Leiterplatten spielen heute in der Elektronik eine entscheidende Rolle. Diese Platinen dienen zur Aufnahme und Verbindung verschiedener elektronischer Teile und ermöglichen so den einfachen und kostengünstigen Bau elektronischer Geräte. Dieser Artikel konzentriert sich auf 4-lagige Leiterplatten Wird für kompliziertere elektronische Geräte verwendet.
PCB: Eine kurze Erklärung
Eine Leiterplatte oder PCB ist eine Isolierplatte, die elektronische Teile hält und verbindet. Die Leiterbahnen auf diesen Platinen werden verwendet, um die verschiedenen Teile eines elektronischen Geräts zu verbinden.
Bedeutung von PCB:
Leiterplatten (PCBs) spielen in der modernen Elektronik eine entscheidende Rolle, denn sie ermöglichen den einfachen und kostengünstigen Bau elektronischer Geräte. Leiterplatten erleichtern die effiziente und präzise Verbindung elektronischer Teile. Dies kann die Entwicklung beschleunigen und die Herstellung kostengünstiger machen.
Was ist eine 4-Lagen-Leiterplatte und welche Funktion erfüllt sie?
Eine 4-Lagen-Leiterplatte ist eine Art von mehrschichtige Leiterplatte mit vier Schichten aus leitfähigem Material, getrennt durch Schichten aus Material, das keinen Strom leitet. Diese Schichten werden verwendet, um die verschiedenen Teile eines elektronischen Geräts zu verbinden. Sie können auch zur Herstellung von Strom- und Masseebenen verwendet werden, was zur Signalintegrität und Rauschreduzierung beitragen kann.
Leiterplatten mit vier Schichten werden häufig in Computern, Smartphones und medizinischen Geräten mit vielen beweglichen Teilen verwendet. Wenn viele Teile verbunden werden müssen und Signalqualität und Rauschunterdrückung sehr wichtig sind, kommen diese Platinen zum Einsatz.
Warum wurde dieser Artikel geschrieben?
In diesem Artikel befassen wir uns ausführlich mit dem Layout, dem Design und den Kosten einer 4-Lagen-Leiterplatte. Wir werden verschiedene Teile davon besprechen 4-lagige LeiterplattenB. das Design der Platine, Kostenfaktoren, Designüberlegungen, den Herstellungsprozess, Designtools, häufige Designprobleme sowie Prototyping und Tests.
Entwerfen einer 4-Lagen-Leiterplatte
Pläne für das Layout erstellen
Bei der Herstellung einer 4-Lagen-Leiterplatte besteht der erste Schritt in der Planung des Layoutdesigns. Das bedeutet, dass Sie entscheiden müssen, wo die verschiedenen Teile auf der Platine platziert werden, wo die Strom- und Masseebenen hinkommen und wie die Leiterbahnen verlegt werden.
Wie liest man einen Schaltplan?
Bevor Sie das Layout erstellen, ist es wichtig zu wissen, wie das elektronische Gerät funktioniert (Schaltplan genannt). Der Schaltplan gibt einen detaillierten Überblick über alle Teile und deren Verbindung.
Auswahl der Teile
Der nächste Schritt besteht darin, zu entscheiden, welche Teile in das elektronische Gerät eingebaut werden. Das bedeutet, dass Sie die richtigen Widerstände, Kondensatoren und Transistoren sowie die richtigen Werte und Spezifikationen auswählen müssen.
Einsetzen der Teile
Nach der Auswahl der Teile müssen diese auf die Tafel gelegt werden. Die Komponenten sollten hinsichtlich Signalintegrität, Rauschunterdrückung und Wärmemanagement am besten geeignet sein.
Den Signalwegen auf der Spur
Nachdem Sie die Teile auf der Platine platziert haben, besteht der nächste Schritt darin, herauszufinden, wohin die Signale gehen. Dies geschieht durch das Verlegen der Leiterbahnen, die die verschiedenen Teile der Platine verbinden. Die Spuren sollten so eingerichtet werden, dass die beste Signalqualität und das geringste Rauschen erzielt werden.
Der Stapelaufbau wird erklärt.
Die Stapelstruktur zeigt, wie viele Schichten vorhanden sind und in welcher Reihenfolge sie angeordnet sind. Die Stapelstruktur für eine 4-schichtige Leiterplatte besteht normalerweise aus zwei Signalschichten, einer Leistungsschicht und einer Erdungsschicht.
Wie wurden die Motorflugzeuge hergestellt?
Die Powerplanes versorgen die verschiedenen Teile auf der Platine mit einer stabilen Spannungsquelle. Die Powerplanes sollten so gebaut sein, dass sie möglichst wenig Lärm machen und den Komponenten genügend Leistung geben.
