In diesem Artikel stellen wir einige der wichtigsten Regeln des Leiterplattendesigns vor, die sich seit den Anfängen der kommerziellen Leiterplattenentwicklung vor 25 Jahren kaum verändert haben. Diese Regeln sind allgemein auf jedes Leiterplattenprojekt anwendbar und dienen sowohl Elektrotechnikstudenten als auch erfahrenen Entwicklern als hilfreicher Leitfaden.
Im Folgenden werden zehn nützliche Elemente aufgeführt, die Elektronikentwickler bei der Entwicklung von Leiterplatten für die kommerzielle Fertigung mithilfe von Designsoftware berücksichtigen oder anwenden sollten. Sie sind weder chronologisch geordnet noch nach Wichtigkeit geordnet, tragen aber gemeinsam wesentlich zur Verbesserung jedes Designs bei.
Regel 1: Verwenden Sie das richtige Raster. Wählen Sie ein Raster, dessen Abstand der Anzahl der verwendeten Bauteile entspricht und nutzen Sie den verfügbaren Platz optimal aus. Auch wenn die Verwendung mehrerer Raster verlockend erscheint, lassen sich Platzprobleme durch sorgfältige Planung in der frühen Entwurfsphase vermeiden und das Potenzial der Platine voll ausschöpfen. Nutzen Sie die Tatsache, dass viele Bauteile in verschiedenen Größen erhältlich sind. Da die Polygonform beim Aufbringen von Kupfer auf die Platine wichtig ist und Platinen mit mehreren Rastern häufig Ungenauigkeiten bei der Polygonfüllung aufweisen, kann die Verwendung mehrerer Raster die Sache unnötig verkomplizieren.
Regel 2: Leiterbahnen sollten so kurz und direkt wie möglich sein. Das klingt einfach und selbstverständlich, aber diese Regel sollte man sich stets merken, selbst wenn man dafür das Layout eines Teils der Platine anpassen muss, um die Leiterbahnlänge zu optimieren. Dies gilt insbesondere für analoge und digitale Hochgeschwindigkeitsschaltungen, bei denen Impedanz und parasitäre Effekte die Systemleistung beeinträchtigen können.
Regel 3: Verwenden Sie nach Möglichkeit eine Massefläche zur Verteilung von Leitungen und Masseverbindungen. Das Füllen der Massefläche ist in den meisten PCB-Designprogrammen eine schnelle und einfache Option. Dadurch wird ausreichend Kupfer für gemeinsame Verbindungen bereitgestellt und ein möglichst effizienter Stromfluss mit minimalem Widerstand und Spannungsabfall sowie ausreichenden Masseverbindungen gewährleistet. Führen Sie nach Möglichkeit mehrere Stromleitungen im selben Bereich der Leiterplatte. Beachten Sie, dass eine über einen großen Bereich einer Lage geführte Massefläche die Rückkopplung zwischen darüber oder auf benachbarten Lagen verlaufenden Leitungen positiv beeinflussen kann.
Regel 4: Gruppieren Sie zusammengehörige Bauteile und Messpunkte nach Bedarf. Platzieren Sie beispielsweise die für einen Operationsverstärker benötigten diskreten Bauteile in der Nähe des Bauteils, sodass sich die Kondensatoren und Entkopplungswiderstände dort befinden. Dies erleichtert die Einhaltung der in Regel 2 geforderten Leiterbahnlängen und vereinfacht das Testen und die Fehlersuche.
Regel 5: Erstellen Sie Panels Ihrer Leiterplatte, indem Sie diese mehrfach auf einer größeren Platine replizieren. Die Verwendung der für die Geräte Ihres gewählten Herstellers optimalen Größe optimiert Prototyping und senkt die Fertigungskosten. Beginnen Sie mit dem Layout der Platine als Panel. Kontaktieren Sie den Hersteller, um die bevorzugten Panelgrößen zu erfragen. Nachdem Sie die Designregeln angepasst haben, replizieren Sie Ihr Design so oft wie möglich auf der gewünschten Panelgröße.
