PCB-Komponenten-Layout-Prinzipien
Unter PCB-Layout-Design, ist die Platzierung der Bauteile entscheidend. Sie wirkt sich darauf aus, wie ordentlich die Platine aussieht und wie lang und zahlreich die gedruckten Leiterbahnen sind. Sie wirkt sich auch auf die Gesamtzuverlässigkeit des Geräts aus. Im Folgenden finden Sie einige Grundregeln, die bei der Platzierung von PCB-Komponenten beachtet werden sollten.
Gleichmäßige und konsistente Verteilung
Platzieren Sie die Bauteile so, dass sie gleichmäßig über die gesamte Platine verteilt sind. Achten Sie auf eine gleichmäßige Dichte und Abstände. Achten Sie darauf, dass die Bauteile die Platine nicht vollständig ausfüllen. Lassen Sie an den Rändern der Platine etwas Platz. Wie groß der leere Rand sein sollte, hängt von der Fläche der Platine und der Art und Weise ab, wie die Platine im Produkt befestigt ist. Bauteile, die direkt am Rand der Leiterplatte sitzen, sollten mindestens 3 mm vom Leiterplattenrand entfernt sein. Bei elektronischen Geräten ist es üblich, an jeder Kante 5 bis 10 mm Platz zu lassen.
Generell sollten Sie die Bauteile möglichst auf einer Seite der Leiterplatte platzieren. Jedes Kabel eines Bauteils sollte sein eigenes Lötpad haben.
Keine Überlappung und ausreichender Abstand
Die Bauteile sollten sich von oben nach unten nicht so überlappen, dass es zu Kreuzungen kommt. Halten Sie einen ausreichenden Abstand zwischen benachbarten Bauteilen ein. Der Abstand darf nicht zu klein sein, um einen physischen Kontakt zu vermeiden. Wenn zwei nahe beieinander liegende Bauteile einen großen Potenzialunterschied aufweisen, halten Sie einen sicheren Abstand zwischen ihnen ein. In normalen Umgebungen beträgt ein sicherer Abstand etwa 200 V pro mm. Das heißt, wenn Sie hohe Spannungsunterschiede erwarten, vergrößern Sie den Abstand.
Niedrige Montagehöhe
Die Einbauhöhe der Bauteile sollte so niedrig wie möglich sein. Die Zuleitung eines Bauteils sollte nicht mehr als etwa 5 mm über die Platine ragen. Wenn Bauteile zu hoch sitzen, widerstehen sie Vibrationen und Stößen nur schlecht. Hohe Bauteile können kippen, umfallen oder benachbarte Bauteile berühren. Dadurch sinkt die Zuverlässigkeit.
Richtung und Regelmäßigkeit der Achsen
Legen Sie die Achsrichtungen der Bauteile so fest, wie die Leiterplatte im Endprodukt sitzen und befestigt werden soll. Bei regelmäßigen Anordnungen von Bauteilen sollten Sie die Achsen großer Teile so ausrichten, dass sie im Verhältnis zum Produkt aufrecht stehen. Dies verbessert die mechanische Stabilität auf der Leiterplatte. Die Ausrichtung der Achsen trägt dazu bei, dass die Teile bei Vibrationen nicht verrutschen.
Pad-Abstand und Lead Bends
Die Pads an beiden Enden eines Bauteils sollten etwas weiter auseinander liegen als die axiale Körperlänge des Bauteils. Biegen Sie die Anschlüsse nicht direkt an der Wurzel. Lassen Sie vor dem Biegen eine gewisse gerade Leitungslänge (mindestens 2 mm), um eine Beschädigung des Gehäuses zu vermeiden. Dies verringert die Belastung der Bauteilanschlüsse und der Lötstelle.
Wie die Komponenten auf der Leiterplatte montiert und befestigt werden
Es gibt zwei Hauptmontagearten für Bauteile auf einer Leiterplatte: vertikal (aufrecht) und horizontal (liegend). Horizontal bedeutet, dass die Bauteilachse parallel zur Leiterplattenoberfläche verläuft. Vertikal bedeutet, dass die Achse senkrecht steht. Beide Methoden haben Vor- und Nachteile. Setzen Sie sie beim Entwurf flexibel ein. Sie können eine Methode oder eine Mischung aus beiden verwenden. Achten Sie darauf, dass die Schaltung vibrationsbeständig und wartungsfreundlich ist und dass das Layout der Komponenten gleichmäßig ist. Das hilft auch beim Verlegen der Leiterbahnen.
