Von Designzeichnungen bis zur tatsächlichen Massenproduktion muss eine Leiterplatte zahlreiche Hürden überwinden, darunter Verarbeitbarkeit, Herstellbarkeit, Signalintegrität und EMV. Dieser Artikel skizziert systematisch die Designlogik rund um 13 gängige, aber entscheidende Kernkonzepte im PCB-Design und verbessert so Ihr PCB-Engineering-Denken und Ihre Designfähigkeiten.

1. FR4-Platinenmaterial: Der Eckpfeiler der Signalwelt

FR-4, das am häufigsten verwendete PCB-Substrat, ist ein kupferkaschiertes Laminat aus Glasfaser und Epoxidharz. Seine Hitzebeständigkeit wird durch Tg (Glasübergangstemperatur) gemessen.

• Low-Tg-Platine (Tg≈130℃): Wird für allgemeine Anwendungen verwendet.
• Medium-Tg-Platine (Tg>150℃): Geeignet für mittelkomplexe Schaltungen.
• High-Tg-Platine (Tg≥170℃): Empfohlen für Hochtemperaturlötumgebungen, bleifreie Prozesse und Hochzuverlässigkeitsszenarien, wie z. B. Automobil und Kommunikation.

High-Tg-Platinen haben nicht nur eine hohe Hitzebeständigkeit, sondern auch eine deutlich verbesserte Feuchtigkeits- und Chemikalienbeständigkeit, wodurch die Dimensionsstabilität von Multilayer-Platinen während des Langzeitbetriebs gewährleistet wird.

2. Impedanzanpassung: Der "Wächter" der Hochgeschwindigkeitssignalverlegung

In Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungen (wie DDR, USB, PCIe) treten bei Signalen ohne präzise Impedanzanpassung Probleme wie Reflexion und Übersprechen auf. Gängige Impedanzkontrollmethoden umfassen:

• Differentielle Impedanz: 100Ω/90Ω
• Single-Ended-Impedanz: 50Ω

Wie man die Anpassung entwirft? Eine genaue Simulation ist erforderlich, wobei Faktoren wie Layer-Stack-up, Leiterbahnbreite und -abstand, Referenzebene und Dielektrizitätskonstante berücksichtigt werden.

3. Oberflächenbehandlungsprozesse: Bestimmung der Lötqualität und Lebensdauer

Fünf gängige Oberflächenbehandlungen:

Für die Hochfrequenz-Impedanzkontrolle wird dringend Immersion Gold oder Immersion Zinn empfohlen. Zinnschmelzen kann auf BGA-bestückten Platinen nicht verwendet werden.

4. Kernplatine/Prepreg: Schlüsselmaterialien zur Bestimmung der Platinendicke, des Layer-Stack-ups und der elektrischen Leistung

Die Kernplatine (Core) + PP (Prepreg) bestimmen die Struktur und Stabilität der Multilayer-Platine. Ihre Dicke, die Harzflussrate und die elektrischen Konstanten müssen alle in Verbindung mit der Layer-Stack-up-Simulation berücksichtigt werden.

• Kern: Starre Platine mit doppelseitiger Kupferkaschierung
• PP: Halbstarres Harz zur Zwischenlagenverbindung

Angemessene Anteile sind entscheidend, um Prozessprobleme wie Platinenverzug, Hohlräume und Kupferablösung während der Laminierung zu vermeiden.

5. Differentielle Leitungen: Symmetrische Verlegung ist für die Signalintegrität unerlässlich

Differentielle Signale werden für die Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung, wie z. B. LVDS, USB und PCIe, verwendet und müssen die folgenden Anforderungen erfüllen:

• Gleiche Länge, Breite und Abstand
• Konsistente Masseebenenreferenz
• Vermeidung von diskontinuierlichen Referenzebenen

Asymmetrie in differentiellen Leiterbahnen wirkt sich direkt auf die Taktschiefe und das Übersprechen aus und muss während der Layoutphase umfassend berücksichtigt werden.