Regel 6: Bauteilwerte konsolidieren. Als Entwickler haben Sie diskrete Bauteile mit unterschiedlichen Werten ausgewählt, die jedoch dieselbe Funktion erfüllen. Die Konsolidierung dieser Bauteile auf einen Standardwertebereich vereinfacht die Stückliste und ist in der Regel wirtschaftlicher. Darüber hinaus werden langfristige Lagerentscheidungen erleichtert, wenn Sie verschiedene Platinen basierend auf den bevorzugten Bauteilwerten anbieten.
Regel 7: Überprüfen Sie die Layoutregeln so oft wie möglich. Die DRC-Funktion in PCB-Designsoftware ist hierfür schnell und einfach zu bedienen, und die regelmäßige Überprüfung der Regeln kann Ihnen bei deutlich komplexeren Designs Stunden an Zeit sparen. Es ist ratsam, sich dies anzugewöhnen. Jede Entscheidung beim Leiterplattenlayout ist wichtig, und die ständige Überprüfung der Layoutregeln stellt sicher, dass Sie stets die wichtigsten Faktoren im Blick behalten.
Regel 8: Siebdruck gezielt einsetzen. Mit Siebdruck lassen sich wichtige Informationen an Leiterplattenhersteller, Wartungs- und Testingenieure sowie an den Installateur und Bediener des Geräts vermitteln. Klare Beschriftungen für Funktionen und Testpunkte sind selbstverständlich, aber auch die Ausrichtung von Bauteilen und Steckverbindern sollte möglichst genau beachtet werden. Beschriftungen werden verwendet, selbst wenn sie nach der Bestückung manchmal von Bauteilen verdeckt werden. Der beidseitige Siebdruck reduziert Nacharbeiten und vereinfacht die Produktion.
Regel 9: Entkopplungskondensatoren sind unerlässlich. Versuchen Sie nicht, Ihr Design zu optimieren, indem Sie auf die Entkopplung verzichten und sich auf die absoluten Grenzwerte in den Datenblättern der Bauteile verlassen. Kondensatoren sind kostengünstig und langlebig. Nehmen Sie sich nach Möglichkeit die Zeit, sie einzubauen, und beachten Sie Regel 6 bezüglich der Verwendung eines Bereichs von Standardwerten, um Lagerprobleme zu vermeiden.
Regel 10: Generieren Sie Ihre eigenen Leiterplatten-Fertigungsdaten und überprüfen Sie diese, bevor Sie die Platinen in Produktion geben. Die meisten Leiterplattenhersteller tun dies direkt anhand der heruntergeladenen Datei. Wenn Sie jedoch Ihre Gerber-Dateien zuerst hochladen und mit einem kostenlosen Tool überprüfen, um sicherzustellen, dass sie Ihren Erwartungen entsprechen, können Sie Missverständnisse vermeiden. Möglicherweise entdecken Sie sogar unbeabsichtigt Fehler, bevor diese dauerhaft auf Glasfaser, Harz und Kupfer gedruckt werden.
Da Schaltungsdesigns immer offener geteilt werden und immer mehr Entwicklungsteams auf Referenzdesigns zurückgreifen, ist es unserer Meinung nach unerlässlich, dass diese Regeln auch beim Leiterplattendesign weiterhin beachtet werden. Durch ein solides Verständnis der Grundlagen behalten Entwickler die Flexibilität, ihren Produkten Mehrwert zu verleihen und das volle Potenzial jeder einzelnen Leiterplatte auszuschöpfen. Schließlich lernen Einsteiger im Leiterplattendesign deutlich schneller und gewinnen mehr Sicherheit, wenn sie diese Grundregeln konsequent befolgen.
Edwin Robledo (@CadSoftTech) ist Geschäftsführer von CadSoft USA und arbeitet seit 20 Jahren im Unternehmen. Jorge Garcia ist Mitglied des technischen Support-Teams.
Autor:
Von Edwin Robledo und Jorge Garcia von CadSoft
