Die 5 besten Tipps für digitales Leiterplattendesign

Die digitale Leiterplattentechnologie hat im Bereich der Elektronik einen langen Weg zurückgelegt, da Innovationen und Entwicklungen die Anforderungen an schnellere, kleinere und billigere Elektronikgeräte und ‑gadgets erfüllen. Digitale Leiterplatten bestehen aus mehreren Mikroprozessoren und anderen elektronischen Schaltkreisen, die in der Lage sind, Tausende von Vorgängen pro Sekunde zu verwalten. Im Vergleich zu analogen Leiterplatten bieten digitale Leiterplatten eine Reihe von Verbesserungen, die wichtigsten sind eine bessere Impedanzanpassung und eine verbesserte Einfügedämpfung von Übertragungsleitungen. 

Quelle: ak.picdn.net

Es ist sehr wichtig, dass digitale Leiterplatten sorgfältig entworfen und konstruiert werden, um Probleme wie Impedanzabstände in Übertragungsleitungen, eine unsachgemäße Beschichtung der Durchgangsbohrungsverschaltungen und andere Probleme im Zusammenhang mit der Signalintegrität zu beseitigen. Digitale Leiterplatten haben eine Reihe von Funktionen, die ihnen während des Funktionierens eines elektronischen Schaltkreises eine Oberhand geben. Einige dieser Funktionen sind:

• hohe Lagenanzahl
• enge Maßtoleranzen 
• Eliminierung der Stiche
• hohe Packungsdichte
• komplexe Stapelstrukturen und vieles mehr

Unterschied zwischen analogen und digitalen Leiterplatten

Es gibt verschiedene Ähnlichkeiten und Unterschiede beim analogen und digitalen Routing in Leiterplatten in Bezug auf Bypass-Kondensatoren, Netzteil, Massedesign, Spannungsfehler, elektromagnetische Störungen (EMI) usw., die durch Leiterplattenrouting verursacht werden.  

Abb. 1: Analoge und digitale Signale

Quelle: Proto-Electronics 

Analoge Schaltkreise bestehen aus einer Kombination von Operationsverstärkungen, Widerständen, Kondensatoren und anderen elektronischen Komponenten, die auf einer Leiterplatte verwendet werden. Diese Kombinationen aus verschiedenen Komponenten, die eine analoge Schaltung bilden, können auf unterschiedliche Weise variieren. Die beiden wichtigsten Anwendungen von analogen Schaltkreisen sind:

1. Filtern von Signalen: Bei einem kontinuierlichen Signal ist ein kontinuierlicher Analogfilter erforderlich, um alle nicht benötigten Frequenzen aus dem Schaltkreis zu entfernen. Im Vergleich zu einem digitalen Filter sind analoge Filteranwendungen viel einfacher und kostengünstiger.

2. Sensoren: Die Umwandlung anpassungsfähiger Daten aus der Praxis in Informationen, die durch ein eingebettetes System oder einen Computer erkennbar sind, erfolgt mithilfe von Sensoren. Wenn keine Daten verfügbar sind, erzeugen Sensoren ein analoges Signal und wandeln es in digitale Signale um. Diese Systeme haben eine geringe Amplitude und benötigen Signalkonditionierung, um die Signalqualität zu erhöhen, um im Gegensatz zu Hochspannungssystemen den gesamten ADC-Bereich besser nutzen zu können.

Andererseits bestehen digitale Schaltkreise aus einer Kombination von logischen und sequenziellen Komponenten, indem logische Gates verwendet werden, die mit digitalen Signalen funktionieren. Im Vergleich zu analogen Schaltkreisen funktionieren Signale aufgrund der Logik von 0 und 1, um Daten in digitaler Form auf einem einzigen IC darzustellen.