Vertikale (aufrechte) Montage
Vertikal montierte Bauteile benötigen weniger Fläche auf der Leiterplatte. Sie können mehr Teile pro Flächeneinheit unterbringen. Dies ist gut für dichte Produktdesigns wie tragbare Radios und Hörgeräte. Viele kleine tragbare Geräte werden vertikal montiert.
Vertikale Teile sollten jedoch klein und leicht sein. Große oder schwere Teile sind für die vertikale Montage nicht geeignet. Schwere Teile verringern die mechanische Festigkeit und die Vibrationsbeständigkeit. Sie können kippen oder herunterfallen und andere Teile berühren, was zu Zuverlässigkeitsproblemen führt.
Horizontale (liegende) Montage
Die horizontale Montage bietet eine bessere mechanische Stabilität. Sie lässt die Leiterplatte ordentlicher aussehen. Durch die horizontale Montage vergrößert sich der Abstand der Bauteile zwischen den Lötpads, was die Verlegung einer Leiterbahn zwischen den beiden Lötpunkten erleichtert. Dies ist hilfreich für das Leiterbahnlayout. Die horizontale Montage wird im Allgemeinen bevorzugt, wenn mechanische Stabilität und einfache Verlegung wichtig sind.
Formate für die Anordnung von PCB-Komponenten
Die Bauteile sollten gleichmäßig, sauber und kompakt auf der Platine angeordnet werden. Versuchen Sie, die Verbindungen zwischen den Schaltungseinheiten und zwischen den einzelnen Komponenten zu reduzieren und zu verkürzen. Es gibt zwei Hauptlayoutformate auf einer Leiterplatte: unregelmäßige Platzierung und regelmäßige Platzierung. Sie können entweder eines davon allein oder beide zusammen verwenden.
Unregelmäßige Platzierung
Bei der unregelmäßigen Platzierung sind die Achsen der Komponenten nicht ausgerichtet und ihre Positionen folgen keiner strengen Regel. Das sieht zwar ungeordnet aus, gibt aber Freiheit bei der Ausrichtung und Positionierung der Komponenten. Diese Freiheit macht das Layout von Leiterbahnen oft einfacher. Es können Verbindungen verkürzt oder reduziert werden, wodurch die Gesamtlänge der Leiterbahnen erheblich verringert wird. Kürzere Leiterbahnen verringern die parasitären Parameter und helfen, Interferenzen zu reduzieren. Die unregelmäßige Platzierung ist sehr nützlich für Hochfrequenzschaltungen. Sie wird häufig bei vertikal montierten Bauteilen verwendet.
Regelmäßige Platzierung
Bei der regelmäßigen Platzierung werden die Achsen der Bauteile so ausgerichtet, dass sie parallel oder rechtwinklig zu den Kanten der Leiterplatte verlaufen. Außer bei Hochfrequenzbauteilen sollte bei den meisten elektronischen Produkten versucht werden, die Bauteile entweder parallel oder senkrecht zu platzieren. Dies gilt insbesondere, wenn die Bauteile horizontal montiert werden. Eine regelmäßige Platzierung verbessert das Erscheinungsbild der Leiterplatte und erleichtert die Montage, das Löten und die Fehlersuche. Auch für die Produktion und Wartung ist dies einfacher.
Die regelmäßige Platzierung ist ideal für Niederfrequenzschaltungen mit mäßigen Komponententypen, aber großen Mengen. Viele Geräte verwenden dieses Format. Bei der regulären Platzierung sind jedoch Einschränkungen hinsichtlich Position und Richtung zu beachten. Die Leiterbahnführung kann komplexer werden, und die Gesamtlänge der Leiterbahnen kann sich dadurch erhöhen.
