6 praktische PCB-Design-Tipps, um 90 % der Fertigungsfallen zu vermeiden! Auch Anfänger können schnell loslegen

Beim Entwurf von Schaltungen konzentrieren sich viele Leute mit aller Kraft auf Schaltpläne und die Auswahl der Komponenten und wickeln die PCB-Layout- und Routing-Phase hastig ab. Das Ergebnis? Entweder treten während der Fabrikproduktion häufig Fehler auf, oder die Leiterplatte funktioniert nach kurzer Zeit nicht mehr richtig – Überhitzung, Signalstörungen, schlechte Lötstellen – diese Probleme können durch wissenschaftliches Design tatsächlich im Voraus vermieden werden. Heute werden wir die Kerntechniken des PCB-Designs aufschlüsseln, um Ihnen zu helfen, schnell herstellbare, funktionsstabile Leiterplatten zu erstellen!

I. Komponentenplatzierung: Mehr als nur Ordnung, einfache Lötbarkeit und Benutzerfreundlichkeit

Die Komponentenplatzierung ist die Grundlage des PCB-Designs und erfordert sowohl die Einhaltung der Schaltungslogik als auch die Kompatibilität mit den Produktionsprozessen. Viele Anfänger streben nur ein "ordentliches Aussehen" an und vernachlässigen die tatsächlichen Anforderungen an das Löten und die Montage.

Einheitliche Ausrichtung spart Zeit

Das Platzieren ähnlicher Komponenten wie Widerstände und Kondensatoren in der gleichen Richtung reduziert die Notwendigkeit häufiger Winkeleinstellungen durch die Maschine während des Lötens, verbessert die Effizienz und reduziert die Wahrscheinlichkeit von kalten Lötstellen und falschem Löten. Komponenten unterschiedlicher Größe sollten sich nicht gegenseitig behindern.

Vermeiden Sie es, kleine Komponenten direkt unter oder hinter großen Komponenten zu platzieren. Andernfalls wird beim Löten der großen Komponente die kleine Komponente verdeckt, wodurch ein "Schattenbereich" entsteht, der das Löten behindert.

Vereinfachen Sie die Montage durch Kategorisierung der Komponenten.
Versuchen Sie, oberflächenmontierte (SMT) Komponenten auf derselben Seite der Leiterplatte zu platzieren und Durchgangsloch- (TH) Komponenten oben zu konzentrieren. Dies vermeidet wiederholtes Umdrehen während der Fabrikmontage und reduziert die Produktionskosten. Wenn zwei Arten von Komponenten zusammen verwendet werden müssen, berücksichtigen Sie die zusätzlichen Montageprozesskosten im Voraus.

II. Leiterbahndesign: Strom-, Masse- und Signalwege müssen sorgfältig sein.

Planen Sie nach dem Platzieren der Komponenten das Routing von Strom-, Masse- und Signalbahnen, da dies die Schaltungsstabilität direkt beeinflusst. Viele Signalstörungen und Probleme mit der Strominstabilität resultieren aus Routing-Problemen.

Strom- und Masseebeben auf Innenschichten.
Platzieren Sie Strom- und Masseebeben innerhalb der Leiterplatte und halten Sie die Symmetrie und Zentrierung ein. Dies verhindert, dass sich die Leiterplatte verbiegt, und ermöglicht eine präzisere Komponentenpositionierung. Verwenden Sie beim Betreiben von Chips dickere Leiterbahnen und vermeiden Sie Daisy-Chain-Verbindungen (Verbinden von Komponenten in Reihe), um eine Spannungsinstabilität zu verhindern.

Signalbahnen sollten "kurz und gerade" sein. Signalbahnen zwischen Komponenten sollten dem kürzestmöglichen Pfad folgen; direkte Verbindungen sind Biegungen vorzuziehen. Wenn eine Komponente horizontal fixiert werden muss, führen Sie die Leiterbahn kurz horizontal, bevor Sie sie vertikal drehen. Dies verhindert, dass der Lotfluss während des Lötens zu einer Fehlausrichtung der Komponente führt; umgekehrt kann das zuerst vertikale Führen der Leiterbahn dazu führen, dass sich die Komponente neigt.

Die Leiterbahnbreite sollte dem Strom folgen. Für gewöhnliche Niedrigstromsignale (z. B. digitale und analoge Signale) reicht eine 0,010 Zoll (10 mil) breite Leiterbahn aus. Wenn der Strom 0,3 Ampere überschreitet, muss die Leiterbahnbreite erhöht werden; je höher der Strom, desto breiter sollte die Leiterbahn sein, um Überhitzung und Ausbrennen zu verhindern.

III. Isolationsdesign: Digital, Analog und Stromversorgungen sollten getrennt sein.

Hochspannungs- und Hochstrom-Stromversorgungsschaltungen können leicht empfindliche Steuerungs- oder Analogschaltungen stören, was zu dem Problem des "Signalzitterns" führt, dem viele begegnen. Eine ordnungsgemäße Isolierung reduziert Störungen erheblich.

