PCB-Design für Anfänger: Eine Schritt-für-Schritt-Anleitung zum Aufbau Ihrer ersten Platine

Das erste Board, das ein Anfänger verschickt, kommt normalerweise mit einem von drei Problemen zurück: ein Steckerabdruck, der einen halben Millimeter von den Pads entfernt ist, ein Stromleiter, der unter Last warm wird, oder ein Gerber-Paket, über das Ihnen der Hersteller eine E-Mail schicken muss, bevor die Arbeit überhaupt beginnen kann. Keiner davon sind Schaltungsfehler. Dabei handelt es sich um Layout- und Übergabeentscheidungen, die getroffen werden, nachdem der Schaltplan bereits auf dem Bildschirm bearbeitet wurde.

Für einen ersten Entwurf ist der zuverlässige Weg schmal. Halten Sie die Platine einseitig oder zweilagig, platzieren Sie alle Anschlüsse und Montagelöcher, bevor Sie eine einzelne Leiterbahn verlegen, bestimmen Sie die Größe der Stromleiterbahnen anhand einer aktuellen Tabelle statt nach Augenmaß und schließen Sie mit einer Designregelprüfung ab, die mit dem übereinstimmt, was Ihr Hersteller tatsächlich produzieren kann. In den folgenden Abschnitten wird erklärt, warum jeder dieser Schritte existiert und was es kostet, wenn Sie ihn überspringen.

Beginnen Sie mit einem Schaltplan und Fußabdrücken, die Sie überprüfen können

Der Schaltplan ist kein Papierkram, den Sie erledigen, bevor die „eigentliche“ Entwurfsarbeit beginnt. Es ist die Netzliste, die das Layout, die Stückliste und die Montagezeichnung bestimmt, und jede darin verbliebene Abweichung wird zu einer Kupferspur, die Sie später abschneiden müssen.

Verbringen Sie die zusätzliche Stunde in der Bibliothek statt im Layout. Offene Depots und Händlerstandorte sind voller Footprints, die von anderen Benutzern gezeichnet wurden, und ein um 0,2 mm zu schmales Pad sieht auf dem Bildschirm immer noch überzeugend aus, während Handlöten nahezu unmöglich ist.

• Kopieren Sie das empfohlene Anschlussflächenmuster aus dem Komponentendatenblatt, anstatt Ihr eigenes zu zeichnen.
• Bestätigen Sie die Ausrichtung von Pin 1 und prüfen Sie, ob das Teil gespiegelt ist, wenn es auf der Unterseite sitzt.
• Stellen Sie sicher, dass die Grundfläche eines Innenhofs seine Nachbarn nicht überlappt.
• Passen Sie die Pad-Anzahl des Footprints an das Symbol an, bevor Sie beide in das Layout importieren.

Wenn Sie noch dabei sind, ein mentales Modell des gesamten Ablaufs zu erstellen, lohnt es sich, einen Überblick über die Grundlagen des PCB-Designs, Stapeloptionen und Tipps zur Fehlerbehebung zu lesen, bevor Sie sich ein Wochenende lang mit einem Layout-Tool beschäftigen.

Eine einseitige oder zweischichtige Platte reicht in der Regel aus

Bei einem ersten Projekt tragen fast immer eine oder zwei Schichten den Schaltkreis, und die einfachere Platine ist kostengünstiger herzustellen, schneller zu erhalten und viel einfacher nachzuarbeiten, wenn etwas schief geht.

Bei einer einseitigen Platine werden alle Leiterbahnen auf das untere Kupfer und alle Teile auf das obere Kupfer gelegt. Sie müssen sich keine Sorgen um plattierte Durchkontaktierungen machen, und wenn eine Leiterbahn eine andere kreuzen muss, lösen Sie das Problem mit einer Drahtverbindung statt mit einem Neudesign. Aus diesem Grund bleiben so viele erste Projekte – Timer, Sensor-Breakouts, Einzeltransistor-Treiber – einseitig.

Die Oberflächenbeschaffenheit ist wichtiger als Anfänger erwarten. OSP, das organische Konservierungsmittel für die Lötbarkeit, hinterlässt flaches Kupfer, das sich gut löten lässt, eine angemessene Haltbarkeitsdauer hat und weniger kostet als eine Vergoldung. Eine einseitige OSP-Platine ist eine sinnvolle erste Wahl, da darauf nur sehr wenig Material vorhanden ist, das ein ungeschickter Lötkolben beschädigen könnte.

Einseitige OSP-Leiterplatte Einseitige OSP-Leiterplatten nutzen eine Oberflächenbehandlung mit organischem Lötfilm (OSP), die umweltfreundlich und ungiftig ist. Sie bieten sehr flache Pads, die ... Produkt anzeigen →

Zwei Schichten ergeben eine durchgehende Masseebene auf einer Seite, was die größte Verbesserung bei Rauschen und Signalqualität darstellt, die für sehr wenig Geld erhältlich ist. Wenn Ihr Design einen Schaltregler, einen SPI-Bus oder einen Quarz umfasst, beginnen Sie mit zwei Schichten.

