Die Leiterplatte, auch als PCB bezeichnet, ist das Herz jeder elektronischen Schaltung. Da sie für die elektrische Verbindung zwischen den Komponenten verantwortlich ist und die Schnittstelle des Geräts mit der Außenwelt darstellt, ist es offensichtlich, dass selbst kleinste Designfehler zusätzliche Verzögerungen oder Kosten bei der Herstellung verursachen oder sogar zur Fehlfunktion oder zum vollständigen Ausfall der Schaltung führen können. Modernste und innovativste Design-Tools ermöglichen es den Leiterplattenherstellern, die Produktionskosten im Vergleich zu früher deutlich zu senken. In einigen Fällen können die Herstellungskosten jedoch aufgrund von Fehlern in der PCB-Designphase steigen. Und in diesem Zusammenhang sollte darauf hingewiesen werden, dass selbst bei den erfahrensten PCB-Designern Fehler vorkommen können; unser Rat lautet, einige einfache Regeln zu befolgen, um die zehn häufigsten Designfehler zu vermeiden, die wir Ihnen anschließend beschreiben.
1 - Falsche Leiterbahngeometrie
Leiterbahnen auf der Leiterplatte sorgen für die Übertragung von elektrischen Signalen zwischen den verschiedenen Komponenten der Schaltung, wobei genaue Vorgaben in Bezug auf Geschwindigkeit, Stromstärke und Frequenz des Signals eingehalten werden müssen. In diesem Zusammenhang spielt die Geometrie jeder Leiterbahn eine wesentliche Rolle; insbesondere ist es notwendig, die Breite und Dicke jeder Leiterbahn angemessen zu dimensionieren. Überschreitet der durch die Leiterbahn fließende Strom den Richtwert von 0,5 A spricht man von einer Leistungsübertragungsleitung bzw. einer Hochstromleitung. In diesem Fall kann nicht mehr die Standardbreite eingesetzt werden, die bei Schaltungen mit geringer Leistung zum Einsatz kommt, sondern es muss eine geeignete Dimensionierung vorgenommen werden, z. B. mit Hilfe von Berechnungsprogrammen, die auf dem IPC-2221-Standard basieren, oder später für interne (Stripline) und externe (Microstrip) Leiterbahnen. Außerdem muss beachtet werden, dass die Leiterbahnen, die auf den äußeren Schichten der Leiterplatte verlegt sind, bei gleicher Dicke einen höheren Strom führen können, da sie einen höheren Luftstrom und eine höhere Wärmeableitung nutzen können. Die Breite der Leiterbahnen ist von der Kupfermenge abhängig, die für diese Schicht verwendet wurde. Neben der Breite muss auch die Dicke der einzelnen Leiterbahnen entsprechend dimensioniert sein. Die meisten Leiterplattenherstellern ermöglichen die Auswahl zwischen verschiedenen Kupferdicken, von 0,5 oz/ft² bis 2,5 oz/ft² und darüber hinaus. Viele Designer entscheiden sich häufig für die Standarddicke von einer Unze Kupfer (1 oz, entsprechend 35 µm). Dieser Wert ist jedoch möglicherweise für Hochstrombahnen nicht ausreichend, hier kommt in der Regel eine Dicke von 2 oder 3 Unzen zum Einsatz. Der Vorteil einer größeren Dicke besteht darin, dass sie einen geringeren Widerstand für den Stromdurchgang darstellt, was zu einer Verbesserung der Wärmeableitung führt. Die Nachteile liegen im höheren Gewicht und in der Notwendigkeit einer höheren Isolation der Leiterbahnen.
2 - Unsachgemäßes Layout
Da die Nachfrage nach immer kleineren Leiterplatten steigt, sehen sich Designer dazu gezwungen, Bauteile mit kleineren Grundflächen zu verwenden und den Abstand zwischen den Bauteilen zu verringern. Bei Einsatz eines ineffizienten Layouts besteht die Gefahr, dass Verbindungs- oder Nichtkonformitätsprobleme auftreten. Dies gilt insbesondere bei der Verwendung von Bauteilen mit kleinerem Raster und höherer Pinanzahl. Um die gewünschte Funktionalität zu gewährleisten, ist es sehr wichtig, eine Layouttechnik zu wählen, die den Anforderungen der jeweiligen Schaltung entspricht. Dabei empfiehlt es sich, auf der Leiterplatte genügend Platz für Zusatzbauteile (oder Alternativen zu den aktuellen) vorzusehen, die in naher Zukunft benötigt werden könnten. Falls diese Zusatzbauteile nicht erforderlich sind, lassen sie sich jederzeit vor der Fertigung entfernen.
