Projekt Schaltungsdesign und Leiterplattenfertigung. 3.Semester

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1 Entwurfsprinzipien ein- und doppelseitiger Platinen Projekt Schaltungsdesign und Leiterplattenfertigung 3.Semester Seite 1 von 25

2 Inhaltsverzeichnis 1 Literaturquelle Wozu braucht man einen Leiterplattenentwurf? Garnicht so lange ist es her Leiterplattenentwicklung mit CAD-Systemen Vorhandene Standards Der Schaltplan Maßeinheiten Einige Umrechnungen Arbeiten mit einem Rastermaß Snap Grid Screen-Grid Die Arbeit von "oben" Leiterbahnbreite Leiterbahnbreite Leiterbahnbreite Leiterbahnbreite Verzinnen von Leiterbahnen Lötfüßchen (Pads) Durchkontaktierungen...22 Seite 2 von 25

3 18 Polygone Abstände elektrischer Leiter...24 Seite 3 von 25

4 1 Literaturquelle PCB Design Tutorial von David L.Jones Revision A - June 29th 2004 englische Version: deutsche Version: Seite 4 von 25

5 2 Wozu braucht man einen Leiterplattenentwurf? PCB: Printet Card Board PCB-Design ist der Entwurf gedruckter schaltungen auf einer Leiterplatte integraler Bestandteil der Schaltungsentwicklung Design entscheidet über die Funktion der Schaltung PCB-Design ist ein kreativer Prozess jeder Entwickler hat seinen eigenen Stil aber : Was gut aussieht muss nicht auch gut funktionieren Seite 5 von 25

6 3 Garnicht so lange ist es her... in den Zeiten vor der Verwendung von Computern, erfolgt Leiterplattenentwurf von Hand Erste Entwürfe mit Bleistift und Papier Übertragen des Layouts auf die Leiterplatte mit Abreibesymbolen, Selbstklebenden Streifen oder Zeichnen von Hand auf Folien zum anschließenden Belichten im Hobbybereich wurden die Layouts direkt auf die Kupferfläche aufgebracht Verwendung von Permanentmarkern, Nitrolack mit Tuschefedern oder Abreibesymbolen Entwurf einer Leiterplatte dauerte oft mehrere Tage oder gar Wochen Seite 6 von 25

7 4 Leiterplattenentwicklung mit CAD-Systemen CAD - Computer Aidet Design CAM - Computer Aidet Manufacturing Professionelle Anwender : Protel, Orcad Semiprofessionelle anwender : Eagle, Target Freeware-Versionen mit Beschränkungen der Pinanzahl, Leiterplattengröße, Anzahl der Kupferebenen Sinnvoll Nutzbare Systeme enthalten : Schaltplaneditor Layouteditor Bauelementebibliotheken Seite 7 von 25

8 5 Vorhandene Standards Industriestandards für jeden Aspekt der Leiterplattenentwicklung überwacht vomipc (Institute for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits) Hauptdokument für Leiterplattendesign ist IPC-2221 (Generic Standard on Printed Board Design) Lokale Standards in den verschiedenen Ländern ipc-standards aber weltweit akzeptiert Seite 8 von 25

9 6 Der Schaltplan Grundbedingung für den Entwurf einer Leiterplatte: vollständiger und akkurater Schaltplan ohne akkuraten Schaltplan --> Chaos im Schaltplan fließen die Signale von links nach rechts bei größern Stromlaufplänen werden Verbindungen für Masseleitungen(GND) und Versorgungsleitungen mit den Entsprechenden Symbolen markiert und nicht als Leitung eingetragen bei vielen parallel laufenden Datenleitungen -- > Busdarstellung verwenden Bauelemente, die auf der leiterplatte nebeneinabder liegen sollen, werden im Schaltplan auch so eingezeichnet(z.b. Abblockkondensatoren an der Stromversorgungsanschlüssen) Hinweise im Schaltplan zum Layout sind oft sinnvoll Seite 9 von 25