Wechseln Sie zu vier Ebenen, wenn Routing oder Lärm es erfordern

Vier Schichten sind kein Luxus mehr, wenn die Signaldichte oder die Taktrate steigen. Die standardmäßige, einsteigerfreundliche Anordnung ist Signal, Masse, Strom, Signal: Jede Leiterbahn erhält eine kontinuierliche Referenzebene direkt darunter, wodurch ein Großteil des Rätselratens über den Rückweg, das bei zweischichtigen Layouts auftritt, entfällt.

Der Schritt von zwei auf vier Schichten ist real, aber normalerweise kleiner als befürchtet, und man erhält dadurch ein leiseres Board mit weitaus kürzerer Layoutzeit. Ein standardmäßiger Vierschichtaufbau mit grüner Lötstoppmaske und einem OSP-Finish ist der Ausgangspunkt für viele erste ernsthafte Designs.

4 Schichten grüne OSP-Leiterplatte Vierschichtig double-sided green OSP boards, using high-Tg FR-4 substrate and environmentally friendly OSP (organic soldering flux) surface treatment process, the green s... Produkt anzeigen →

Platzieren Sie Komponenten, bevor Sie etwas verlegen

Die Platzierung entscheidet über den größten Teil Ihrer Routing-Schwierigkeit. Anfänger platzieren oft Teile grob, beginnen mit dem Verlegen und stellen erst dann fest, dass sich ein Stecker bewegen muss.

1. Platzieren Sie zuerst Anschlüsse, Schalter, LEDs und Montagelöcher, da das Gehäuse entscheidet, wo sie platziert werden.
2. Als nächstes fügen Sie Teile mit mechanischen Einschränkungen hinzu: Kristalle, Antennen, Kühlkörper, alles mit einem Sperrbereich.
3. Platzieren Sie jeden Entkopplungskondensator so nah wie möglich an dem Stromanschluss, den er versorgt, auf derselben Seite, sofern Platz vorhanden ist.
4. Ordnen Sie die übrigen Komponenten so an, dass die Verbindungen zwischen ihnen kurz bleiben, und beginnen Sie dann mit der Verlegung.

Halten Sie Kupfer mindestens 0,3 mm vom Platinenumriss entfernt, sofern der Hersteller nichts anderes angibt, und denken Sie daran, dass V-förmige oder gefräste Kanten nach dem Zusammenbau Material entfernen. Vergraben Sie einen Testpunkt nicht unter einem hohen Teil und lassen Sie rund um alles, was Sie messen müssen, Platz zum Prüfen – Sie werden es messen.

Die Größe ergibt sich aus der Strömung, nicht aus der Gewohnheit

Die Leiterbahnbreite ist vor allem eine thermische Entscheidung. Eine Leiterbahn, die für den Strom zu schmal ist, erwärmt sich, und dieser Temperaturanstieg – nicht der Strom allein – ist es, der letztendlich das Laminat oder eine Lötstelle beschädigt.

IPC-2221-Kurven stecken hinter fast jedem Online-Rechner für die Leiterbahnbreite, und das Muster ist einfach: Die Breite wächst schneller als die aktuelle. Der Übergang von 1 A auf 2 A bei gleicher Kupferdicke multipliziert die erforderliche Breite etwa um das 2,6-fache und nicht um das Zweifache. Leiterbahnen auf der Innenschicht werden außerdem heißer, da Laminat Wärme speichert. Daher benötigt eine Innenbahn etwa das 2,6-fache der Breite ihres Äquivalents auf der Außenschicht.

Behandeln Sie diese Zahlen nur als Mindestwerte für die Temperatur. Spannungsabfall, kontrollierte Impedanz und Sicherungsstrom führen zu höheren Breiten.

Wenn ein Design wirklich aktuell ist, werden Kupfergewicht und Oberflächenbeschaffenheit eher zu Layoutentscheidungen als zu Kaufdetails. Zwei Unzen Kupfer halbieren etwa jede Breite in der Tabelle, und eine bleifreie Lötoberfläche, wie sie beispielsweise auf einer doppelseitigen bleifreien Platine für die Leistungs- und Automobilelektronik verwendet wird, ist eine frühzeitige Festlegung wert, da sie sowohl den Prozess als auch die Oberfläche, auf die gelötet wird, verändert.

Doppelseitige, grüne, bleifreie, gelötete Leiterplatte für die Leistungs- und Automobilelektronik Doppelseitig grün bleifrei verzinnte Platte. Die dicke Metallbarriere, die durch die Zinnbeschichtung gebildet wird, weist eine hervorragende Wärmeableitungsleistung auf und ist in der Lage, mit großer Hitze umzugehen. Produkt anzeigen →

Auch die Geometrie ist wichtig. Verlegen Sie die Leitungen im 45-Grad-Winkel statt im 90-Grad-Winkel, halten Sie Hochstromschleifen physisch klein und führen Sie Signalleiterbahnen über ununterbrochenen Boden, wo immer der Aufbau dies zulässt.

