüfungen mit Hilfe der Technologiedatei sicher, dass das Design die Anforderungen des Herstellers erfüllt.

 

Gesplittete Ebenen können helfen, die Parasitärkapazität zu senken, erhöhen jedoch wiederum die Anzahl der Lagen eines Designs, wodurch Kosten und Herausforderungen mit Vias gleichermaßen steigen. Die Verwendung eines orthogonalen Netzes an Strom- und Masseleitungen kann letztlich den Effekt einer Masseebene in einer zweilagigen Platte zur Senkung der Kapazität und der Herausforderungen im Zuge der Fertigung erzielen, zugleich jedoch die physische Größe der Leiterplatte erhöhen.

 

Design-Tools wie DesignSpark PCB können bei der Behebung mancher dieser Probleme gleich zu Beginn behilflich sein, erfordern jedoch ein gewisses Verständnis der Anforderungen an ein Leiterplatten-Design. So startet der PCB Editor mit einer bestimmten Anzahl an Lagen, zum Beispiel zwei Signalschichten, einer Masseebene und einer Potenzialfläche. Die automatische Platzierung der Komponenten ist äußerst hilfreich und verschafft dem Entwickler Zeit für die sorgfältige Anordnung der Geräte in Bereichen, die ein Problem darstellen könnten: zum Beispiel Stromversorgungseinheiten neben empfindlichen Signalleitungen bzw. in Bereichen mit höheren Temperaturprofilen. Auf ähnliche Weise können die Signalleitungen automatisch verlegt werden und den Großteil möglicher Probleme von Beginn an beseitigen; ein gewisses Maß an Analyse und manuellen Anpassungen in risikobehafteten Bereich können die Qualität des Designs drastisch erhöhen, die Effizienz steigern und die Gesamtkosten senken.

 

Entwurfsregelprüfungen können sich ebenso als äußerst hilfreich herausstellen; dabei wird überprüft, ob die Leitungen nicht zu eng aneinander liegen und so das Risiko eines Kurzschlusses minimieren, zugleich jedoch ein kostengünstiges Design ermöglichen. Ebenso besteht die Möglichkeit, Masseebene und Potenzialfläche zu untersuchen und zu bearbeiten, um große Flächen an Parasitärkapazität zu verhindern.

 

Die Tools können darüberhinaus auch im Umgang mit den Gerber Plots zum Druck von Leitungen und Pads behilflich sein, sowie mit den Excellon Dateien zur Bohrung der entsprechenden Löcher für das endgültige Design. Hierfür muss eine Anbindung an die Technologiedateien des Herstellers der Platinen bestehen.

Fazit

Bei dem Design einer Leiterplatte sind eine ganze Menge an Besonderheiten zu berücksichtigen. Tools wie DesignSpark PCB bieten eine höchsteffektive Möglichkeit, den Großteil dieser Besonderheiten in Angriff zu nehmen. Mit Hilfe einiger Best-Practice Richtlinien können Entwickler kostengünstige, zuverlässige Platinen erarbeiten, die die Systemanforderungen erfüllen, und weitreichende und kostspielige Probleme im Hinblick auf die Systemzertifizierung ausräumen.