10 7 Maßeinheiten Grundfrage : zöllig oder metrisch fast alle Bauelemente basieren auf Zoll-Einheiten Rastermaß für Pinabstände : wenige Ausnahmen mit metrischen Abmessungen Problem : "krummer" Umrechnungsfaktor daher Anwendung der Zollmaße sinnvoll 1thou = 1/1000 inch = 0,0254mm= 25,4µm 1mil = 1milli-Inch= 1thou thou verwenden wegen der Verwechslungsgefahr mil-mm Merke: thou für das Layout, mm für die äußeren mechanischen Abmessungen, Befestigungslöcher... Seite 10 von 25

11 8 Einige Umrechnungen thou inch mm 50 0,05 1, ,1 2, ,2 5,08 Werte über 100 thou werden oft in Inch angegeben 150thou = 0,15inch andere Bezeichnung für inch ist pitch z.b. 0,1pitch oder einfach nur 0,1 im IPC-Standard metrische Angaben, in der Praxis immernoch Zoll Seite 11 von 25

12 9 Arbeiten mit einem Rastermaß 9.1 Snap Grid snap-grid -->Mauszeiger rastet an den entsprechenden Gitterpunkten ein Standardraster ist 100thou (2,54mm) für einfache Layouts vereinfacht das Anordnen der Bauelemente auf der Leiterplatte vereinfachttes Verlegen der Leiterzüge, Leiterbahnen treffen immer mittig auf die Lötaugen Rastermaß zum Leiterbahn verlegen 50thou, wird benötigt um zwischen anschlußpins hindurchzukommen bei Platzproblemen kann das Raster dann verkleinert werden dabei immer gerade Bruchteile des Standardrasters verwenden 100thou, 50 thou, 25thou.. Seite 12 von 25

13 9.2 Screen-Grid Bildschirmraster umabhängig vom Snap-Grid Anzeige als Punktraster oder Linienraster als Zeichenhilfe dient der Orientierung bei großen Leiterplatten Seite 13 von 25

14 10 Die Arbeit von "oben" Blickrichtung in alle Layout-Programme ist von oben auf die Leiterplatte Blick durch alle Lagen hindurch Lagen wie Folien, die übereinander liegen Lagen werden mit unterschiedlichen Farben dargestellt Kupferlagen, Bauelementemarkierungen, Texte auf der Leiterplatte als getrennte Lagen betrachtet Texte auf der Unterseite müssen gespiegelt werden Wird als Durchblickmethode bezeichnet Seite 14 von 25

15 11 Leiterbahnbreite keine empfohlenen Standards für die Leiterbahnbreite Breite der Leiterbahnen abhängig von: elektrischen Erfordernissen des Designs Platz für das Routen Leiterbahnabständen Grundsätzlich gilt: je breiter, desto besser und billiger breite Leiterbahnen haben niedrigeren Widerstand, geringere Induktivität, sind leichter und billiger Herzustellen und zu Prüfen untere Grenze der Leiterbahnbreite hängt vom Hersteller ab Hersteller gibt z.b. an: 10/8 bedeutet Breite 10thou, Abstand 8thou in der Praxis üblich 10/10 oder 8/8 im IPC-Standard 4 thou als untere Grenze, in der Praxis nicht kleiner als 6thou Seite 15 von 25

16 12 Leiterbahnbreite 2 beim Routen anfangs 25thou für normale Leitungen, 50thou für Power und GND 10 bis 15thou beim Durchleiten zwischen den IC-Anschlüssen necking oder necking down necking Down Quelle: PCB Design Tutorial von David L.Jones Seite 16 von 25

17 13 Leiterbahnbreite 3 in der Praxis Leiterbahnbreite abhängig von der Stromstärke und dem maximal zulässigen Temperaturanstieg in der Leiterbahn sowie Dicke der Kupferfolie Zusätzliche Verzinnung spielt keine große Rolle Angabe der Kupferdicke auf der Leiterplatte in Unze pro Quadratfuß üblich: 1 Unze pro Quadratfuß (1oz) entspricht 35µm jedoch auch möglich 0,5oz, 2oz, 4oz allgemein gilt: 10 C Temperaturanstieg sind akzeptabel allerdings gilt immernoch: je breiter, je besser Seite 17 von 25

18 14 Leiterbahnbreite 4 Tabelle: Breite in thou für verschiedene Strombelastungen und Kupferdicken (1oz=35µm, 2oz=70µm) Seite 18 von 25

