Beim Leiterplattendesign kann das Routing in drei großen Ebenen betrachtet werden. Die erste Ebene ist die grundlegende Konnektivität. Dies ist die grundlegendste Anforderung beim Leiterplattendesign. Wenn die Netze nicht verbunden sind, hat die Leiterplatte keine grundlegende Funktion. Dann ist die Leiterplatte ein Schrott. Reden Sie nicht über andere Dinge.
Die zweite Ebene ist die Leistung. Das ist das Maß dafür, wie gut eine Leiterplatte ist. Nach dem Routing müssen wir uns überlegen, wie wir die beste Leistung erreichen können. Wir müssen verschiedene Arten von Störungen vermeiden. Außerdem müssen wir die Signale stabil und sauber halten.
Die dritte Ebene ist das Aussehen. Die Leiterbahnen mögen verbunden sein und die Platine mag eine gute elektrische Leistung aufweisen, aber das Layout kann trotzdem unordentlich aussehen. In diesem Fall sollten wir dafür sorgen, dass das Routing ordentlich aussieht. Ein sauberes Routing hilft bei späteren Tests und Reparaturen. Ein sauberes Routing zeigt auch die Fähigkeiten eines erfahrenen Ingenieurs.
Wie man gut routen kann
Routing-Methoden können sehr unterschiedlich sein. Um Probleme wie reflektierte Signale zu vermeiden, wenn Eingangs- und Ausgangsbahnen nahe beieinander und parallel verlaufen, und um parasitäre Kopplungen zu vermeiden, wenn Leiterbahnen auf zwei benachbarten Lagen parallel verlaufen, müssen wir viele Faktoren berücksichtigen. Wenn die Störungen stark genug sind, funktioniert die Leiterplatte möglicherweise überhaupt nicht. Nachfolgend finden Sie einige empfohlene Regeln für das Leiterplatten-Routing: die “Fünf-Fünf”-Regel (Lagenwahlregel)
Diese Regel hilft bei der Auswahl der Anzahl der Leiterplattenlagen. Wenn die Taktfrequenz 5 MHz erreicht oder die Impulsanstiegszeit weniger als 5 ns beträgt, sollte die Leiterplatte aus mehreren Lagen bestehen. Dies ist eine allgemeine Regel.
Manchmal wird aus Kostengründen immer noch eine zweilagige Leiterplatte gewählt. Wenn Sie zwei Lagen verwenden, versuchen Sie, eine volle Seite als solide Massefläche zu verwenden. Das verbessert die Leistung.
Gemischte digitale und analoge Grundregeln
Viele Leiterplatten enthalten heute sowohl digitale als auch analoge Schaltungen. Denken Sie bei der Verlegung an Interferenzen zwischen diesen Schaltungen, insbesondere an Rauschen auf der Masse. Digitale Schaltungen arbeiten mit hohen Frequenzen. Analoge Schaltungen sind oft empfindlich.
Halten Sie bei Signalen Hochfrequenz-Leiterbahnen fern von empfindlichen analogen Teilen. Für die Erdung hat die gesamte Leiterplatte einen Knotenpunkt mit der Außenwelt. Daher müssen Sie die digitale und analoge Erdung innerhalb der Leiterplatte sorgfältig behandeln.
Innerhalb der Leiterplatte sind die digitale Masse und die analoge Masse oft getrennt und nicht miteinander verbunden. Sie sind nur an dem Punkt verbunden, an dem die Leiterplatte mit der Außenwelt verbunden ist, z. B. an einem Stecker. Vergewissern Sie sich, dass die digitale Masse und die analoge Masse eine kurze Verbindung an einem einzigen Punkt haben. Bei manchen Systemen wird die Masse auf der Platine nicht geteilt. Beachten Sie die Entscheidung des Systemdesigns.
Handhabung von Bauteilanschlüssen in großen Kupferflächen
Große Masse- oder Stromversorgungsbereiche aus Kupfer treffen oft auf viele Bauteilanschlüsse. Bei der Handhabung von Bauteilanschlüssen müssen wir ein Gleichgewicht zwischen elektrischer Leistung und Montage herstellen.
Aus elektrischer Sicht sollte ein Pad für eine optimale Leistung vollständig mit Kupfer verbunden sein. Aber volle Kupferpads verursachen Probleme beim Löten. Zu den Problemen gehören:
Das Löten erfordert eine große Hitze des Lötkolbens.
Es ist leichter, kalte oder schwache Lötstellen zu bekommen.