Positionierung von Bauteilpads auf der Leiterplatte
Jede Leitung eines Bauteils muss ein Lötpad auf der Leiterplatte belegen. Die Position des Lötpunkts hängt von der Größe des Bauteils und der Art seiner Befestigung ab. Bei vertikaler Montage oder unregelmäßiger Platzierung kann die Position der Lötaugen weniger durch die Größe und den Abstand der Bauteile eingeschränkt werden. Bei regelmäßiger Bestückung sollten die Lötaugenpositionen und -abstände bestimmten Standards entsprechen.
Bei allen Verfahren sollte die Mitte der Lötaugen (d. h. die Mitte der plattierten Bohrung) nicht zu nahe am Rand der Leiterplatte liegen. Der typische Abstand beträgt 2,5 mm oder mehr. Zumindest sollte die Pad-Mitte mehr als die Plattendicke von der Kante entfernt sein.
Pad-Positionen sollten idealerweise auf einem Standard-Koordinatengitter liegen.
In der IEC-Norm, Der Grundrasterabstand beträgt 2,54 mm (der nationale Standard ist 2,5 mm). Zu den Unterrasterabständen gehören 1,27 mm oder 0,635 mil (1,25 mm oder 0,625 mil). Diese Rasterstandards sind wichtig, wenn computergestütztes Design, automatisches Bohren oder automatisches Platzieren und Löten von Bauteilen verwendet wird. Beim manuellen Bohren können Sie, abgesehen vom doppelten Inline-IC-Pin-Abstand, die strikte Einhaltung des Rasters lockern. Dennoch sollten die Lötaugenpositionen die Bauteile sauber und konsistent halten. Bei Bauteilen ähnlicher Größe sollten Sie versuchen, die Pad-Abstände einheitlich zu halten. Der Mittenabstand der Pads sollte nicht geringer sein als die Plattendicke. Dies sorgt für Ordnung und erleichtert den Zusammenbau und das Biegen von Leitungen.
Natürlich ist Ordentlichkeit relativ. In besonderen Fällen ist Urteilsvermögen gefragt.
Faktoren, die das PCB-Layout beeinflussen
Viele Faktoren beeinflussen ein gutes PCB-Layout. Hier behandeln wir die wichtigsten davon.
Richtung des Signalflusses
Bei der Anordnung von Schaltungseinheiten auf einer Platine ist die gesamte Schaltung nach Funktionen zu unterteilen. Platzieren Sie die Funktionsmodule in der Reihenfolge des Signalflusses. Dies erleichtert das Layout für die Signalwege. Versuchen Sie, die Signalrichtungen konsistent zu halten. In den meisten Fällen ist der Signalfluss von links nach rechts (Eingang links, Ausgang rechts) oder von oben nach unten (Eingang oben, Ausgang unten) anzuordnen.
Platzieren Sie Komponenten, die direkt mit Eingangs- und Ausgangsanschlüssen verbunden sind, in der Nähe dieser Anschlüsse. Legen Sie das Layout um das Kernstück eines jeden Funktionsblocks herum an. Verwenden Sie z. B. einen Transistor oder einen IC als Kern, und platzieren Sie dann die zugehörigen Komponenten um diesen herum. Berücksichtigen Sie die Form, Größe, Polarität und Anzahl der Pins der Bauteile. Passen Sie Position und Ausrichtung an, um die Verdrahtung zu verkürzen.
Lage der speziellen Komponenten
Interferenzen in elektronischen Geräten können viele Ursachen haben: elektrische, magnetische, thermische und mechanische. Analysieren Sie beim Entwurf des Platinenlayouts zunächst den Schaltplan. Identifizieren Sie zuerst spezielle Komponenten und platzieren Sie dann andere Teile. Auf diese Weise können Sie Störungen vermeiden und sie so weit wie möglich reduzieren.
Spezielle Bauteile sind solche, die das Gerät elektrisch, magnetisch, thermisch oder mechanisch beeinflussen. Es kann sich auch um Teile handeln, die aufgrund von Betriebsanforderungen an bestimmten Stellen befestigt werden müssen.
Verhinderung elektromagnetischer Störungen (EMI)
EMI tritt häufig in Arbeitsgeräten auf. Zu den Ursachen gehören externe elektromagnetische Wellen und schlechtes Routing oder schlechte Platzierung von Komponenten auf der Leiterplatte. Viele Interferenzprobleme lassen sich bereits in der Layout-Phase vermeiden. Wenn Sie dies zu früh ignorieren, kann das Design scheitern.
