Was ist Leiterplatten design? Leiterplatten design bezieht sich auf das Design von Leiterplatte. Das platine design basiert auf Schaltplänen, um die vom Schaltungsdesigner geforderte Funktionalität zu realisieren. Das Leiterplatten design bildet den physischen Rahmen für den Konstruktionsprozess von Elektronikprodukten und wandelt abstrakte Schaltpläne in fertigungsfähige physische Leiterplattenlayouts um, die sich direkt auf die Leistung, die Kosten und die Zuverlässigkeit der Geräte auswirken.
Das Leiterplatten design befasst sich in erster Linie mit dem Layout-Design, wobei externe Verbindungsanordnungen, die optimierte Platzierung interner elektronischer Komponenten, die effiziente Verlegung von Metallbahnen und Durchkontaktierungen, die elektromagnetische Abschirmung, die Wärmeableitung und verschiedene andere Faktoren berücksichtigt werden müssen. Ein ausgezeichnetes Layout-Design kann die Produktionskosten senken und gleichzeitig eine überlegene Schaltungsleistung und Wärmeableitung erzielen. Einfache Layouts können manuell erstellt werden, während komplexe Designs eine CAD-Software (Computer-Aided Design) erfordern.
Die Qualität einer Leiterplatte entscheidet direkt über den Erfolg oder Misserfolg eines elektronischen Produkts, weshalb ein robuster Leiterplatten design prozess von größter Bedeutung ist. Viele Ingenieure glauben fälschlicherweise, dass das Leiterplatten design lediglich darin besteht, Komponenten anzuordnen und ihre Pins zu verbinden. Dies ist eine zu enge Sichtweise. Ein solider platine design prozess beginnt bereits während des Schaltplanentwurfs und umfasst Entscheidungen wie die Auswahl geeigneter Lösungen und geeigneter elektronischer Komponenten.
Der Prozess umfasst insbesondere: Schaltplanentwurf, Export und Import von Schaltplan-Netzlisten, Import von mechanischen Zeichnungen, Stapelungsentwurf und -bearbeitung, Vorsimulation für Signalintegrität (SI)/Stromintegrität (PI), Leiterplattenlayout, Import von Entwurfsbeschränkungsregeln, Leiterplattenverlegung, Nachsimulation für Signalintegrität (SI)/Stromintegrität (PI)/elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)/Wärmeanalyse, DFM-Prüfungen (Design for Manufacturability) und Erstellung von Produktionsdateien (Gerber).
Diese Aufgaben können von einem einzelnen Ingenieur oder gemeinsam von mehreren Ingenieuren übernommen werden. Natürlich variiert der Leiterplattenentwurfs-Workflow je nach Produkt, wobei spezifische Anforderungen den Ansatz bestimmen. Prüfungen zur Herstellbarkeit (DFM). Erstellung von Produktionsdateien (Gerber). Diese Aufgaben können von einem einzelnen Ingenieur oder gemeinsam von mehreren Ingenieuren ausgeführt werden. Natürlich ist der platine design prozess nicht bei jedem Produkt identisch; bei bestimmten Produkten kann dieser Workflow je nach Bedarf verfeinert, erweitert oder reduziert werden.
Gängige Leiterplatten design Software
Zu den weit verbreiteten Leiterplatten design software programmen gehören:
Altium Designer bietet umfassende Funktionen vom Schaltplan-Design über das PCB-Layout und die Paketerstellung bis hin zur Signalintegritätsanalyse. Die visuelle Umgebung und die umfangreiche Tool-Bibliothek ermöglichen ein effizientes Design.
Cadence Allegro ist ein professionelles Tool, das in der Industrie weit verbreitet ist und das Design von Hochgeschwindigkeits-Digitalsignalen und HF-Schaltungen mit robusten Simulations- und Multi-User-Kollaborationsfunktionen unterstützt.
Mentor PADS eignet sich für kleine bis mittelgroße Designs und deckt mit einer benutzerfreundlichen Oberfläche den gesamten Design Workflow ab.
KiCad, eine Open-Source-Lösung, unterstützt mehrere Plattformen mit robusten Funktionen und einer aktiven Community, die kostenlosen technischen Support bietet.