Die Flugzeuge für den Boden bauen
Die Masseebenen verbinden die verschiedenen Teile der Platine stabil mit dem Boden. Die Grundplatten sollten so gestaltet sein, dass sie möglichst wenig Lärm machen und bieten
Design
Signalstärke
Die Signalintegrität ist ein wichtiger Teil des PCB-Designs, der sicherstellt, dass das Signal dort ankommt, wo es hin muss, ohne dass es durcheinander kommt. Um die Integrität des Signals sicherzustellen, verwenden Entwickler Tools wie Impedanzrechner, um die Breite, den Abstand und den Aufbau der Leiterbahnen zu ermitteln.
Power-Integration
Ein weiterer wichtiger Teil des PCB-Designs ist die Stromintegrität. Das bedeutet, sicherzustellen, dass die Stromversorgung alle Teile ohne Spannungsabfälle oder -änderungen erreicht. Beim Entwurf des Stromverteilungsnetzes müssen Spannungsabfall, Rauschen, Welligkeit und Einschwingverhalten berücksichtigt werden. Der Einsatz der richtigen Techniken zur Entkopplung und Filterung kann zur Verbesserung der Energieintegrität beitragen.
Impedanzregelung
In Hochgeschwindigkeits-Digital- und HF-Schaltkreisen ist die Kontrolle der Impedanz sehr wichtig. Die Impedanz der Signalleiterbahnen und Leistungsebenen sollte mit der der Quelle und der Last übereinstimmen, um Signalreflexionen und Überschwingungen zu verhindern. Kontrolliertes Impedanz-Routing und Differenzialpaar-Routing sind zwei Möglichkeiten zur Impedanzsteuerung, die zur Aufrechterhaltung der Signalintegrität beitragen.
EMI/EMV-Konformität
Moderne Leiterplattendesigns müssen den Regeln für elektromagnetische Interferenz (EMI) und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) entsprechen. Unter EMI versteht man die unerwünschte Strahlung oder Emissionen des Schaltkreises, und unter EMC versteht man, wie gut der Schaltkreis in der Nähe anderer elektronischer Geräte funktioniert. Durch den Einsatz geeigneter Erdungs-, Abschirmungs- und Filtertechniken können EMI reduziert und die EMV-Konformität verbessert werden.
Kümmert sich um die Hitze
Das Wärmemanagement ist wichtig bei PCB-Designs für Leistungselektronik und Hochgeschwindigkeitsprozessoren, die viel Wärme erzeugen. Ein schlechtes Wärmemanagement kann zu Problemen mit der Leistung, Zuverlässigkeit und sogar Sicherheit führen. Beim Erstellen des Layouts für eine Leiterplatte müssen Designer darüber nachdenken, wie sich Wärme bewegt, wie der Wärmewiderstand funktioniert und wie die Temperatur im Raum ist.
Zuverlässigkeit und die Fähigkeit, es zu schaffen
Zuverlässigkeit und Machbarkeit sind wichtige Bestandteile des PCB-Designs. Ein zuverlässiges PCB-Design sollte in allen Situationen und über einen langen Zeitraum hinweg funktionieren. Ein Entwurf für eine Leiterplatte, der hergestellt werden kann, sollte einfach herzustellen, zusammenzusetzen und zu testen sein. Es dürfen keine Konstruktionsfehler vorliegen, die zu Herstellungsfehlern oder Ertragseinbußen führen.
Testen und Verifizieren
Tests und Verifizierung sind sehr wichtig, damit ein PCB-Design funktioniert. Mithilfe von Simulationstools, Prototypen und Funktionstests müssen Designer das Design überprüfen, um sicherzustellen, dass es den Designanforderungen und -spezifikationen entspricht. Tests auf Signalintegrität, Leistungsintegrität, EMI/EMV-Konformität, thermische Leistung und Zuverlässigkeit sind allesamt Teil der Funktionstests.
Die Schritte zur Herstellung einer Leiterplatte
Die Herstellung einer Leiterplatte umfasst Bildübertragung, Ätzen, Bohren, Plattieren, Oberflächenveredelung, Lötstopplack und elektrische Tests. Der Prozess beginnt mit einer Bildübertragung, bei der ein Fotolackfilm das Schaltkreismuster auf das kupferkaschierte Substrat überträgt.
Durch den Ätzprozess wird das nicht benötigte Kupfer entfernt, sodass nur das Muster des Schaltkreises übrig bleibt. Durch Bohren und Fräsen werden Löcher und Schlitze für die Montage und Führung von Komponenten hergestellt. Galvanisierung und Oberflächenveredelung verbessern die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Leiterplatte.
