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Leiterplatten

Leiterplatten sind das Herzstück aller elektronischen Geräte. Hierbei handelt es sich um starre oder flexible Strukturen, die eine Grundlage für die Montage und Verbindung elektronischer Komponenten bilden. Leiterplatten verfügen typischerweise über eingebettete Metalloberflächen, die als Leiterbahnen und Pads bezeichnet werden, sowie über größere Metallflächen, die als Ebenen bezeichnet werden. Auf Leiterplatten montierte elektronische Komponenten werden auf speziell dafür vorgesehene Metallpads gelötet und über Metallleiterbahnen miteinander verbunden. Leiterplatten können eine, zwei oder mehrere Schaltkreisschichten aufweisen.

Leiterplatten enthalten typischerweise ein dielektrisches Kernmaterial mit guten Isoliereigenschaften, um die beabsichtigte Signalübertragung sicherzustellen. Bei mehrschichtigen Platinen sind zusätzliche Schichten aus Metall und Dielektrikum dazwischen angeordnet. Während das dielektrische Standardmaterial starrer Platinen aus FR4 besteht, einem schwer entflammbaren Verbundwerkstoff aus Epoxidharz und Glasfasergewebe, ist das dielektrische Material für flexible Platinen typischerweise Polyimid. Sowohl starre als auch flexible Platinen verfügen über Metallleiterbahnen, Pads und Ebenen für die Schaltung aus Kupfer.

Zuverlässigkeit und Qualität

Abhängig von der Anwendung kann eine Leiterplatte einer bestimmten Klasse angehören, die ihre Zuverlässigkeit und Qualität definiert. Gemäß IPC-Standards gibt es typischerweise drei Klassen von Platinen:

Klasse 1: 

Diese Platinen gehören zu Unterhaltungselektronikprodukten mit angemessener Zuverlässigkeit und Qualität. Beispiele für solche elektronischen 

Klasse 2: 

Diese Platinen gehören zu Geräten, die eine hohe Zuverlässigkeit und niedrige Ausfallraten aufweisen müssen. Beispiele für solche elektronischen Produkte sind Laptops, Mikrowellen und Bergbaugeräte.

Klasse 3: 

Diese Platinen gehören zu Geräten, die äußerst zuverlässig und von sehr hoher Qualität sein müssen. Sie entsprechen den höchsten Fertigungsstandards. Beispiele für solche elektronischen Anwendungen finden sich in der Luft- und Raumfahrt, im Militär und in medizinischen Geräten.

Arten von PCBA

Wie oben erwähnt, ist es möglich, Bretter in zwei Typen zu unterteilen: starre und flexible.

Starre Bretter

Für die allermeisten Benutzer ist die Verwendung üblich starre Bretter. Ein starres Substrat, das durch hohe Hitze und einen Drucklaminierprozess geformt wird, enthält das Layout der Platine. Das gebräuchlichste Material für solche Platten ist FR-4, aber je nach Anwendung und spezifischen Designanforderungen ist es möglich, bestimmte Eigenschaften des Materials zu modifizieren, hervorzuheben oder zu verbessern.

Flexible Boards

Seltener als starre Bretter, flexible Bretter bestehen typischerweise aus einem Material, das eine größere Durchbiegung ermöglicht. Polyimid ist ein gängiges Material für solche Platten, dessen flexible Beschaffenheit eine Plattendicke ermöglicht, die weit unter der von standardmäßigen starren Platten liegt.

PCB-Designprozess

Bevor eine Leiterplatte hergestellt werden kann, muss sie entworfen werden. Designer verwenden hierfür typischerweise CAD-PCB-Designtools und erledigen dies in zwei Schritten: Schaltplanerfassung und PCB-Layout. Während der Schaltplanerfassung erstellen sie die Schaltkreiskonnektivität in einem Diagramm. Während PCB-LayoutSie entwerfen das physische Layout der Leiterplatte.