6. Signalintegrität (SI): Die Seele des Hochgeschwindigkeits-PCB-Designs

Fünf Hauptfaktoren, die die Signalintegrität beeinflussen:

• Reflexion (Impedanzfehlanpassung)
• Übersprechen (Leiterbahnen zu eng beieinander)
• Ground Bounce (Störstrominterferenz, die durch gleichzeitiges Schalten mehrerer Chips erzeugt wird)
• Ungeeignetes Filterdesign
• Unzureichendes PCB-Strukturdesign

SI-Probleme führen oft zu Systemausfällen, häufigen Neustarts und Datenfehlern.

7. Signalreflexion: Verhindern, dass Signale "auf demselben Pfad zurückkehren"

Signalreflexion kann verursachen:

• Überschwingen
• Unterschwingen
• Ringing
• Gestufte Wellenformen

Um Reflexion zu kontrollieren, ist neben der Impedanzanpassung eine ordnungsgemäße Abschlussanpassung (Quell- und Lastenden) erforderlich, und Referenzebenenunterbrechungen sollten vermieden werden.

8. Übersprechen: "Lärmbelastung" zwischen Signalleitungen

Eng gepackte Hochgeschwindigkeitsleitungen ohne Masseverweis erzeugen starkes Übersprechen, das besonders bei DDR- oder Hochgeschwindigkeitsbus-Parallelverlegung erkennbar ist.

Kapazitive Kopplung → Stromübersprechen
Induktive Kopplung → Spannungsübersprechen
Lösungen: Masseelement-Schutz hinzufügen, angemessenen Abstand zwischen den Leiterbahnen einhalten und die Leiterbahnrichtung steuern.

9. Interne Leistungsebene: Die Geheimwaffe für stabile Stromversorgung und Interferenzunterdrückung

Stromversorgung und Masse müssen als großflächige Ebenen mit vernünftiger Partitionierung und dichter Via-Platzierung ausgelegt werden, um Floating Islands und unterbrochene Stromkreise zu vermeiden.

10. Blind/Buried Vias: Eine Schlüsseltechnik im High-Density-PCB-Design

• Blind Via erster Ordnung: L2-TOP
• Blind Via zweiter Ordnung: L3-TOP
• Buried Via: Verbunden zwischen L3-L6

Blind/Buried Vias werden häufig in HDI-Platinen verwendet, wodurch die Raumnutzung erheblich verbessert wird, aber sie erfordern hohe Kosten und Verarbeitungsanforderungen.

11. Testpunkte: "Sicherungen" für die Massenproduktions-Fehlersuche

Wird für Funktionstests, In-Circuit-Programmierung und Debugging-Positionierung verwendet. BGA-Chipbereiche müssen mit fliegenden Sonden oder Boundary-Scanning adressiert werden.

12. Markierungspunkte: Sicherstellung der SMT-Platzierungsgenauigkeit

Wird für die SMT-Platzierungspositionierung verwendet. Empfehlungen für die Markierungspunktgestaltung:

• Meistens 1 mm kreisförmig;
• Lötauffnungsmasken um die Markierungspunkte herum belassen;
• Drei Markierungspunkte auf der Platine sollten symmetrisch mit konsistenter Hintergrundkupferfolie angeordnet sein.

13. PTH/NPTH-Löcher: Träger für Verbindung und Befestigung

• PTH (Metallisiertes Loch): Wird für elektrische Verbindungen verwendet;
• NPTH (Nichtmetallisches Loch): Wird für strukturelle Positionierung, Schraubeninstallation usw. verwendet.

Lochattribute müssen während der Verarbeitung genau in der technischen Datei markiert werden, um Nacharbeiten zu vermeiden.

Fazit: Die Beherrschung von Schlüsseldetails führt zu hochwertigem PCB-Design

PCB-Design ist nicht einfach "Zeichnen", sondern ein komplexes System-Engineering-Projekt, das elektrische Leistung, Prozessierbarkeit, Produktionskosten und zukünftige Wartung berücksichtigt. Das Verständnis der Designlogik und der technischen Bedeutung hinter jedem Begriff ist der Ausgangspunkt für einen professionellen PCB-Ingenieur.