Trennen oder schirmen Sie Teile ab, die sich gegenseitig beeinflussen können. Kürzen Sie Verbindungen in Hochfrequenzabschnitten, um verteilte Parameter und gegenseitige elektromagnetische Kopplung zu reduzieren. Wenn Sie Metallabschirmungen für Hochfrequenzabschnitte verwenden wollen, lassen Sie die Leiterplattenfläche für die Abschirmung frei.
Empfindliche Teile sollten nicht zu nahe an lauten Teilen liegen. Trennen Sie Hochspannungs- (z. B. 220 V) und Niederspannungsbereiche sowie Eingangs- und Ausgangsstufen. Wenn die Gleichstromleitungen lang sind, fügen Sie Filterteile hinzu, um 50-Hz-Rauschen zu verhindern.
Wenn einige Komponenten oder Leiterbahnen hohe Potentialunterschiede aufweisen, vergrößern Sie die Abstände, um Entladungen oder Durchschläge zu vermeiden. Vermeiden Sie, dass sich Teile mit Metallgehäuse berühren. So kann z. B. das Metallgehäuse eines NPN-Transistors oder der Kühlkörper eines Leistungstransistors mit dem Kollektor verbunden sein, der auf einem hohen Potenzial liegen kann. Die Dosen von Elektrolytkondensatoren liegen oft auf negativem Potenzial oder auf Masse. Wenn diese Metallgehäuse nicht isoliert sind, muss ein ausreichender Abstand eingehalten oder eine zusätzliche Isolierung angebracht werden, da sonst ein Kurzschluss entstehen kann.
Thermische Interferenzkontrolle
Auch ein Temperaturanstieg verursacht Störungen. Ermitteln Sie beim Layout, welche Teile Wärme erzeugen und welche temperaturempfindlich sind.
Platzieren Sie wärmeerzeugende Teile, wie z. B. Hochleistungswiderstände, in der Nähe des Gehäuses oder an einem Ort mit gutem Luftstrom. Verwenden Sie Lüftungsöffnungen, um die Kühlung zu unterstützen. Bringen Sie wärmeerzeugende Teile nicht zu dicht aneinander an. Ziehen Sie Kühlkörper oder einen kleinen Lüfter in Betracht, um den Temperaturanstieg in Grenzen zu halten. Große Leistungsteile können im Gehäuse verankert werden, um die Metallhülle zur Wärmeableitung zu nutzen. Wenn sie sich auf der Leiterplatte befinden müssen, sollten Sie sie mit großen Kühlkörpern ausstatten und sie von anderen Teilen fernhalten.
Temperaturempfindliche Teile wie Transistoren, ICs und große Elektrolytkondensatoren sollten sich nicht in der Nähe von Wärmequellen oder im oberen Teil des Geräts befinden, wo die Temperatur stärker ansteigt. Längeres Erhitzen verändert die Betriebspunkte und kann die Leistung beeinträchtigen.
Überlegungen zur mechanischen Festigkeit
Achten Sie auf die Ausgewogenheit und Stabilität der Platine. Verlassen Sie sich bei großen und schweren Bauteilen (Leistungstransformatoren, große Elektrolytkondensatoren, Leistungstransistoren mit Kühlkörpern) nicht nur auf die Lötstellen der Leiterplatte. Befestigen Sie sie nach Möglichkeit am Gehäuse, damit der Schwerpunkt niedrig liegt und das Produkt stabil ist. Große Bauteile können die Leiterplatte verformen oder andere Bauteile und Anschlüsse beschädigen.
Wenn ein Bauteil mehr als 15 g wiegt und sich auf der Leiterplatte befinden muss, dürfen Sie sich nicht nur auf das Lötzinn verlassen. Verwenden Sie Halterungen, Klammern oder andere mechanische Stützen.
Bei Platten, die größer als etwa 200 mm × 150 mm sind, wird die Platte durch Biegung und Vibration belastet. Fügen Sie einen mechanischen Rahmen oder eine Versteifung hinzu, um Verformungen zu vermeiden. Lassen Sie Platz für Montagewinkel, Befestigungsschrauben und Steckerbefestigungen.