Eagle zeichnet sich durch einfache Bedienung und schnelle Erlernbarkeit aus und verfügt über eine intuitive Benutzeroberfläche und eine große Benutzergemeinschaft, die den Austausch von Design ressourcen ermöglicht.
Für das Leiterplatten design erforderliche Informationen
1.Schaltplan
Der Schaltplan bildet die Grundlage für das Leiterplatten design und enthält detaillierte Angaben zu allen elektronischen Bauteilen und deren Verbindungen. Designer müssen das PCB-Layout und die Verdrahtung auf diesem Schaltplan basieren.
2.Stückliste (BOM)
Die Stückliste enthält alle Bauteile, die auf der Leiterplatte montiert werden sollen, einschließlich Teilenummern, Spezifikationen, Gehäusetypen und Mengen. Dies hilft den Designern bei der Auswahl geeigneter Bauteilgehäuse und Layoutkonfigurationen.
3.Designspezifikationen und -anforderungen
Diese umfassen die Abmessungen der Leiterplatte, die Anzahl der Schichten, das Material, die Dicke, die Anforderungen an die elektrische Leistung (z. B. Impedanzkontrolle), spezielle Prozessanforderungen (z. B. Blind-/Buried-Vias, HDI) und andere Designbeschränkungen.
4.Referenzdesign-Materialien
Sollten ähnliche Referenzmaterialien vorhanden sein, wie z. B. frühere Projektdokumentationen oder Referenzdesign-Zeichnungen, können diese dem Konstrukteur zur Einsicht zur Verfügung gestellt werden.
5.Mechanisches Strukturdiagramm
Enthält Umrisszeichnungen, Positionen und Abmessungen der Befestigungslöcher, Positionen der Steckverbinder und andere mechanische Strukturdetails, um sicherzustellen, dass das Leiterplatten Design den allgemeinen mechanischen Anforderungen des Produkts entspricht.
6.Test- und Debugging-Anforderungen
Geben Sie spezifische Anforderungen für Produkttests und Fehlerbehebung an, z. B. Testpunktpositionen und Testschnittstellen, damit die Designer die Testpunkte und Schnittstellen innerhalb des PCB-Layouts entsprechend anordnen können.
Schritte beim Leiterplatten design
Der Standard-Workflow beim Leiterplatten design ist: Vorbereitungen → PCB-Strukturdesign → PCB-Layout → Routing → Routing-Optimierung und Siebdruck → Netzwerk- und DRC-Prüfungen sowie Strukturüberprüfung → Panelisierung.
(1) Schaltplanentwurf: Der Schaltplanentwurf umfasst in erster Linie die Erstellung des Schaltplans mit dem Schaltplaneditor der platine design Software.
(2) Erstellen der Netzliste: Die Netzliste ist ein Bericht, der die Verbindungsbeziehungen zwischen den Komponenten innerhalb des Schaltplans anzeigt. Sie dient als Brücke zwischen dem Schaltplanentwurf und dem PCB-Layout. Anhand der Netzliste des Schaltplans lassen sich die Verbindungen zwischen den Komponenten schnell identifizieren, was das anschließende Leiterplatten design erleichtert.
(3) Leiterplattenentwurf: Der Leiterplattenentwurf realisiert die erforderliche Funktionalität auf der Grundlage des Schaltplans. Bei der Gestaltung des Leiterplattenlayouts müssen zahlreiche Faktoren berücksichtigt werden, darunter die mechanische Struktur, das Layout der externen Anschlüsse, die Platzierung der Komponenten, die Verdrahtung, das Wärmemanagement und die elektromagnetische Verträglichkeit. Um diese Phase abzuschließen, sind oft zahlreiche Iterationen des Schaltplans erforderlich.
(4) Herstellung der PCBA-Steuerplatine: Nach der Beschaffung der Komponenten und dem Erhalt der Leiterplatte werden verschiedene Komponenten gemäß dem Schaltplan auf der Platine platziert und verlötet sowie DIP-Steckprozesse durchgeführt. Damit ist die Herstellung unserer Steuerplatine abgeschlossen.