Um die elektrischen Anforderungen und die Herstellung in Einklang zu bringen, sollten Sie thermische Entlastungspads herstellen. Eine gängige Form ist ein kreuzförmiges Pad. Dies wird als thermische Entlastung oder thermisches Pad bezeichnet. Es erleichtert das Löten, indem es das Pad thermisch von großen Kupferflächen isoliert. Thermische Pads verringern die Gefahr kalter Lötstellen. Behandeln Sie Durchkontaktierungen zur Verbindung von Stromversorgungs- und Masselagen auf einer mehrlagigen Leiterplatte auf die gleiche Weise.
Regeln für das Gittersystem
Ein gitterförmiges Erdungssystem oder eine Maschenerdung trägt zur Verringerung der Leiterbahninduktivität bei und bietet einen guten Rückweg für HF-Ströme. Seien Sie jedoch vorsichtig mit der Gitterdichte.
Wenn das Gitter zu dicht ist, gibt es viele kleine Netzschritte. Das erzeugt eine Menge von Layout-Daten. Dies erfordert mehr Speicherplatz und verlangsamt die CAD-Werkzeuge. Außerdem sind einige Gitterpfade nutzlos, weil sie von Bauteilpads oder Befestigungslöchern eingenommen werden. Wenn das Gitter zu dünn ist, wird das Routing schwierig und der Routing-Erfolg sinkt.
Wählen Sie daher eine angemessene Rasterdichte. Der Standardabstand zwischen den Bauteilanschlüssen beträgt 0,1 Zoll (2,54 mm). Daher ist ein Grundraster von 0,1 Zoll oder einem ordentlichen Teiler davon üblich. Beispiele: 0,05 Zoll, 0,025 Zoll, 0,02 Zoll und so weiter.
Kontrolle nach dem Routing
Prüfen Sie nach Abschluss des PCB-Routings, ob der Entwurf den Regeln entspricht und ob er die Fertigungsgrenzen einhält. Die folgenden Prüfungen sind üblich.
Zu den zu prüfenden Bereichen gehören: allgemeine Zeichnungselemente des PCB-Designs, elektrische PCB-Prüfungen, physikalische PCB-Prüfungen, mechanische Designfaktoren, PCB-Montageanforderungen, Anforderungen an den Leiterplattenausbruch, mechanische Erwägungen, elektrische Belange, Leiterbahnpfade und -platzierung, Leiterbahnbreiten und -dicken, Leiterbahnabstände, Leiterbahnformprüfungen und eine Liste von Design-Elementen.
Praktische Checkliste
Prüfen Sie, ob der Abstand zwischen den Durchkontaktierungen angemessen ist.
Prüfen Sie, ob die Breite der Strom- und Masseleitungen den aktuellen Anforderungen entspricht.
Prüfen Sie, ob für die wichtigsten Signalleitungen die besten Maßnahmen getroffen wurden (kurze Wege, kontrollierte Impedanz, Abschirmung).
Prüfen Sie, ob analoge und digitale Teile bei Bedarf getrennt geerdet sind.
Prüfen Sie, ob hinzugefügte Kupfermuster auf der Platine Signale kurzschließen könnten.
Prüfen Sie, ob die Platte die für das Werk erforderlichen Fertigungslinien oder Markierungen aufweist.
Prüfen Sie, ob die Kanten der Stromversorgungs- und Erdungsebene in einer mehrlagigen Leiterplatte den erforderlichen Einschnitt aufweisen.
Routing-Fallstudie und wichtige Regeln
Das Entflechten ist ein wichtiger Teil des PCB-Designs. Das Entflechten nimmt oft die meiste Zeit in Anspruch. Ingenieure sollten beim Routing grundlegende Regeln befolgen, wie z. B. die Fasenregel und die 3W-Regel.
Regel der Erdungsschleife
Die Regel der kleinsten Schleife bedeutet, dass der Bereich, der von einem Signal und seinem Rückweg eingeschlossen wird, so klein wie möglich sein sollte. Je kleiner der Schleifenbereich ist, desto weniger strahlt die Leiterplatte ab und desto weniger wird sie von externen Störungen beeinträchtigt.
Denken Sie bei der Aufteilung von Grundflächen daran, wie die Form der Ebene und wichtige Signalwege aufeinander abgestimmt sind. Vermeiden Sie Probleme durch Schlitze in der Massefläche, die den Schleifenbereich vergrößern.
Bei zweilagigen Entwürfen sollten Sie genügend Fläche für die Stromversorgung vorsehen. Füllen Sie den übrigen Bereich mit Kupfer für die Bezugserde. Fügen Sie die erforderlichen Massedurchführungen hinzu, um die beiden Seiten der Leiterplatte zu verbinden. Verwenden Sie für wichtige Signale eine Masseisolierung. Verwenden Sie für Hochfrequenzdesigns Multilayer-Platinen.