Wartungsfreundlichkeit und Zugänglichkeit
Bei einstellbaren Teilen wie Potentiometern, variablen Kondensatoren oder Abstimmspulen sollten Sie überlegen, wie das Produkt eingestellt werden soll. Wenn die Einstellung von außen erfolgt, muss die Position des Bauteils mit dem Knopf auf der Frontplatte übereinstimmen. Wenn die Einstellung intern erfolgt, platzieren Sie das Bauteil leicht zugänglich auf der Leiterplatte.
Um die Sicherheit bei der Fehlersuche und Wartung zu gewährleisten, sollten Sie Hochspannungsteile so anbringen, dass sie nicht mit den Händen berührt werden können. Platzieren Sie z. B. CRT-Hochspannungskomponenten so, dass sie nur schwer zu erreichen sind.
Zusammenfassung des PCB-Layouts
Das Layout ist der wichtigste Teil des PCB-Designs. Der erste Schritt ist die korrekte Anordnung von Bauteilen auf einer festen Leiterplattenfläche. Beim Layout geht es nicht nur um die Verbindung von Bauteilen durch gedruckte Linien gemäß dem Schaltplan. Um ein zuverlässiges Produkt herzustellen, müssen die Bauteile und ihre Verbindungen sorgfältig angeordnet werden.
Wenn das Layout schlecht ist, kann es zu Interferenzen oder schlechter Leistung kommen, und der theoretische Entwurf kann scheitern. Manche Layouts entsprechen zwar den technischen Spezifikationen, sehen aber unordentlich aus. Eine ungleichmäßige, ungeordnete Anordnung mindert nicht nur die optische Qualität, sondern erschwert auch die Montage und Wartung. Das ist kein vernünftiges Design.
Die obigen Leitlinien sollen grundlegende Kenntnisse des Leiterplattenlayouts für gewöhnliche gedruckte Schaltungen vermitteln. Befolgen Sie sie, um das Layout so vernünftig wie möglich zu gestalten. Ein gutes Layout reduziert die Länge der Leiterbahnen, verringert Interferenzen, verbessert die mechanische Haltbarkeit, hilft bei der Kühlung und erleichtert die Herstellung und Wartung.
Praktische Checkliste für PCB-Layout (Kurzreferenz)
- Unterteilen Sie die Schaltung in Funktionsblöcke und platzieren Sie die Blöcke entsprechend dem Signalfluss.
- Platzieren Sie die ein- und ausgangsbezogenen Teile in der Nähe der Anschlüsse.
- Platzieren Sie Hochfrequenzblöcke kompakt und halten Sie ihre Leiterbahnen sehr kurz.
- Trennen Sie Hochspannungs- und Niederspannungsbereiche.
- Reservieren Sie bei Bedarf Platz für Metallschilder.
- Halten Sie wärmeerzeugende Teile in der Nähe der Lüftung oder des Gehäuses.
- Halten Sie temperaturempfindliche Teile von Wärmequellen fern.
- Verwenden Sie die vertikale Montage für dichte, kleine Teile. Verwenden Sie die horizontale Montage für Stabilität und einfaches Fräsen.
- Halten Sie einen Abstand von mindestens 3 mm zwischen den Bauteilpads und der Leiterplattenkante ein, wenn sich die Bauteile an der Leiterplattenkante befinden; der typische Abstand zwischen Padmitte und Kante beträgt ≥ 2,5 mm.
- Verwenden Sie Standard-Rasterabstände, wenn Sie eine automatische Montage planen (2,54 mm oder 2,5 mm).
- Der Abstand zwischen den Pads sollte nicht kleiner als die Plattendicke sein.
- Verwenden Sie bei schweren Teilen zusätzlich zum Lötzinn mechanische Stützen.
- Fügen Sie bei großen Platten (> 200 × 150 mm) Versteifungen oder Rahmen hinzu.
- Lassen Sie Platz für Prüfpunkte und Servicezugang.
- Achten Sie darauf, dass die Achsen der Komponenten nach Möglichkeit übereinstimmen, aber wählen Sie ein unregelmäßiges Layout für HF, um die Leiterbahnlänge zu reduzieren.
