Über PCB-Design

PCB-Design ist ein wesentlicher Bestandteil jedes Elektronikproduktentwicklungsprojekts. PCB-Design verwendet ein CAD-Softwaretool, um ein 3D-Rendering einer Leiterplatte aus einem 2D-Schaltplan zu erstellen, das dann zur Herstellung der Platine verwendet wird. Ein optimiertes PCB-Design stellt sicher, dass die Leiterplatte wie gewünscht und innerhalb der erwarteten Spezifikation arbeitet. PCB-Designer müssen einen bestimmten Prozess befolgen, der die Schritte der mechanischen Definition, der kritischen Platzierung, der Platzierung, des kritischen Routings, des Routings, der endgültigen Designregelprüfung und der Erstellung von Outjobs umfasst.

• PCB-Design-Software-Tools

Viele computergestützte Design (CAD)-Softwarepakete sind verfügbar, einige kostenlos und andere kostenpflichtig.

Altium Designer, PADs, Allegro und OrCAD sind die am häufigsten verwendeten PCB-Design-Software-Tools. Für einfachere Designs und Studenten und Hobbybastler gibt es kostenlose CAD-Tools wie Kicad und ExpressPCB. Diese Tools sind in der Handhabung komplexerer Designs eingeschränkt und haben im Vergleich dazu begrenzte Funktionen.

Funktionen und Fähigkeiten von PCB-Design-Software können von Tool zu Tool stark variieren. Ein Ingenieur oder Designer wählt oft ein bestimmtes Tool, weil es die notwendigen Funktionen hat, die andere Tools nicht haben. Die einfacheren PCB-Design-Tools bieten viel grundlegendere Funktionen und Merkmale. Software, für die Unternehmen bezahlen müssen, bietet mehr Funktionen und Fähigkeiten, wie z. B. komplexes Routing mit festgelegten Designregeln und Routing-Signal-Simulation.

Da Leiterplatten immer komplexer werden und oft einen viel kleineren Footprint haben, werden kostenpflichtige Softwarepakete oft bevorzugt, wenn nicht sogar benötigt.

• Schaltplanerfassung

Einer der ersten Schritte bei der Entwicklung elektronischer Produkte ist die Erstellung einer Designspezifikation. Dieses Dokument beschreibt die Anforderungen der Platine und identifiziert kritische Komponenten, Signalgeschwindigkeiten, differentielle Paare usw.

Sobald die Spezifikation abgeschlossen ist, kann die Schaltplanerfassung beginnen. PCB-Schaltpläne wurden früher von Hand gezeichnet und werden manchmal immer noch so gezeichnet, aber die meisten Schaltpläne werden mit CAD-Software gezeichnet oder "erfasst".

Ein PCB-Schaltplan ist eine zweidimensionale Zeichnung, die zeigt, welche Komponenten mit anderen Komponenten verbunden sind, und Anweisungen zum Layout der Leiterbahnen auf der Platine gibt. Mit CAD-Software erstellt der Ingenieur Schaltplansymbole für jede Komponente, die dann mit einem PCB-Footprint oder Land Pattern verknüpft werden. Die Footprints werden vom PCB-Designer erstellt und definieren die physikalischen Abmessungen, Pin-Positionen und ob es sich um SMT oder Thru-Hole handelt.

• Komponentenplatzierung

PCB-Design nimmt die zweidimensionalen Schaltpläne und erstellt ein dreidimensionales Rendering. Sobald der Schaltplan fertiggestellt ist und mechanische Spezifikationen wie Platinengröße und -form, Einschränkungen und Bohrinformationen festgelegt wurden, ist die Komponentenplatzierung der erste Schritt im PCB-Designprozess. PCB-Footprints müssen alle erforderlichen Informationen enthalten, bevor sie im Design platziert werden können; sie müssen alle relevanten Informationen definiert haben

Bevor man sich zu tief in die Komponentenplatzierung vertieft, ist es wichtig, Komponenten grob zu platzieren, oft in verwandten Gruppen, um eine Vorstellung davon zu bekommen, wo sie sich befinden werden und ob sie alle auf die Platine passen. Es ist wichtig zu berücksichtigen, wie verschiedene Komponenten kommunizieren und mit welcher Geschwindigkeit Signale aufrechterhalten werden müssen. Eine grobe Platzierungsübung kann auch dabei helfen, zu bestimmen, wie viele Ebenen benötigt werden, um einen Stackup zu erhalten. Als Nächstes kommt das kritische Routing, d. h. Leiterbahnen mit sehr engen Einschränkungen, die der PCB-Designer später nicht mehr verschieben wird. Sobald die kritischen Routen gesperrt sind, erfolgt eine allgemeinere Platzierung. Die endgültige Platzierung muss gründlich überprüft werden, da Änderungen der Platzierung nach Beginn des Routings dazu führen können, dass die Arbeit aufgerissen und wiederholt werden muss.

• Routing

Routing verbindet die Komponenten mit Leiterbahnen, wie im Schaltplan angegeben. Für komplexe Designs mit vielen Einschränkungen und Anforderungen ermöglichen einige Software-Tools dem Designer, eine Reihe von Designregeln einzugeben. Wenn eine Regel verletzt wird, wird dies während einer Designregelprüfung gekennzeichnet. Dann wird eine Netzliste, eine textbasierte Datei, aus dem Schaltplan generiert. Die Netzliste enthält Informationen wie Referenzbezeichnungen und Pinnummern. Sie zeigt auch, welche Komponenten mit anderen Komponenten verbunden werden müssen.

Der erste Schritt des Routings ist das Verlegen der kritischen Routen. Dies sind Routen, bei denen Signale mit einer bestimmten Geschwindigkeit reisen müssen, die Verbindung innerhalb einer vorgegebenen Zeit herstellen oder differentielle Paare bilden müssen. Diese werden nach Abschluss gesperrt. Kritische Routen werden zuerst fertiggestellt, wobei die Größe und Länge der Leiterbahn entscheidend sind. Die restlichen Routen werden dann verlegt, normalerweise in der Reihenfolge der Schwierigkeit oder Komplexität. Diese Leiterbahnen bewegen sich oft durch verschiedene Arten von Vias auf und ab durch die Ebenen. Der PCB-Designer muss eine abschließende detaillierte Überprüfung durchführen, und alle DRC-Verletzungen werden entweder behoben oder gelöscht.

• Fertigungsausgaben

Sobald der PCB-Designprozess abgeschlossen und genehmigt ist, werden die Daten für die Fertigung generiert. Die Gerber-Dateien sind Bilder, die verwendet werden, um die verschiedenen Ebenen anzuzeigen und mit einem Fotoplotter für die Herstellung verwendet werden. Andere Dateien, die für die Herstellung benötigt werden, sind Siebdruck, Lötstoppmaske sowie NC-Bohrungen und -Routing.

Für die Bestückung wird ein ganzes Set an Dateien verwendet, um die verschiedenen an dem Prozess beteiligten Maschinen zu programmieren. Dazu gehören eine Stückliste (BOM), damit die Komponenten beschafft und gekauft werden können, eine Pick-and-Place-Datei, mit der die Pick-and-Place-Maschine programmiert wird, und die Netzliste für Funktionstests und Inspektionen.