Strommasse und Steuermasse sollten getrennt sein. Die Strommasse und die Steuermasse jeder Stromversorgung sollten getrennt geführt und nicht miteinander vermischt werden. Wenn eine Verbindung erforderlich ist, sollte sie nur am Ende des Strompfads hergestellt werden, um eine Störungsleitung zu vermeiden. Strenge Isolierung digitaler und analoger Schaltungen

Wenn die Leiterplatte digitale Schaltungen (z. B. Mikrocontroller) und analoge Schaltungen (z. B. Sensoren) enthält, sollten diese getrennt angeordnet werden, und es sollten geeignete Impedanzpfade für die Masseebebene der Zwischenschicht bereitgestellt werden. Analoge Signale sollten nur auf der analogen Masse verlaufen und sollten sich nicht mit der digitalen Masse kreuzen, um kapazitive Kopplungsstörungen zu reduzieren.

IV. Wärmeableitung: Lassen Sie nicht zu, dass Hitze Ihre Leiterplatte zerstört

Viele Leiterplatten erfahren nach einer gewissen Nutzungsdauer eine Leistungsminderung oder brennen sogar aus, was höchstwahrscheinlich auf eine unzureichende Wärmeableitung zurückzuführen ist. Dies gilt insbesondere für Leistungskomponenten, bei denen sich die Wärmeentwicklung stark auf ihre Lebensdauer auswirken kann.

Identifizieren Sie die "Wärmegiganten"

Überprüfen Sie im Datenblatt der Komponente den Parameter des thermischen Widerstands (TRT). Niedrigere TRT-Werte führen zu einer besseren Wärmeableitung. Halten Sie Hochleistungskomponenten (z. B. Transistoren und Leistungschips) von empfindlichen Komponenten fern und fügen Sie bei Bedarf Kühlkörper oder kleine Lüfter hinzu.

Heißluftpads sind der Schlüssel

Durchgangslochkomponenten müssen Heißluftpads verwenden. Diese verlangsamen die Wärmeableitung der Pins, gewährleisten eine ausreichende Temperatur während des Lötens und verhindern kalte Lötstellen. Darüber hinaus verstärkt das Hinzufügen von "Tränen"-Pads an den Verbindungspunkten zwischen Pads und Leiterbahnen die Kupferfolienunterstützung und reduziert thermische und mechanische Belastungen.

Typische Heißluftpad-Verbindungsmethode

V. Heißluftpads: Ein "magisches Werkzeug" für Lötfehler

Viele Anfänger sind sich der Funktion von Heißluftpads nicht bewusst, was zu offenen Stromkreisen, kalten Lötstellen und schlechten Lötstellen führt, die durch wiederholtes Einstellen der Ofentemperatur nicht behoben werden können. Die Ursache des Problems liegt im Verdrahtungsdesign.

Große Bereiche der Kupferfolie für Strom oder Masse erwärmen sich langsam und leiten die Wärme schnell ab. Wenn die Lötanschlüsse kleiner Komponenten (z. B. Widerstände und Kondensatoren im 0402-Gehäuse) direkt mit großer Kupferfolie verbunden sind, erreicht die Temperatur während des Lötens nicht den Schmelzpunkt des Lots, was zu einer kalten Lötstelle führt. Beim manuellen Löten wird die Wärme schnell abgeleitet, was ebenfalls ein erfolgreiches Löten verhindert.

Das Prinzip der Heißluftpads ist einfach: Das Verbinden der Pads mit einem großen Bereich der Kupferfolie über mehrere dünne Kupferstreifen gewährleistet die elektrische Leitfähigkeit und reduziert gleichzeitig die Wärmeableitungsfläche. Dadurch können die Pads während des Lötens eine ausreichende Temperatur aufrechterhalten, wodurch sichergestellt wird, dass das Lot fest an den Pads haftet.

VI. Designprüfung: Sparen Sie nicht am letzten Schritt

Führen Sie nach Abschluss des Designs immer eine Doppelprüfung durch; andernfalls können selbst kleine Fehler die gesamte Leiterplatte unbrauchbar machen.

Führen Sie zunächst "Regelprüfungen" durch: Verwenden Sie die Funktionen Electrical Rule Check (ERC) und Design Rule Check (DRC) in der Designsoftware, um Leiterbahnbreite, Abstand, Kurzschlüsse, nicht geroutete Netzwerke usw. zu überprüfen, um die Einhaltung der Fertigungsanforderungen sicherzustellen.

Zweitens, überprüfen Sie Signal für Signal: Überprüfen Sie vom Schaltplan bis zur Leiterplatte die Verbindung jeder Signalleitung, um Auslassungen oder Fehler zu vermeiden. Verwenden Sie die Abschirmfunktion der Software, um zu bestätigen, dass das Layout mit dem Schaltplan übereinstimmt.

Fazit

Das PCB-Design mag komplex erscheinen, aber sein Kern dreht sich um "Herstellbarkeit" und "Stabilität". Die richtige Platzierung von Komponenten, die Sicherstellung kurzer und breiter Leiterbahnen, die Implementierung einer guten Isolierung und Wärmeableitung, die effektive Verwendung von Heißluftpads und schließlich eine gründliche Prüfung – diese sechs Schritte helfen Ihnen, die meisten Fallstricke zu vermeiden.

Anfänger müssen am Anfang nicht nach Perfektion streben. Beherrschen Sie zuerst diese grundlegenden Fähigkeiten und optimieren Sie sie dann in Verbindung mit realen Projekten. Sie werden schnell in der Lage sein, hochwertige Leiterplatten zu entwerfen. Denken Sie daran, dass ein gutes PCB-Design nicht nur die Produktionskosten senkt, sondern auch die Schaltungsleistung stabiler macht und ihre Lebensdauer verlängert.