In den letzten Jahren hat die steigende Nachfrage nach mobilen, tragbaren und elektromedizinischen Geräten zu einer schrittweisen Reduzierung der Größe von integrierten elektronischen Schaltungen geführt. Die Anforderungen im Zusammenhang mit den neuen Funktionen, einschließlich drahtloser Konnektivität und der Verwendung hochauflösender Displays, haben zwangsläufig die Dichte der einzelnen Komponenten erhöht und stellen Elektronikentwickler vor ganz neue Herausforderungen. Eine hohe Integration, geringer Stromverbrauch und ausgezeichnetes Wärmemanagement sind nur einige der Anforderungen, die viele integrierte Anwendungen der neuesten Generation erfüllen müssen. Die Reduzierung der Leiterplattengröße ermöglicht nicht nur die Erfüllung der vom Markt geforderten Anforderungen an die Miniaturisierung, sondern auch erhebliche Einsparungen bei den Produktionskosten. In diesem Artikel werden die wichtigsten Fertigungstechniken und Tricks vorgestellt, mit denen Designer erfolgreich eine Leiterplatte für integrierte Anwendungen erstellen können.
Leiterplattengröße
Größe ist eine der offensichtlichsten und wichtigsten Einschränkungen beim Leiterplattendesign. Das Leiterplattenlayout und die Größe müssen mit den am mechanischen Design beteiligten Personen abgestimmt werden, um eine einfache Installation der Schaltung im das Gehäuse des Endproduktes zu ermöglichen. Die Leiterplatte darf auf keinen Fall zu klein sein, da die korrekte Positionierung der Komponenten gewährleistet und eine Überhitzung der Platine vermieden werden muss. Da die meisten diskreten Komponenten in einem integrierten System passiv sind, ist der Einsatz von SMD-Technologie praktisch zwingend. Dadurch werden Platzbedarf und Abstand zwischen Komponenten reduziert, was zu einem sehr kompakten Leiterplattenlayout führt. Ein zweiter Aspekt, an dem Designer arbeiten können, um die Leiterplattengröße zu optimieren, ist das Routing. Sofern die Platzanforderungen es zulassen, ist ein weitverbreiteter Trend, doppelseitige Leiterplatten zu produzieren. Tatsächlich ermöglicht diese Lösung eine einfache Anordnung von SMD-Komponenten. Sie geht mit einem nicht besonders komplexen hohen Routing einher und vereinfacht das Testen, Reparieren und Nacharbeiten der Schaltung erheblich. Eine größere Anzahl von Lagen erhöht den verfügbaren Platz für die Leiterbahnplatzierung und ermöglicht somit ein effizienteres Routing. Das erklärt, warum die meisten hochintegrierten tragbaren Geräte wie Smartwatches eine Leiterplatte mit bis zu sechs Lagen aufweisen. Es gibt jedoch einen Nachteil, den Sie beachten sollten: Je größer die Anzahl der Lagen, desto höher ist die Komplexität der Schaltung und die Zeit, die für das Debuggen oder Anwenden von Änderungen am ursprünglichen Design erforderlich ist. Ein guter Kompromiss für viele integrierte Systeme wird durch vierlagige Leiterplatten dargestellt, deren typische Struktur (auch als Lagenaufbau bekannt) in Abbildung 1 dargestellt ist. Die beiden Außenseiten dienen nicht nur der Positionierung und der Verbindung der Komponenten durch Mikroleiterbahnen, sondern auch der Erzeugung von Bodenebenen (GND). Interne Lagen werden stattdessen für das Routing von Signalen durch Leiterbahnen und die Erzeugung von Stromversorgungslagen (POWER) verwendet.
In der Regel warten Leiterbahnen, die Stromversorgungssignale übertragen oder als Masse-Rückleiter verwendet werden, mit den höchsten Stromstärken auf und sollten daher eine größere Dicke als die anderen Leiterbahnen aufweisen. Ihre Dicke beträgt in der Regel nicht weniger als 40 mm und kann mithilfe von einer der verschiedenen ebenfalls online verfügbaren Leiterbahnbreiten-Rechner berechnet werden. Diese Leiterbahnen können auf den beiden äußeren Lagen platziert werden, während Bahnen, die Signale mit geringer Leistung leiten, besser für die inneren Lagen geeignet sind.
Abbildung 1: 4-lagiger Leiterplattenlagenaufbau.
Besonderes Augenmerk ist auf die Komponentenhöhe (insbesondere Elektrolytkondensatoren und Steckverbinder) zu richten. Ein Aspekt, der oft übersehen wird, da die meisten Softwaretools für Leiterplattendesign in zwei Dimensionen arbeiten. Dabei wird das Layout von oben betrachtet angezeigt.
Komponentenplatzierung
Die Komponentenplatzierung muss die allgemeinen anwendbaren Regeln für das Leiterplattendesign widerspiegeln, wie Ausrichtung (die sowohl den Löt- als auch den Anordnungsprozess vereinfachen soll) und die Trennung zwischen analogen und digitalen Geräten. Vermeiden Sie es, schwerere Komponenten in der Nähe der Kanten der Leiterplatte zu platzieren, da dies die Platine tendenziell verbiegen würde. Um die mechanische Belastung der Lötstellen zu verringern, sollten diese Komponenten auf der Seite der Leiterplatte positioniert werden, die normalerweise nach oben zeigt. Wenn möglich, sollten sich nicht mehrere Stromversorgungsgeräte im selben Bereich befinden, sondern so gleichmäßig wie möglich auf der Platinenebene verteilt werden. Dadurch wird die Wärmeableitung begünstigt. Die Wahl des richtigen Platzabschnitts für jede Komponente ist also ausgesprochen wichtig. SMD-passive Komponenten sind in sehr unterschiedlichen Platzabschnitten erhältlich, wie in Abbildung 2 dargestellt.