Regel für Abschirmung und Schutz
Die Abschirmung ist eine weitere Möglichkeit, den Schleifenbereich und die Strahlung zu verringern. Verwenden Sie eine Abschirmung für wichtige Signale wie Takt- und Synchronisationssignale.
Für sehr kritische oder sehr hochfrequente Signale können Sie eine Kupferabschirmung oder eine koaxähnliche Konstruktion verwenden. Umgeben Sie die verlegte Leiterbahn auf allen Seiten mit Masse. Planen Sie auch, wie die Abschirmung mit der Haupterdungsebene verbunden wird.
Regel zur Kontrolle des Nebensprechens
Übersprechen bedeutet Interferenzen zwischen verschiedenen Netzen auf der Leiterplatte. Es entsteht durch lange parallele Leiterbahnen. Die Ursache sind verteilte Kapazitäten und Induktivitäten zwischen parallelen Leiterbahnen.
Die wichtigsten Methoden zur Bekämpfung des Übersprechens:- Vergrößern Sie die Abstände zwischen parallelen Leiterbahnen. Befolgen Sie die 3W-Regel.- Fügen Sie geerdete Schutzleiterbahnen zwischen kritischen parallelen Leiterbahnen ein.- Verringern Sie den Abstand zwischen der Routing-Lage und der Massefläche.
Erinnerung an die 3W-Regel
Um das Übersprechen zu verringern, sollten die Leiterbahnabstände groß sein. Wenn der Mittenabstand das Dreifache der Leiterbahnbreite beträgt, werden etwa 70% des Feldes isoliert. Für 98% Isolierung verwenden Sie 10W.
Richtungssteuerung von Spuren
Halten Sie die Richtung benachbarter Lagen orthogonal. Vermeiden Sie es, Leiterbahnen auf benachbarten Lagen in der gleichen Richtung zu verlegen. Dies reduziert die Kopplung zwischen den Lagen. Wenn die Leiterplattenstruktur eine parallele Verlegung erzwingt, insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsdesigns, verwenden Sie Masseflächen zwischen den Routing-Lagen, um diese zu isolieren. Verwenden Sie auch geerdete Guard Traces zwischen Signalbahnen.
Regel für die Prüfung von Abhängigkeiten
Lassen Sie kein Netzende ohne Verbindung frei schweben. Schwebende Leiterbahnen können wie Antennen wirken. Sie verursachen zusätzliche Strahlung und können Rauschen aufnehmen. Vermeiden Sie dies.
Regel zur Überprüfung des geschlossenen Kreislaufs
Verhindern, dass ein Signal eine Schleife über verschiedene Schichten bildet. Bei mehrlagigen Leiterplatten verursachen Schleifen Strahlung. Achten Sie darauf und passen Sie das Routing an.
Fasenregel
Vermeiden Sie spitze oder scharfe Winkel in den Spurenecken. Scharfe Ecken können unerwünschte Strahlung verursachen. Sie können auch schlecht für die Fertigung sein. Verwenden Sie sanfte Kurven oder 45-Grad-Winkel.
Regel der entkoppelnden Komponenten
Fügen Sie bei Bedarf Entkopplungskondensatoren hinzu. Die Entkopplung filtert Rauschen auf den Stromleitungen. Platzieren Sie den Entkopplungskondensator in der Nähe des Netzanschlusses des Geräts nach dem Netzfilter.
Integrität der Stromversorgungs- und Erdungsebenen
In Bereichen mit vielen Durchkontaktierungen sollten Sie darauf achten, dass die Durchkontaktierungen die Ebene nicht zerschneiden, so dass die Ebene in kleinere Teile zerfällt. Die Aufteilung der Ebene vergrößert die Schleifenfläche und verursacht Probleme mit dem Signalrückweg. Halten Sie beim Fanout die Abstände zwischen den Durchkontaktierungen so ein, dass Sie noch mindestens eine Leiterbahn zwischen den Durchkontaktierungen verlegen können.
Überlappungsregel für die Leistungsebene
Vermeiden Sie die Überlappung verschiedener Stromversorgungsebenen im Raum. Dadurch werden Interferenzen zwischen den Stromversorgungen verringert, insbesondere wenn die verschiedenen Stromversorgungen große Spannungsunterschiede aufweisen. Wenn eine Überlappung unvermeidlich ist, sollte eine Masseschicht dazwischen eingefügt werden.