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3 - Falsche Position der Entkoppelkondensatoren
Entkoppelkondensatoren werden auf den Stromversorgungsleitungen der Platine benötigt, um eine stabile, transienten- und schwingungsfreie Stromversorgung aller Platinenbauteile zu gewährleisten. Es ist unbedingt erforderlich, dass diese Kondensatoren immer parallel zur Spannungsversorgung geschaltet und so nah wie möglich an den Pins der zu versorgenden Bauteile platziert werden Die von der Stromquelle ausgehende Stromleitung muss auf der Platine richtig verlegt werden, damit sie zum Entkoppelkondensator gelangt, bevor sie zum Pin führt, der eine stabile Spannung erfordert. Beachten Sie, dass die Entkopplungsfunktion andernfalls nicht richtig funktionieren kann; tatsächlich verwenden alle Spannungsregler einen Rückkopplungskreis, der schwingen kann, wenn er nicht ausreichend stabilisiert wurde.
4 - Fehler in den Landing Pattern
Obwohl die Begriffe Landing Pattern und Footprint oft synonym verwendet werden, gibt es einen feinen Unterschied zwischen ihnen. Genauer gesagt beziehen sich die Landing Pattern auf die Größe der Kontakte und sollten für jedes Bauteil immer etwas größer sein als die entsprechende Grundfläche. Schon ein halber Millimeter Fehler bei der Messung der Kontaktabstände kann sich beim Löten während des Fertigungsprozesses als fatal erweisen, da er zu Fehlstellungen zwischen Bauteilen und Leiterplatte führt. Die besten PCB-CAD-Software-Tools verfügen über eine große Sammlung von Bibliotheken, die sowohl das Schaltplansymbol als auch die Landing Pattern für jedes Bauteil enthalten. Wenn ein Bauteil verwendet wird, das nicht in diesen Bibliotheken enthalten ist, müssen sowohl das elektrische Symbol als auch die Landing Pattern für die Leiterplatte von Hand hinzugefügt werden. In dieser Phase kommt es nicht selten zu Fehlern; wenn zum Beispiel der Abstand zwischen zwei Kontakten weniger als einen Millimeter beträgt, können die Pins nicht richtig ausgerichtet werden, was das Löten unmöglich macht. Abbildung 1 zeigt die Abmessungen der Landing Pattern eines Bauteils mit PG-TQFP-64-19-Gehäuse, die direkt aus dem Datenblatt entnommen wurden. Normalerweise halten sich die Hersteller von elektronischen Bauteilen an die Anforderungen, die in der Norm IPC-7351B (« Generic Requirements for Surface Mount Design and Land Pattern Standards ») enthalten sind.
Abbildung 1: Beispiel einer Spezifikation für eine Landing Pattern (Quelle: NXP).
5 - Übermäßiges Vertrauen in die automatische Leiterplattenentflechtung
Bei nicht allzu komplexen Leiterplatten neigen einige Designer dazu, sich auf die automatische Entflechtungsfunktion zu verlassen, die heute von den meisten PCB-Design-Tools angeboten wird. Die automatische Entflechtung neigt jedoch dazu, einen größeren Bereich der Leiterplatte zu belegen als erwünscht und größere Durchkontaktierungen zu erzeugen, als dies mit manueller Entflechtung möglich ist. Es ist eine Tatsache, dass die Anzahl der Leiterbahnen, zusammen mit der Anzahl der Durchkontaktierungen, einen direkten Einfluss auf die Herstellungskosten der Leiterplatte hat.