Schematische Erfassung

Bevor mit der Schaltplanerfassung begonnen wird, muss ein Konstrukteur sicherstellen, dass in seiner CAD-Software die erforderlichen Bibliotheksteile vorhanden sind. Dazu gehören in der Regel Schaltplan- oder Logiksymbole, Footprints für das Layout, Simulationsmodelle und Stufenmodelle für die 3D-Leiterplattendarstellung. Sobald diese Bibliotheken fertig sind, besteht der nächste Schritt für den Designer darin, eine logische Darstellung der Schaltung auf einem Schaltplan zu erstellen. Mit dem CAD-Tool kann der Designer die erforderlichen Symbole auf einem Schaltplanblatt platzieren. Sie können sie dann miteinander verbinden, um die notwendigen Schaltkreise zu bilden.

Zunächst erstellt der Designer Logiksymbole für elektronische Teile wie Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten, Steckverbinder, Transistoren und integrierte Schaltkreise. Glücklicherweise sind die meisten modernen CAD-Softwaretools bereits mit vorgefertigten Bibliotheken für solche Logiksymbole und Footprints ausgestattet.

Der Designer organisiert diese Symbole dann auf Schaltplanblättern innerhalb des CAD-Tools. Nachdem er sie grob platziert hat, verbindet der Designer die Pins der Schaltplansymbole mit Verbindungslinien, die Drähte darstellen. Diese Linien bilden die Netze, die einzelne oder Gruppen von Netzen für die elektronischen Schaltkreise darstellen. Während dieses Vorgangs, der technisch als Schaltplanerfassung bezeichnet wird, muss der Designer die Teile nach Bedarf verschieben, um einen klaren und lesbaren Schaltplan zu erstellen.

Schaltungssimulation

In dieser Phase kann der Designer eine Schaltungssimulation durchführen, um zu überprüfen, ob das Design elektrisch funktioniert. Mithilfe von Schaltungssimulationstools können sie die Funktionsweise der von ihnen entworfenen Schaltungen testen, bevor sie mit dem Bau der eigentlichen Hardware beginnen können. Dies ist ein wichtiger Schritt, da er Designern hilft, Zeit und Geld zu sparen.

Sobald dieser Schritt zufriedenstellend abgeschlossen ist, kann der Designer die Konnektivitätsdaten mit dem Schaltplan-Tool erstellen und an das Layout-Tool übertragen.

Designregeln einrichten

Bevor mit dem nächsten Schritt fortgefahren wird, müssen Designer ihre Software so einrichten, dass sie verschiedene Funktionen erfüllt. Hierbei handelt es sich um unterschiedliche Entwurfsregeln und Einschränkungen, die verhindern, dass sich zwei Netze überlappen, während gleichzeitig ein bestimmter Abstand zwischen verschiedenen Entwurfsobjekten eingehalten wird. Mit der PCB-CAD-Software können Designer mehrere zusätzliche Hilfsmittel wie Designraster einrichten. Diese Hilfsmittel helfen Designern, Komponenten richtig zu platzieren und Leiterbahnen sauber und ordentlich zu verlegen.

Komponenten platzieren

Sobald der Designer die Designdatenbank korrekt eingerichtet hat, kann er die Netzwerkkonnektivitätsinformationen aus dem Schaltplan importieren. Mit diesen Informationen können Designer mit der physischen Gestaltung der Leiterplatte beginnen. Dazu müssen sie mit dem Platinenumriss im CAD-System beginnen. Dieser Umriss enthält nicht nur Informationen zum Außenumfang der Platine, sondern zeigt auch die inneren Löcher, Ausschnitte und andere Einschränkungen in der Platine an.

Die importierte Netzwerkkonnektivität liefert auch eine weitere wichtige Information: den Footprint für jede der Komponenten im Schaltkreis. Der Designer muss die Richtigkeit der importierten Footprint-Informationen sorgfältig prüfen, da die Korrektur selbst eines kleinen Fehlers sehr lange dauern kann.