19 15 Verzinnen von Leiterbahnen weit verbreitete Unsitte, die Strombelastbarkeit von Leiterbahnen durch dickes Verzinnen erhöhen zu wollen Fakt ist : Der spezifische Widerstand von Kupfer beträgt 17,8mΩ mm 2 /m Der spezifische Widerstand von Lötzinn Sn60Pb beträgt ca. 150mΩ mm 2 /m Schicht aus Lötzinn muss ca. 8,4 mal dicker sein, um den gleichen Widerstand zu erreichen wie eine Kupferbahn besser ist Auflöten von massivem Kupferdraht oder Aufschrauben von Kupferschienen Seite 19 von 25

20 16 Lötfüßchen (Pads) Padgrößen, -formen und -abmessungen abhängig vom Bauteil und Herstellungsprozess wichtigster parameter ist das verhältnis Padgröße zum Bohrlochdurchmesser bezeichnet als Pad/Hole-Ratio Einen wichtigen Parameter müssen Sie kennen, nämlich das Verhältnis von Padgröße zu Bohrlochweite (pad/hole ratio). jeder Hersteller hat seine eigene Minimalspezifikstion für dieses Verhältnis Grundregel kann gelten, das Pad sollte mindestens um das 1,8 fache größer sein als der Bohrlochdurchmesser oder sogar noch 0,5mm größer deckt Ausrichtungstoleranzen hinsichlich des Bohrens sowie Toleranzen in den Druckvorlagen für Ober- und Unterseite der Leiterplatte ab umso wichtiger, je kleiner Pad und Bohrloch werden bedeutsam für Durchkontaktierungen (Vias) Seite 20 von 25

21 Verbreitete Praktiken: Pads für "durchgeschossese" Bauteile z.b. Widerstände, Kondensatoren und Dioden sollten rund sein mit einem Durchmesser von etwa 70thou. Dual In Line (DIL) - Bauteile, wie z. B. ICs sollten besser ovale Pads haben, etwa 60thou hoch und thou breit Pin 1 eines Chips sollte immer eine andere Form haben, (rechteckig aber mit den gleichen Abmessung wie die anderen SMD-Bauteile verwenden rechteckige Pads, surface mount SO Package ICs (SOICs) ovale Pads, mit Pin 1 rechteckig Andere Bauteile, mit Pin-Nummerierung ebenso Achteckige Pads vermieden werden grundsätzlich runde oder ovalevpads, es sei denn sie müßten rechteckige verwenden. Seite 21 von 25

22 17 Durchkontaktierungen verbinden die Leiterbahnen der einen Leiterplattenseite mit denen der anderen Seite durch "Durchlöchern" Auf allen billigen, einfach strukturierten Prototypen Vias durch elektrisch leitende (innen verzinnte) Löcher--> Plated Through Holes (PTH) kein Unterschied zwischen einer Durchkontaktierung und einem Pad Unterschiede in Layout-Programmen werden sepperat hergestellt und behandelt generelöcher in Durchkontaktierungen sind gewöhnlich kleiner als die Bauteilfüßchen es bei einem Pad erfordern würden - typischerweise 0,5-0,7mm. Seite 22 von 25

23 18 Polygone füllen freie Flächen mit Kupfer Erstellung von Masseflächen Polygone werden erst dann erstellt, wenn alle Leiterzüge verlegt sind gefülltes Polygon Gitternetz-Polygonl Quelle: PCB Design Tutorial von David L.Jones Seite 23 von 25

24 19 Abstände elektrischer Leiter Clearances Mindestabstände sind auf jeden Fall einzuhalten bei zu geringen Abständen Probleme beim Ätzen Gefahr von Kurzschlüssen bei normalen Layouts Clearances mind 15thou bei SMD-Schaltungen sind BE-Raster kleiner, daher 8-10thou Rücksprache mit der Herstellerfirma bei kleineren Abständen bei 230 Volt auf der Leiterplatte Mindestabstand 315thou zwischen Spannungsführenden Leitungen und Signalleitungen Besser sind jedoch größeren Abstände Abstände müssen bei Außenlayern größer gewählt sein als bei Innenlayern Beschichtung der Leiterzüge und Luftdruck spielt auch eine Rolle Seite 24 von 25

25 20 Mindestabstände bei verschieden Spannungen Seite 25 von 25