Während es beim Prototypen-Entwurf besser ist, größere Platzabschnitte (wodurch die Anordnung und Prüfung der Schaltung vereinfacht wird), empfehlen wir für die Version, die letztendlich produziert wird, Platzabschnitte zu verwenden, die weniger Platz belegen. Designer müssen auch sicherstellen, welcher Mindestplatzabschnitt vom Anordnungsprozess unterstützt wird, da nicht alle Bestückungsmaschinen alle Arten von Formaten verarbeiten können.
Abbildung 2: SMD-Geräte mit unterschiedlichen Platzabschnitten.
Wärmemanagement
Wenn ein hochintensiver Strom durch eine Leiterplatte fließt, wird eine nicht zu vernachlässigende Wärmemenge erzeugt. Um die Wärmeableitung zu verbessern und gleichzeitig die Leiterplattengröße so klein wie möglich zu halten, kann der Designer zwei Techniken verwenden, die möglicherweise miteinander kombiniert werden können:
- die Leiterbahndicke erhöhen;
- erstellen auf Leiterplattenbereichen oder ganzen Kupferlagen, mit dem Ziel, Wärme abzuleiten.
Wie vom IPC2221A-Standard empfohlen, sollten Kupferlagen 10 oz (35 µm) dick sein, aber dieser Wert kann letztendlich erhöht werden. Durch Verdopplung der Dicke (20 oz oder 70 µm) könnte die Leiterbahnbreite um 50 % reduziert werden, wobei der aktuelle Wert beibehalten wird. Darüber hinaus verbessert eine Dicke von 20 oz die Wärmeableitung erheblich. Wenn das integrierte System hohe Stromstärken bewältigen muss – wie bei Umrichtern, Wechselrichtern oder Motortreibern – kann die Schwerkupfertechnologie eingesetzt werden, bei der Kupferstärken zwischen 4 und 10 oz verwendet werden.
Die Bildung von Punkten mit hoher Wärmekonzentration, den sogenannten Hot-Spots, sollte vermieden werden, indem die von der Leiterplatte erreichte maximale Temperatur unter 170 °C gehalten wird. Dieser Zustand kann durch die Durchführung einer thermografischen Analyse mit einer Wärmebildkamera oder durch ein geeignetes Modell und eine entsprechende Software für Wärmesimulation erkannt werden. Eine andere Technik, die häufig verwendet wird, um die Wärmeableitung zu verbessern, besteht darin, die Bahnen mit entsprechenden Löchern zu versehen, die thermische Durchkontaktierungen genannt werden. Bei doppelseitigen Leiterplatten verbinden thermische Durchkontaktierungen die oberen und unteren Lagen miteinander, wodurch sowohl die Oberfläche als auch das Volumen, das Wärme ableiten kann, erhöht werden. Bei einer mehrschichtigen Leiterplatte verbinden thermische Durchkontaktierungen mehrere Lagen sogar innerhalb der Leiterplatte miteinander. Um effektiv zu sein, müssen thermische Durchkontaktierungen so nah wie möglich an jenen Komponenten platziert werden, welche die größte Wärmemenge entwickeln, möglicherweise darunter.
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Integrierte Komponenten
Integrierte Systeme der neuesten Generation zeichnen sich durch eine hohe Gerätedichte und einen extrem geringen Platzbedarf aus. Um sowohl Leiterplattendesign als auch Anordnungsphase zu vereinfachen, setzen immer mehr Designer auf die Integrierte-Komponenten-Technologie.
Durch diese Technik werden Induktivitäten, Widerstände und Kondensatoren direkt in die Leiterplatte integriert. Dies reduziert die Länge der Leiterbahnen, die Anzahl der Lötstellen und die Kosten, wodurch die Stromleistung des Stromkreises und dessen Zuverlässigkeit verbessert werden. Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten während der Leiterplattenherstellung durch Druck oder Ätzen auf die inneren Lagen gelegt. Anschließend werden sie während des Laminiervorgangs der mehrschichtigen Leiterplatte in die Leiterplatte eingearbeitet. Zu den Induktoren gehören auch Modelle, die mit einem Magnetkern ausgestattet sind. Ferromagnetische Kerne werden in ein Leiterplattensubstrat integriert, während induktive Wicklungen über Fotolithografie und andere standardmäßige Leiterplattenherstellungsprozesse vorgenommen werden. Anstatt Sie einzeln zu bauen, werden die Komponenten auf einer Leiterplatte angeordnet und mithilfe eines automatisierten Prozesses hergestellt. In den meisten Fällen ist der integrierte Kern wie ein Ring (Toroid) geformt. Toroidkerne sind relativ einfach herzustellen und im Vergleich zu anderen Kernformen im Allgemeinen preiswert. Häufig verwendete Materialien sind gepresste Keramikferrite und amorphe Metalle, die auf Band umwickelt sind. Abbildung 3 zeigt eine Induktionswicklung aus zehn Windungen, die vollständig in die Leiterplatte integriert ist.
Abbildung 3: Ein Beispiel für in Leiterplatten integrierte Komponenten.