Wiederholung der 20H-Regel
Denken Sie an den Randeffekt. Der Abstand zwischen Leistung und Grundplatte beeinflusst die Randstrahlung. Setzen Sie die Leistungsebene ein, um das Feld innerhalb der Grundplatte zu halten. Eine Einfügung von 20H begrenzt etwa 70% des Feldes. Eine Einfügung von 100H begrenzt etwa 98% des Feldes.
Detailliertere Routing-Regeln und Kontrollen
Kontrolle des Rückwegs
Planen Sie immer den Signalrückweg. Ein Signal muss einen niederohmigen Rückweg unter sich haben. Halten Sie Erdungsrückwege kurz.
Fanout und Via-Planung
Planen Sie bei dichten BGA- oder Fine-Pitch-Bauteilen das Fanout frühzeitig. Halten Sie die Abstände zwischen den Vias so ein, dass noch Platz für die Signalführung bleibt. Verwenden Sie für das Fanout Microvias oder Blind Vias, falls dies in fortgeschrittenen Designs erforderlich ist.
Impedanzkontrolle
Bei Hochgeschwindigkeits-Single-Ended-Leiterbahnen oder differentiellen Paaren müssen Sie die Leiterbahnbreite und -abstände so einstellen, dass sie der Zielimpedanz entsprechen. Verwenden Sie den Leiterplattenaufbau und das Dielektrikum zur Berechnung der Leiterbahngeometrie.
Differentialpaar-Routing
Verlegen Sie Differentialpaare mit gleicher Länge. Halten Sie die Abstände stabil. Vermeiden Sie Stummel. Halten Sie Kurven glatt.
Längenanpassung und Verzögerung
Bei Bussen und Schnittstellen, die ein abgestimmtes Timing erfordern, ist die Länge der Leiterbahnen anzupassen. Verwenden Sie zur Längenanpassung Serpentinenbahnen. Halten Sie Serpentinenmuster glatt und kurz in der Höhe.
Thermische Entlastung und thermische Pads
Verwenden Sie beim Anbringen von Lötaugen an großen Kupferflächen eine thermische Entlastung. Stellen Sie eine Verbindung zwischen dem Pad und der Ebene mit Speichen her. Dies erleichtert das Löten.
Lötmaske und Pastenmaske
Lötmaskenöffnungen prüfen. Pastenmaske für SMD-Bauteile ausrichten. Stellen Sie sicher, dass kleine Pads die richtige Pastenfläche haben.
Design für Test und Montage
Lassen Sie Prüfpunkte und Montagemarkierungen stehen. Halten Sie Platz für Prüfspitzen frei. Platzierung so wählen, dass Löten und Inspektion möglich sind.
Endgültige Routing-Checkliste (kurze Liste)
- Prüfen Sie, ob alle Netze angeschlossen sind.- Führen Sie DRC- und ERC-Prüfungen durch.- Prüfen Sie Leiterbahnbreite und Stromstärke.- Prüfen Sie die Abstände auf Übersprechen und Spannung.- Prüfen Sie Entkopplungs- und Bulk-Kondensatoren.- Prüfen Sie Platinensplits und Rücklaufpfade.- Prüfen Sie thermische Entlastungen und Pad-Formen.- Prüfen Sie die Montage und den Testzugang.
Häufig zu vermeidende Fehler
- Schlitze in der Masseebene unter kritischen Signalen lassen.- Hochgeschwindigkeitsleitungen neben verrauschten Stromversorgungsleitungen verlegen.- Viele 90-Grad-Ecken verwenden.- Keine Entkopplung in der Nähe von IC-Pins hinzufügen.- Durchkontaktierungen die Ebenen schlecht teilen lassen.- Fanout für dichte Chips nicht planen.
Abschließende Anmerkungen
Das Routing ist ein wichtiger Bestandteil des PCB-Designs. Eine gute Entflechtung sorgt für korrekte Verbindungen, gute Leistung und ein gutes Aussehen. Befolgen Sie einfache Regeln. Halten Sie Schleifen klein. Kontrollieren Sie Nebensprechen und Rückleitungen. Verwenden Sie Flächeneinsätze zur Kantenkontrolle. Verwenden Sie eine Entkopplung für Leistungsrauschen. Verwenden Sie thermische Entlastungen beim Löten. Verwenden Sie ein vernünftiges Raster für das Routing. Prüfen Sie die Platine nach dem Entflechten sorgfältig.
Wenn Sie diese Grundregeln befolgen, reduzieren Sie die EMI, verbessern die Signalqualität und erleichtern den Aufbau und die Wartung der Leiterplatte. Routing braucht Sorgfalt. Nehmen Sie sich Zeit für die Planung und das Layout. Ein gutes Layout zahlt sich durch Zeitersparnis bei Tests und Reparaturen sowie durch die Qualität des Endprodukts aus.
