Wie ein gutes Leiterplattendesign entsteht

Das Leiterplattendesign ist ein grundlegender Teil der Elektronik- und Geräteentwicklung. Der Leiterplattendesigner setzt die logischen Schaltungen des Schaltplans in einen physikalischen Schaltungsträger um, die Leiterplatte. Dabei konstruiert er vorgegebene Eigenschaften wie Stör- und Spannungsfestigkeit, Entwärmung oder spezifische Zuverlässigkeitsanforderungen in das Design ein. Damit das gewünschte Ergebnis anschließend produziert werden kann, muss der Designer sämtliche Fertigungskriterien der Leiterplatten- und Baugruppenherstellung parallel berücksichtigen.

Ein optimales Leiterplattendesign entsteht nur, wenn der Designer systematisch nach einem festgelegten Entwurfsprozess arbeitet, der vom FED auch als „Produktkreationsprozess“ bezeichnet wird. Dabei ist der Designer die Schnittstelle oder Kommunikationszentrale zwischen den verschiedenen Abteilungen wie Elektronik – Mechanik – Fertigung – Test – Qualitätssicherung – Normstelle und Einkauf.

Durch das Design ergeben sich auch weitreichende wirtschaftliche Konsequenzen. Klare Kostenkalkulationen spielen schon in der Entwicklungsphase der Produkte eine Rolle. So kann die einfache Änderung in der Materialwahl oder der Konstruktion Kosten sparen oder explodieren lassen, die Attraktivität eines Produkts steigern oder minimieren.

In der Geräteentwicklung hat das Leiterplattendesign also einen großen Einfluss auf die Funktion – Produzierbarkeit – Qualität – Kosten des gesamten elektronischen Gerätes.

Wie entsteht nun ein gutes Leiterplattendesign?

Ein gutes Layout ist das Ergebnis solider Ingenieursarbeit. Systematisch müssen festgelegte Routinen abgearbeitet werden. Während des gesamten Designprozesses ist immer wieder abzuwägen und mit Erfahrung und Sachverstand zu entscheiden, welche Funktion höhere Priorität hat. Ob Schaltung, Produktion, Test, Optik oder Kosten, an vielen Stellen im Design muss der jeweils „beste Kompromiss“ zwischen den Möglichkeiten erarbeitet und entschieden werden. Dazu benötigt der Designer viel Erfahrung und muss sich im Grenzfall mit den entsprechenden Fachbereichen abstimmen.

Im Designprozess sind viele Parameter zu berücksichtigen und zu vereinbaren. Beispiele sind:

• mechanische Gegebenheiten
• Einsatzumgebung
• Qualitätsanforderungen und -richtlinien, Designrichtlinien
• EMV-Anforderungen
• Bauteiletechnologie und Konfiguration
• Leiterplattenmaterial
• Fertigungstechnologie, Testtechnologien
• Löt- und Bestückungstechnologie, Reparaturmöglichkeiten
• Kosten- und Zeitfaktoren
• Entwärmungskonzepte
• Entsorgung und Umweltschutz
• und nicht zuletzt auch Funktionsweise und -umfang

Die 10 wichtigen Schritte im Entwurfsprozess sind:

1. Der Designer muss alle relevanten Informationen zusammentragen.
2. Die Bauteilebibliothek muss fertigungsgerecht entworfen und geprüft sein.
3. Entwicklung der Entwurfsstrategie, die sich aus Bauteilen und elektrischen Vorgaben ergibt (Finepitchbauteile, Impedanzen, Fremdspannungsabstände usw.)
4. Regeldefinition (Constraining) der elektrischen und mechanischen Vorgaben
5. Bauteileplatzierung – elektrische und mechanische und Fertigungskriterien
6. Routing Spannungsversorgung und kritische Signale
7. Routing restlicher Signale
8. Überprüfung aller Vorgaben nach Checkliste (Abstände, Maße, Sperrflächen, Bauräume, Footprints, EMV, Versorgung, dfm-LP, dfm-Bestückung usw.)
9. Generierung der Fertigungsdaten für Leiterplatte und Baugruppe
10. Erstellung der Leiterplatten- und Baugruppendokumentation

Bei Baugruppen mit erweiterten Anforderungen, wie Leistungselektronik, hohe Signalraten oder hohe Packungsdichten, steigt der Designaufwand und die Einhaltung der Design- und Fertigungsregeln wird zum entscheidenden Faktor. Aber selbst bei einfachen Leiterplattendesigns kann ein schlechtes Design schwerwiegende Folgen haben, wenn z. B. durch ungünstig oder falsch definierte Bauteileanschlüsse Lötstellen nach einiger Zeit ausfallen. Bei hohen Sicherheitsanforderungen, großen Stückzahlen, und teuren Baugruppen spielt das Design eine noch maßgeblichere Rolle. Damit die Design- und Regelvorgaben optimal oder ohne Einschränkung umgesetzt werden, muss oft ein deutlich größerer Aufwand betrieben werden.

Normen und Standards

Für die unterschiedlichen Einsatzgebiete der elektronischen Baugruppe bestehen entsprechende Normen und Standards, die im Designprozess mit zu berücksichtigen sind. Viele technische Parameter wie Leiterbahn- und Isolationsabstände für unterschiedliche Spannungsbereiche sind je nach Branchennormen verschieden definiert.