Zunächst erscheinen die Fußabdrücke als durcheinandergebrachtes Muster. Der Designer muss sie manuell entwirren und jeden Footprint einzeln innerhalb des Umrisses der Platine positionieren. Alternativ können sie die Funktion zur automatischen Platzierung in der CAD-Software nutzen, da diese jedes Bauteil optimal innerhalb der Kontur positioniert. Zu diesem Zeitpunkt erscheinen die miteinander verbundenen Netze als Gummibänder, die als schwache Linien dargestellt sind und als Rattennest bezeichnet werden.

Der Designer muss nun sein technisches Wissen einsetzen, um die Grundflächen der Komponenten bestmöglich zu platzieren. Die Platzierung muss die beste Leistung bieten und gleichzeitig die kürzestmögliche Konnektivität, das geringste Maß an Übersprechen und Interferenzen sowie die richtige Wärmeverteilung bieten. Der Designer muss auch nach der optimalen Platzierung für Steckverbinder, Kabel und andere Montageteile suchen.

Diese Phase ist für den Designer auch die beste, um über DFA oder Design for Assembly nachzudenken – die Positionierung von Komponenten so, dass der Hersteller sie problemlos zusammenbauen kann. Dies kann die Positionierung aller bipolaren Komponenten in der gleichen Richtung oder im rechten Winkel, die Positionierung aller integrierten Schaltkreise mit ihren Identifikationsstiften im gleichen Quadranten, das Freilassen von Fingerfreiheit um manuell montierte Komponenten usw. umfassen.

Komponenten platzieren

Sobald der Designer die Designdatenbank korrekt eingerichtet hat, kann er die Netzwerkkonnektivitätsinformationen aus dem Schaltplan importieren. Mit diesen Informationen können Designer mit der physischen Gestaltung der Leiterplatte beginnen. Dazu müssen sie mit dem Platinenumriss im CAD-System beginnen. Dieser Umriss enthält nicht nur Informationen zum Außenumfang der Platine, sondern zeigt auch die inneren Löcher, Ausschnitte und andere Einschränkungen in der Platine an.

Die importierte Netzwerkkonnektivität liefert auch eine weitere wichtige Information: den Footprint für jede der Komponenten im Schaltkreis. Der Designer muss die Richtigkeit der importierten Footprint-Informationen sorgfältig prüfen, da die Korrektur selbst eines kleinen Fehlers sehr lange dauern kann.

Zunächst erscheinen die Fußabdrücke als durcheinandergebrachtes Muster. Der Designer muss sie manuell entwirren und jeden Footprint einzeln innerhalb des Umrisses der Platine positionieren. Alternativ können sie die Funktion zur automatischen Platzierung in der CAD-Software nutzen, da diese jedes Bauteil optimal innerhalb der Kontur positioniert. Zu diesem Zeitpunkt erscheinen die miteinander verbundenen Netze als Gummibänder, die als schwache Linien dargestellt sind und als Rattennest bezeichnet werden.

Der Designer muss nun sein technisches Wissen einsetzen, um die Grundflächen der Komponenten bestmöglich zu platzieren. Die Platzierung muss die beste Leistung bieten und gleichzeitig die kürzestmögliche Konnektivität, das geringste Maß an Übersprechen und Interferenzen sowie die richtige Wärmeverteilung bieten. Der Designer muss auch nach der optimalen Platzierung für Steckverbinder, Kabel und andere Montageteile suchen.

Diese Phase ist für den Designer auch die beste, um über DFA oder Design for Assembly nachzudenken – die Positionierung von Komponenten so, dass der Hersteller sie problemlos zusammenbauen kann. Dies kann die Positionierung aller bipolaren Komponenten in der gleichen Richtung oder im rechten Winkel, die Positionierung aller integrierten Schaltkreise mit ihren Identifikationsstiften im gleichen Quadranten, das Freilassen von Fingerfreiheit um manuell montierte Komponenten usw. umfassen.