6 - Partielle oder vergabene Durchkontaktierungen
Durchkontaktierungen sind außerordentlich praktisch, da sie es ermöglichen, viele komplexe Entflechtungssituationen zu lösen und den Wärmeaustausch auf der Leiterplatte zu verbessern; sie müssen jedoch mit Vorsicht und Augenmaß eingesetzt werden. Partielle Durchkontaktierungen (Typ „1“ in Abbildung 2) müssen eingesetzt werden, um eine äußere Lage mit einer inneren zu verbinden, während vergrabene Durchkontaktierungen (Typ „2“ in Abbildung 2) dazu dienen, zwei innere Lagen miteinander zu verbinden. Die Durchkontaktierungen (Typ „3“ in Abbildung 2) dürfen dagegen nur zur Verbindung der beiden äußeren Lagen der Leiterplatte und eventuell einer inneren Lage verwendet werden. Um eine Durchkontaktierung zu erstellen, müssen die Gesamtgröße, die Lochgröße, Toleranzen und andere Attribute angegeben werden. Sie können aus Vorlagen erstellt werden, können aber auch „jederzeit“ definiert werden. Es sollte auch beachtet werden, dass partielle und vergrabene Durchkontaktierungen mit höheren Produktionskosten verbunden sind, so dass es ratsam ist, ihre Verwendung im Voraus zu planen, um das der Leiterplatte zugewiesene Budget einzuhalten.
Abbildung 2: Typen von Durchkontaktierungen (Quelle: Altium).
7 - Übermäßige Leiterbahnlänge
Leiterbahnen, die Hochgeschwindigkeitssignale führen, sollten so kurz und gerade wie möglich sein. Bei Überschreitung der Länge besteht die Möglichkeit, dass ernsthafte Probleme auftreten, wie z. B. Signalreflexion (mit direkten Auswirkungen auf die Integrität des Signals), größere Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen (EMI) und natürlich höhere Kosten. Wenn die Länge einer Leiterbahn mehr als ein Zehntel der Wellenlänge des Signals beträgt, das sie durchquert, kann man von einer Übertragungsleitung sprechen. In diesem Fall muss zusätzlich zur Länge eine Impedanzberechnung durchgeführt werden (mit einem der vielen speziellen Tools, die auch online verfügbar sind), um eine Impedanzkopplung sicherzustellen und einen Verlust der Signalleistung zu vermeiden.
8 - Elektromagnetische Interferenz (EMI)
Elektromagnetische Interferenzen werden oft durch unsachgemäßes Leiterplattendesign verursacht. Um die EMI auf einer Leiterplatte zu reduzieren, wird empfohlen, die Elemente entsprechend ihrer Funktionalität zu gruppieren, z. B. analoge und digitale Blöcke, Leistungsteile, Schaltungen mit niedriger Geschwindigkeit, Schaltungen mit hoher Geschwindigkeit usw. Darüber hinaus ist es notwendig, die rechten Winkel auf den Leiterbahnen zu reduzieren bzw. zu eliminieren und Metallbehälter und geschirmte Kabel zu verwenden, um Störungen zu absorbieren.
9 - Unsachgmäßes Antennenlayout
Wenn die Leiterplatte Antennen für die drahtlose Kommunikation enthält, müssen die Designer mit Bedacht vorgehen, um keine Layout-Fehler zu machen. Um die Leistungsübertragung zu maximieren, ist es zunächst notwendig, die Impedanz zwischen dem Transceiver und der Antenne anzupassen. Normalerweise sollte die Übertragungsleitung, die den Sendeempfänger mit der Antenne verbindet, eine Impedanz von 50 Ω aufweisen. Zur genauen Impedanzanpassung sollte ein Pi (LC)-Tunerfilter oder eine andere Anpassungsschaltung zwischen Antenne und Sendeempfänger geschaltet werden.
10 - Unzureichende Überprüfung des Projekts
Die Entwurfsüberprüfung wird oftmals unterschätzt, stellt jedoch tatsächlich eines der wichtigsten Elemente im PCB-Entwicklungsprozess dar. Durch regelmäßige Überprüfungen des Projekts wird die Übereinstimmung mit den hohen Anforderungen des Projekts, den der Leiterplatte zugewiesenen Funktionen und den Verbindungen zwischen den verschiedenen Schaltungen sichergestellt. So können Designer die häufigsten Designfehler ausschließen oder im Voraus erkennen; ein Peer-Review durch andere Mitglieder des Entwicklungsteams ermöglicht oftmals die Aufdeckung von Fehlern, die dem Designer vorab entgangen sind.