Kriterien für die Auswahl von Leiterplattenmaterialien für digitale Schaltungen

Es gibt bestimmte Faktoren, die bei der Auswahl von Materialien für digitale Leiterplatten berücksichtigt werden sollten. Einige davon umfassen 

1. Stabilität der Maßtoleranz: Die digitalen Must-Have-Leiterplattenmaterialien, die eine einwandfreie mechanische Stabilität bieten, während sie unterschiedliche Temperaturstabilität, Vibrationen, Stöße und elektrische Überspannungen durchmachen.

2. Überlegenes Wärmemanagement: Die Materialien müssen über die Fähigkeit verfügen, eine hervorragende Wärmeübertragung und Wärmeableitung zu ermöglichen, und sie müssen sicherstellen, dass die Schichten nicht bei höheren Frequenzen zerfallen, delaminieren und abschälen.

3. Verbesserte Signalleistung: Während des Betriebs eines Schaltkreises sollte die Signalleistung auf der gesamten Leiterplatte konstant sein, wobei selbst bei Frequenzschwankungen minimale Signalverluste auftreten sollten. Designer müssen sicherstellen, dass die ausgewählten Materialien einen niedrigen dielektrischen Verlustfaktor (D_f) haben, um sicherzustellen, dass keine Verluste entstehen.

4. Enge Impedanzsteuerung: Digitale Leiterplatten erfordern eine strenge Kontrolle der Impedanzführung, da sie während des Hochgeschwindigkeitsbetriebs eine stabile Dielektrizitätskonstante (Dₖ) beibehalten müssen.

5. Feuchtigkeits- und Chemikalienbeständigkeit: Materialien mit einer geringen Absorptionsrate von Feuchtigkeit und Chemikalien müssen ausgewählt werden, damit die gewünschte elektrische Leistung der Leiterplatte minimal variiert.

Digitale Leiterplattenmaterialien

Das Fundament oder der Sockel einer Leiterplattenantenne besteht aus einem Substrat und einem Laminat, das auch die Leistung der Leiterplatte bestimmt. Qualitäten wie Funktion, Langlebigkeit und Kosteneffizienz sollten beim Design einer Leiterplatte als Priorität beibehalten werden, daher ist die Auswahl des richtigen Typs von Leiterplattenmaterial entscheidend. Das Material, das beim Design einer Leiterplatte berücksichtigt wird, kann sich kurz- oder langfristig auf die Leistung auswirken. Die Preisgestaltung eines Leiterplattenmaterials verhält sich direkt proportional zur Leistung der Leiterplatte. Wenn die hohe Leistung eine Leiterplatte nicht zwingend erforderlich ist, kann ein Material namens leichtes Polyester in Betracht gezogen werden, da es mit niedrigen Kosten und guter Vielseitigkeit einhergeht.

Bei der Auswahl der Materialien ist die Temperatur ein zu berücksichtigender Parameter. Der Wärmewiderstand sollte höher sein als die erzeugte Wärme, da ein Schaltkreis aufgrund überschüssiger Wärme ausfallen kann. Tg (Glasübergangstemperatur) ist, wenn die Leiterplatte ihre Steifigkeit und Leistungsfähigkeit verliert. Die Tg sollte dem verwendeten Bestückungsprozess entsprechen, da für die bleifreie Bestückung ein Tg mit mindestens 170 °C empfohlen wird. Für eine Hochleistungsleiterplatte sollte die Tg über 170 °C liegen, während eine Standardleiterplatte eine Tg von 130 °C hat. Der Vorteil einer hohen Tg besteht darin, dass es eine große Fähigkeit gibt, Chemikalien und Feuchtigkeit zu widerstehen.

Die in der Regel in Leiterplattensubstraten verwendeten Materialien reichen von FR-1 und G-10 bis zu PTFE. Laminate werden aus CTE, PTFE, CEM und verschiedenen anderen Verbindungen formuliert.

• FR-4: FR steht für „flammhemmend“ und ist in Standardplatinen weit verbreitet. Es wird mit zwei Tg-Punkten geliefert; der erste mit 135 °C und der zweite mit 150 – 210 °C, was für Anwendungen mit hoher Dichte gilt.