Der Lötstopplack und der Beschriftungsdruck schützen die Kupferleiterbahnen und zeigen so auch, wo das Bauteil hingehört. Elektrische Tests stellen sicher, dass die elektrische Leistung der Leiterplatte den Standards entspricht.
PCB-Designtools
PCB-Designtools sind Computerprogramme, die Designern dabei helfen, Designs für Leiterplatten zu erstellen und zu ändern. Altium Designer, Eagle PCB, KiCAD und OrCAD sind allesamt bekannte PCB-Designtools.
Diese Tools können unter anderem Schaltpläne erfassen, Layouts bearbeiten, Bibliotheken verwalten, Designregeln überprüfen und Designs in 3D anzeigen. Designer müssen das richtige Tool basierend auf ihren Designanforderungen, Funktionen, Lizenzoptionen und Preis auswählen.
Häufige Designprobleme und wie man sie behebt?
PCB-Designs weisen häufig Probleme wie Signalübersprechen, Massesprung, Stromverteilungsprobleme, EMI/EMV-Probleme, Probleme beim Wärmemanagement, Herstellungsfehler sowie Fehlerbehebungs- und Debugging-Techniken auf. Designer müssen diese Probleme finden und lösen, um ein erfolgreiches PCB-Design zu erstellen.
Ein Ground Bounce tritt auf, wenn ein schnelles Schaltsignal dazu führt, dass die Spannung der Groundplane abfällt. Der Designer kann den Ground Bounce stoppen, indem er mehrere Ground Vias verwendet, einen Entkopplungskondensator hinzufügt und die Schleifenfläche so klein wie möglich macht.
Probleme bei der Stromverteilung: Spannungsabfälle, Rauschen und Induktivität können Probleme verursachen. Der Entwickler kann Probleme bei der Stromverteilung beheben, indem er mehr als eine Leistungsebene verwendet, Bypass-Kondensatoren hinzufügt und die Schleifenfläche kleiner macht.
EMI/EMV-Probleme: Unsachgemäße Abschirmung, Erdschleifen und Antenneneffekte können elektromagnetische Störungen und Kompatibilitätsprobleme verursachen. EMI/EMV-Probleme können durch zusätzliche Abschirmung, eine kleinere Schleifenfläche und die Verwendung der richtigen Erdungstechniken behoben werden.
Probleme mit dem Wärmemanagement können auftreten, wenn nicht genügend Kühlkörper, ausreichende Belüftung oder zu viele Komponenten vorhanden sind. Der Designer kann Probleme mit dem Wärmemanagement lösen, indem er thermische Durchkontaktierungen, Kühlkörper, Lüfter und Lüftungsschlitze hinzufügt.
Zuverlässigkeit
Beim Entwurf einer vierschichtigen Leiterplatte müssen Sie an mehr als nur die Leistung denken. Sie müssen auch über die Zuverlässigkeit und die einfache Herstellung nachdenken.
Hochwertige Teile mit nachweislicher Erfolgsbilanz können dazu beitragen, das Risiko eines Teilausfalls zu verringern und die Leiterplatte insgesamt zuverlässiger zu machen.
Die Herstellbarkeit ist ein weiterer wichtiger Aspekt, den es zu berücksichtigen gilt, da eine schlecht gestaltete Leiterplatte hart oder teuer sein kann. PCB-Designer sollten sicherstellen, dass das Layout der Platine für den Herstellungsprozess optimiert ist. Das bedeutet, dass die Platine die richtigen Abstände, Leiterbahnbreiten und andere Designparameter haben sollte, um es einfacher zu machen.
Test- und Designdiagnose
Tests können dabei helfen, Probleme oder Fehler im Entwurf zu finden, die während der Entwurfsphase möglicherweise übersehen wurden. Es kann auch dabei helfen, sicherzustellen, dass die Platine wie erwartet funktioniert.
Eine visuelle Inspektion kann dabei helfen, offensichtliche Probleme mit der Platine zu erkennen, und elektrische Tests können dazu beitragen, sicherzustellen, dass alle Verbindungen und Teile ordnungsgemäß funktionieren. Beim Funktionstest wird das Board in der realen Welt auf Herz und Nieren getestet, um sicherzustellen, dass es wie erwartet funktioniert.
Schlussfolgerung
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Herstellung einer 4-Lagen-Leiterplatte sorgfältige Überlegungen zu vielen Dingen erfordert, wie zum Beispiel dem Layout-Design, der Auswahl der Komponenten, den Kosten, Designüberlegungen, dem Herstellungsprozess, Tests und mehr. Durch die Befolgung von Best Practices und die Berücksichtigung all dieser Dinge können Designer leistungsstarke, zuverlässige und kostengünstige Leiterplatten für ihre Anwendungen herstellen.