Grundsätze für die Platzierung von Bauteilen
Positionieren Sie zunächst Bauteile mit enger struktureller Integration, wie Steckdosen, Anzeigeleuchten, Schalter, Anschlüsse und Schnittstellen. Platzieren Sie als Nächstes spezielle Bauteile, darunter große, schwere, Wärme erzeugende Geräte und integrierte Schaltkreise. Ordnen Sie schließlich kleinere Bauteile an. Berücksichtigen Sie bei der Anordnung der Bauteile die Verlegung der Leiterbahnen und priorisieren Sie Designs, die die Platzierung der Leiterbahnen erleichtern.
1.Platzieren Sie Quarzoszillatoren neben integrierten Schaltkreisen.
2.Positionieren Sie IC-Entkopplungskondensatoren so nah wie möglich an den Stromanschlüssen des IC, um die zwischen Stromversorgung und Masse gebildete Schleife zu minimieren.
3.Verteilen Sie wärmeerzeugende Komponenten gleichmäßig, um die Wärmeableitung von der Leiterplatte und dem gesamten Gerät zu erleichtern. Temperaturempfindliche Geräte (mit Ausnahme von Temperatursensoren) sollten entfernt von Komponenten mit hoher Wärmeabgabe positioniert werden.
Grundsätze für die Verdrahtung
1.Halten Sie Hochgeschwindigkeitssignalleitungen so kurz wie möglich, wobei kritische Signale Vorrang haben, um die Länge zu minimieren.
2.Begrenzen Sie die Anzahl der Durchkontaktierungen auf einer einzelnen Leitung auf maximal zwei.
3.Die Ecken der Leitungen sollten nach Möglichkeit größer als 90 Grad sein, um Winkel unter 90 Grad zu vermeiden und 90-Grad-Biegungen zu minimieren.
4.Auf doppelseitigen Leiterplatten sollten die Leiterbahnen senkrecht, diagonal oder gekrümmt zueinander verlegt werden, wobei parallele Verläufe zu vermeiden sind, um parasitäre Kopplungen zu minimieren.
5.Audioeingangsleitungen sollten gleich lang sein und nahe beieinander liegen, wobei die Audio-Leiterbahnen von Masseflächen umgeben sein sollten.
6.Vermeiden Sie die Verlegung von Leiterbahnen unter Leistungsverstärker-ICs; verwenden Sie stattdessen mehrere Durchkontaktierungen unter dem IC, um eine Verbindung zu GND herzustellen.
7.Da doppelseitige Leiterplatten keine dedizierten Grundebenen haben, sollten die Erdungen der Quarzoszillatorkondensatoren möglichst breite kurze Leiterbahnen verwenden, die mit dem nächstgelegenen GND-Pin der Komponente verbunden sind, um Durchkontaktierungen zu minimieren.
8.Stromversorgungsleitungen und USB-Ladeeingänge erfordern dicke Leiterbahnen (≥1 mm) mit doppelseitiger Verkupferung über den Durchkontaktierungen und zusätzlichen Durchkontaktierungen auf dem plattierten Bereich.
Im Allgemeinen sollten Strom- und Erdungsspuren zuerst verlegt werden, um die elektrische Leistung der Leiterplatte sicherzustellen. Wenn möglich, sollten Strom- und Massebahnen verbreitert werden, wobei die Massebahnen idealerweise die Breite der Strombahnen überschreiten sollten. Die Priorität der Bahnen ist: Masse > Strom > Signal. Die Breite der Signalbahnen liegt in der Regel zwischen 0.2 und 0.3 mm, mit einer Mindestbreite von 0.05 bis 0.07 mm. Strombahnen sind in der Regel 1.2 bis 2.5 mm breit.
Vor dem Hintergrund der beschleunigten Entwicklung hin zu intelligenter und hochintegrierter Elektronik hat sich das Leiterplatten design von einem einzelnen technischen Prozess zu einem zentralen Knotenpunkt entwickelt, der Innovation mit Massenproduktion verbindet. GeoPCB bietet eine umfassende Dienstleistungskette, die von der Anforderungsanalyse über das Schaltplanentwurf, Leiterplattenlayout-Routing, Simulationsüberprüfung, DFM-Fertigungsanalyse, Prototypenfertigung und Unterstützung der Massenproduktion bietet GeoPCB maßgeschneiderte Lösungen für die Bereiche Unterhaltungselektronik, Automobilelektronik, industrielle Steuerung und 5G-Kommunikation.