• G‑10: Es handelt sich um ein Hochdruckglasfaserlaminat. G‑10 und FR-4 werden als Isolator für elektrische und elektronische Anwendungen eingesetzt.

• PFTE (Polytetrafluoroethylen): PFTE kann eine gute Wahl für Hochfrequenz-, Mikrowellen- und Hochleistungsplatinen sein, da es mit einer Tg von 160 °C und 280 °C geliefert wird.

• CEM-1, CEM-2 und CEM-3: Sie funktionieren gut in Anwendungen mit hoher Dichte. Die Tg, die von CEM-1, CEM-2 und CEM-3 angeboten wird, liegt bei 122 °C, 125 °C und 125 °C. 

• Polyimid – Als Substrat bietet es eine Tg von 250 °C oder mehr für Hochleistungsschaltkreise. Für flexible Schaltkreise sollten Polyimidsubstrate bevorzugt werden, da FR-4-Substrate starr sind. Polyamidsubstrate sind etwas teurer als FR-4-Substrate, bieten aber eine hohe Temperaturbeständigkeit.

 Regeln für die Gestaltung digitaler Leiterplatten

Die meisten Leiterplattendesignsystem können Regeln zwischen dem Schaltplan und dem Layout übertragen. Es ermöglicht dem Schaltplan, Konstruktionsregeln zu steuern, anstatt darauf zu warten, alle Einschränkungen auf der Layoutseite einzugeben, was für Designer ein großer Vorteil darstellt. Diese Organisationsebene bietet Designern die Möglichkeit, Regeln für die Platzierung bestimmter Netze und Komponenten zu bilden, die für die Schaltungsgestaltung unerlässlich sind. Netz oder Netzklasse ermöglicht es, ähnliche Netze zu gruppieren und ihnen eine Regelsammlung zuzuweisen. Da die Netzregeln bereits in der Designdatenbank vorhanden sind, braucht sich der Designer nicht auf schriftliche Anweisungen zu verlassen. Um sicherzustellen, dass die Leiterplatte präzise ausgelegt ist, müssen folgende Regeln befolgt werden:

1. Standardwerte – Das Designwerkzeug in der Software startet mit Standardwerten, die normalerweise aufgrund der Reste früherer Designs oder Systemstandards entstehen. Der Designer sollte diese Werte bestätigen, bevor er damit beginnt, um sicherzustellen, dass sie nicht mit falschen Leiterbahnbreiten oder die Komponenten zu nah aneinander bestückt werden. Um solche Probleme zu vermeiden, können diese Standardwerte über die Einstellungen zurückgesetzt werden. Außerdem sollte sichergestellt werden, dass der Abstand für Standardwerte gemäß dem erforderlichen Schaltplan des Schaltkreises eingestellt wird, um Unannehmlichkeiten durch vorherige Einstellungen zu vermeiden.

2. Klassen – Obwohl die meisten Regeln für einzelne Netze oder Komponenten konfiguriert werden können, kann dieser Prozess zeitaufwendig sein, wenn Hunderte von Objekten zum Arbeiten vorhanden sind, die eindeutige Regeln und Einschränkungen erfordern. Einige dieser Designtools bieten ein System zur Installation von Klassen von Netzen und Komponenten, um die Konfiguration von Regeln und Einschränkungen zu vereinfachen. 

Abb. 2: Installieren von Klassen

Quelle: Circuitstudio

So können beispielsweise die eindeutigen Leiterbahnbreiten und die Abstandsanforderungen für einen bestimmten Wert von Netzen konfiguriert werden. Ein Designer kann einen Satz Regeln für eine Energieklasse erstellen und diesen zu Netzen hinzufügen.

3. Hochgeschwindigkeitsdesignregeln: Bei der Entwicklung digitaler Hochgeschwindigkeitsschaltkreise können spezifische Leiterbahnlängen sowie ein Längenabgleich für nahe gelegene Verbindungsbahnen eingerichtet werden, was zur Verbesserung der Stabilität von Datenleitungen beiträgt. Um die Leiterbahnen bei festgelegten Unterschieden zusammenzuführen, können Differenzialpaare in Abständen eingerichtet werden, indem eindeutige Leiterbahntopologien für spezifische Netzeigenschaften erstellt werden. Für impedanzgesteuertes Routing können die Leiterbahnbreiten automatisch eingestellt und Durchkontaktierungsgrößen Netzklassen zugewiesen werden.