Verlegen der Leiterplatte

Nachdem die Komponenten zufriedenstellend platziert wurden, kann der Designer mit der nächsten Phase des Routings der Platine beginnen. Der Designer muss das Rattennest der Gummibandverbindungen in Spuren und Flächen umwandeln. CAD-Tools verfügen in der Regel über viele Funktionen, die es dem Designer ermöglichen, dies manuell, automatisch oder halbautomatisch zu tun. Dadurch kann der Designer viel Zeit sparen.

Der Designer muss beim Verlegen der Leiterbahnen vorsichtig sein. Zu den bewährten Vorgehensweisen gehört es, Leiterbahnen nicht in spitzen Winkeln zu biegen, plötzliche Übergänge in der Breite zu vermeiden, eine allmähliche Verjüngung von Leiterbahn zu Pad zuzulassen, einen ausreichenden Abstand zwischen Leiterbahnen einzuhalten, die verrauschte Signale übertragen, und so weiter.

Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzsignale erfordern möglicherweise zusätzliche Sorgfalt, um die Signalintegrität aufrechtzuerhalten. Dies kann die Einrichtung geeigneter Übertragungsleitungsstrukturen für die Leiterbahnen umfassen, die diese Signale übertragen.

Der Weg zurück

Typischerweise verfügt jede aktive Komponente neben den Steuer- und E/A-Signalen über zwei wesentliche Anschlüsse – den Anschluss an die Stromversorgung und an das Erdungsnetz. Die meisten Designer verwenden überflutete Bereiche und Schichten mit festen Ebenen um diese Komponenten herum, sodass sie diese erschließen und einen Rückweg bilden können. Dies reicht jedoch möglicherweise nicht immer aus, wenn die Platine zu viele Risse, Aussparungen oder Löcher aufweist. Ein falscher Rückweg kann das Rauschen erhöhen und die Leistung der Leiterplatte beeinträchtigen.

Überprüfung der Designregeln

Während die meisten CAD-Tools Online-Prüfungen der Konstruktionsregeln anbieten, schadet es nicht, eine abschließende Regelprüfung durchzuführen. Bei der Online-Entwurfsprüfung werden automatisch etwaige Entwurfsfehler wie Verstöße gegen Platzbeschränkungen, Verstöße gegen die Konzentrizität usw. angezeigt, sodass der Designer Korrekturen vornehmen kann. Die Durchführung einer abschließenden Regelprüfung untermauert nicht nur die Ergebnisse, sondern ermöglicht dem Designer auch die Reparatur etwaiger Regeln, die er möglicherweise versehentlich übersehen hat.

Informationen zum Siebdruck

Der Designer muss nun die verschiedenen Text- und Markierungsinformationen einrichten, die die Tafel tragen soll. Der Hersteller bringt diese Informationen per Siebdruck auf die Außenschichten der Platine. Anhand der Informationen können Benutzer bestimmte Komponenten lokalisieren, die Chargennummer der Platine ermitteln, Urheberrechtsinformationen, die Identität des Herstellers usw. identifizieren.

Endgültiges Kunstwerk

Nachdem alle oben genannten Schritte zufriedenstellend abgeschlossen wurden, ist der Designer schließlich in der Lage, die endgültige Grafik des PCB-Designs zu erstellen und diese an den Hersteller zur Herstellung der Platine zu senden. Die übliche Praxis besteht darin, die endgültige Grafik in Standardformaten wie Gerber zu erstellen.

Abschluss

Laut PCB Trace Technologies Inc. sind die Prozesse des PCB-Designs, der Fertigung und der Montage recht anspruchsvoll und präzise. Um die Platine gemäß den Spezifikationen zu bauen, damit sie die beabsichtigte Leistung erbringt, müssen dem Hersteller präzise Designdaten in Form einer genauen Endvorlage übermittelt werden.

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