Führen Sie DRC gegen die tatsächlichen Grenzen des Herstellers durch

Die Überprüfung von Designregeln ist keine Formalität, die für den Schluss aufgehoben wird. Legen Sie Ihre Regeln anhand der veröffentlichten Möglichkeiten des Herstellers fest, bevor Sie beginnen, und führen Sie dann die Prüfung nach der Platzierung und erneut nach dem Routing durch.

Multilayer-Fabriken können Linienbreiten und -abstände von 3/3 mil aufnehmen – eine 6-lagige vergoldete Platine mit dieser Geometrie ist für viele von ihnen Routineproduktion –, aber das Entwerfen mit 6/6 mil kostet eine langsame erste Platine nichts an Leistung und lässt Spielraum gegen Ätzschwankungen und günstigere Angebote.

Löschen Sie vor dem Exportieren die folgenden Prüfungen:

• Nicht verbundene Netze und Netze mit einem Pad, was normalerweise bedeutet, dass ein Schaltplansymbol nie verdrahtet wurde.
• Abstandsverletzungen zwischen Leiterbahnen, Pads und Kupfergüssen.
• Über freiliegende Pads wird ein Siebdruck gedruckt, der die Lötpaste beeinträchtigt.
• Ringringe und Bohrergrößen liegen unter den Mindestgrößen des Herstellers.
• Überlappende oder doppelte Pads, die oft zurückbleiben, wenn ein Footprint bearbeitet wird.

Exportieren Sie dann Gerbers im RS-274X-Format, eine Datei pro Schicht, plus eine NC-Bohrdatei in passenden Einheiten und eine kurze Textnotiz mit der Anzahl der Schichten, der Platinendicke, dem Kupfergewicht, der Oberflächenbeschaffenheit und etwaigen Impedanzanforderungen. Jede Frage, die ein Hersteller Ihnen stellen muss, verlängert das Angebot um einen Tag.

Was gesendet werden soll und was zurückkommt

Sobald die Dateien korrekt sind, erfolgt die Produktion schnell. Standardvorlaufzeiten für ein einfaches Board sehen wie folgt aus:

• Einseitige und doppelseitige Großserien: 6 bis 7 Tage
• 4 bis 8 Schichten: 9 bis 20 Tage
• 10 bis 16 Schichten: 20 bis 25 Tage
• 16 bis 32 Schichten: 25 bis 45 Tage
• HDI-Boards: innerhalb von 25 Tagen
• Doppelseitige Prototypen: in nur 24 Stunden

Der Preis hängt von der Größe, der Anzahl der Schichten, dem Kupfergewicht, der Verarbeitung, der Menge und davon ab, wie stark Sie die Toleranz überschreiten. Zertifizierungen zeigen, welche Märkte eine Fabrik bedienen kann: ISO 9001, ISO 14001 und ISO 45001 decken das allgemeine Qualitäts-, Umwelt- und Sicherheitsmanagement ab, während IATF 16949 wichtig ist, wenn das Board in einem Fahrzeug landet, und UL wichtig ist, wenn das fertige Produkt in Nordamerika verkauft wird. Wenn Sie die Serviceseite eines potenziellen Lieferanten lesen, bevor Sie die Gerbers sperren, erfahren Sie, welche Toleranzen und Endbearbeitungen sie jeden Tag durchlaufen, was nützlicher ist als die in einer Leistungstabelle angegebenen Mindestwerte.

Wenn Sie eine Sequenz aus diesem Artikel herausnehmen, machen Sie daraus diese:

1. Zeichnen Sie den Schaltplan und überprüfen Sie jeden Footprint anhand eines Datenblatts.
2. Wählen Sie die niedrigste Schichtanzahl, die Ihre Signale überträgt, und fügen Sie eine Masseebene hinzu, sobald Sie zu zwei Schichten wechseln.
3. Platzieren Sie Steckverbinder, Befestigungslöcher und Entkopplungskondensatoren, bevor Sie etwas verlegen.
4. Bemessen Sie Leistungsspuren anhand einer Stromtabelle und halten Sie Stromschleifen kurz.
5. Führen Sie DRC aus, exportieren Sie RS-274X-Gerbers mit einer NC-Bohrdatei und senden Sie das Paket mit einer schriftlichen Stapelnotiz.

Dann bestellen Sie eine kleine Prototypenmenge, fahren Sie langsam hoch und schreiben Sie auf, was Sie ändern würden. Die zweite Platine ist immer besser als die erste, und der schnellste Weg, das PCB-Design zu erlernen, besteht darin, eine fertigzustellen.