Abb. 3: Leiterbahndesign

Quelle: Pcbdesignworld

4. Auswahl des richtigen Leiterplattenabstands Die Auswahl des richtigen Abstands zwischen den im Schaltkreis verwendet Komponenten und dem Abstand zwischen den Leiterplattenleitungen trägt zur Verbesserung der gewünschten elektrischen Leistung bei und spart zudem Kosten und Nacharbeiten. Ein ideales Durchkontaktierungsseitenverhältnis von 6:1 gewährleistet die Fertigung der Platte wo immer nötig, was zu einem störungsfreien Bohren führt. 

Abb. 4: Leiterplattenabstand 

Quelle: Optimumdesign

Außerdem müssen während des Designprozesses Komponenten und Schaltpläne in jeder CAD-Software korrekt dargestellt werden, sodass Designer vor der Massenproduktion genaue Simulationen anzeigen können.

5. Schutz vor elektrostatischer Entladung: Digitale Leiterplatten sind sehr anfällig für elektrostatische Entladungen, die aufgrund von Ausfällen auftreten können, die während des Betriebs von Festkörperkomponenten wie integrierten Schaltkreisen (ICs), Batterien usw. verursacht werden. Wenn sie nicht ernst genommen werden, können Schaltkreise versagen oder sogar explodieren. Leiterplattendesigner müssen ESD-Schutzvorrichtungen wie Metalloxidvaristoren, Suppressordioden, polymerbasierte Suppressoren usw. verwenden, um Probleme durch elektrostatische Entladungen zu vermeiden.

Fazit

Beim Entwerfen digitaler Leiterplatten muss während des gesamten Designprozesses mit größter Sorgfalt vorgegangen werden, um sicherzustellen, dass sowohl der Schaltkreis als auch die Leiterplatte so funktionieren, dass das System sein maximales Potenzial ausschöpfen kann. Es gibt verschiedene Faktoren, die bei der Auswahl des richtigen Materials für die digitale Leiterplatte zu berücksichtigen sind. Die Materialien müssen eine Dimensionsstabilität, eine hohe Temperaturregelung, eine Feuchtigkeits- und Chemikalienbeständigkeit usw. aufweisen, damit das Signal reibungslos und ohne Unterbrechungen durch die Leiterplatte geleitet wird. FR-4 ist aufgrund seiner hohen Durchschlagsfestigkeit und überlegenen Signalintegrität eines der am besten geeigneten Materialien für die Entwicklung digitaler Leiterplatten.

Vor der Serienproduktion ist es für Designer wichtig, die elektronischen Komponenten und ihre Funktionsweise auf der Leiterplatte zu simulieren, um die entsprechenden Ausgänge zu erhalten. Bei digitalen Hochgeschwindigkeitsschaltkreisen ist die Entwicklung von Leiterbahnlängen von entscheidender Bedeutung, da sie die Signalstabilität für eine bessere Übertragung von Signalen verbessert. Der Abstand der Komponenten muss in der richtigen Weise erfolgen, indem die richtige Nähe eingehalten wird, um Signalstörungen zu vermeiden. Für eine effiziente Fertigung und Bohrung auf der Platine kann ein Durchkontaktierungsseitenverhältnis von 6:1 genommen werden, was bei den elektrischen Leitungen und beim Löten zur Flexibilität beiträgt. Die bestmögliche Praxis zur Vermeidung elektrostatischer Entladungen und ihrer Auswirkungen auf Leiterplatten besteht darin, verschiedene Schutzvorrichtungen wie Metalloxidvaristoren, Suppressordioden, polymerbasierte Suppressoren usw. zu verwenden.

22.06.2022