Für den Bereich der Produktion haben der IPC und der FED drei Fertigungsklassen festgelegt. Zusätzlich sind die Fertigungsrestriktionen der Hersteller zu beachten. Leiterzugbreiten und Abstände oder Mindest-Restringe an den Durchkontaktierungsbohrungen (Vias) sind dafür nur zwei Beispiele. Bei komplexeren Leiterplatten wie Multilayer oder HDI-Schaltungen ist die Einhaltung solcher Vorgaben oft entscheidend für die sichere Produzierbarkeit bzw. für eine kostengünstige Produktion. Macht der Designer es sich zu einfach und reduziert alle Designparameter bis an die unterste Grenze oder darunter, schlägt sich das in der Produktionsausbeute nieder. Damit wird nicht nur der Preis negativ beeinflusst, sondern wohlmöglich auch die Zuverlässigkeit der Leiterplatte reduziert.

Automatische Funktionen des CAD-Systems wie Autorouter oder Autoplacer sind für ein fertigungs- und EMV-gerechtes Design nicht geeignet. Halbautomatische Funktionen hingegen helfen dem Designer, sein manuell geroutetes Ergebnis schneller abzuschließen.

Zusammenfassend gesagt:  Ein „gutes“ Leiterplattendesign entsteht durch den erfahrenen, qualifizierten Designer, der in solider Handarbeit nach einem definierten Entwicklungsprozess das Layout erstellt. Für komplexere Aufgaben und Sondertechnologien wird Spezialwissen benötigt und für große Serien muss ein höherer Aufwand betrieben werden, um so nah wie möglich an das Optimum zu gelangen.

Im Überblick: Leiterplattendesign – vom Plan zur Platzierung

Ansicht der Bauteile mit der leeren Leiterplatte in der Mitte, vor der Platzierung. Rechts ist das Ratsnest eingeblendet, also die dynamischen Verbindungen (Netze) als Gummibänder.

Zunächst werden festgelegte Bauteile wie Stecker, Befestigungsbohrungen und Sperrflächen platziert. Dann müssen die kritischen Bauteile wie FPGA und Speicher etc. angeordnet werden. Bereits jetzt sind die Fertigungs- und Testprozeduren zu bedenken, wie und in wie vielen Prozessschritten soll gelötet werden, ist Einpresstechnik zu berücksichtigen oder Selektivlöten usw. Beim Entscheidungsprozess sind unterschiedlichste Bedingungen gleichzeitig optimal aufeinander abzustimmen. Spätestens jetzt ist für die speziellen Bauteilbauformen wie µBGA oder QFN oder BTCs eine Designstrategie zu entwickeln, damit diese später reibungslos durch die Fertigung laufen.

Die beiden Bilder zeigen die Platzierung der Bauteile auf der Ober- und Unterseite der Leiterplatte. Unten im Bild sieht man das Ratsnest der ungerouteten Verbindungen. Die Verbindungen müssen in einer bestimmten Reihenfolge verlegt werden. So ist z.B. für ein sicheres EMV-Verhalten die optimal geroutete Spannungsversorgung ausschlaggebend. Besondere Designstrategien sind für empfindliche Signale, hohe Signalraten oder höhere Ströme und hohe Spannungen erforderlich. Schaltungsbereiche wie Speicherblöcke und Spannungsregler müssen kompakt platziert und zusammenhängend verdrahtet werden. Der Lagenaufbau, Leiterbreiten und die Materialauswahl sind Parameter für die Impedanzauslegung. Leiterbahn- und Lagenabstände in Kombination mit Coatings sind für Hochspannungsdesigns entscheidend. Zu berücksichtigen ist, dass bei wechselnden Einsatzgebieten oder Umgebungstemperaturen sich die physikalischen Eigenschaften von Leiter- und Isoliermaterialien ändern.

Die GED Kompetenzen und Services für PCB-Design:

1. CAD-Schaltplanerstellung nach DIN/IEC
2. CAD-Layoutentflechtung nach allen Normen und Standards
3. 3D-Design inkl. Kollisionsprüfung
4. Library Service, erstellen von Bauteilen nach IPC7351 oder Kundenvorgabe
5. 3D-Library mit Anbindung an STEP-Modelle
6. Mechanisches Design für Gehäuse, Kühlkörper usw.

Die Technologien:

• Hochstrom-Leiterplatten bis 1.000 A
• Hochspannungsdesign, auch Ex-Schutz usw.
• Highspeed-Design bis 20 GHz (Impedanzdesign)
• Chip on Board-, Multi Chip- und 3D-CSP-Design
• High-Density-Designs (HDI)
• 3D-Lösungen für Flex- und StarrflexLeiterplatten
• Thermal-Design, Entwärmungskonzepte
• MID-Design (Moulded Interconnection Design)

Die Beratung:

• Erstellung von Design- und Entwicklungsanleitungen
• Einführung neuer CAD-Systeme im Unternehmen
• Qualitäts- undFertigungsoptimierung
• Kostenanalysen und Serienoptimierung
• Konzeption für mobile, zuverlässige Elektronik
• Miniaturisierung
• EMV-Beratung und Optimierung

GED arbeitet mit den gängigsten CAD-Systemen wie Mentor, Cadence, Altium, Zuken und anderen.

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