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Wie entwirft man eine Leiterplatte für Anfänger? Ultimativer Leitfaden 2023

Views: 528 Autor: Site-Editor Veröffentlichungszeit: 2023-03-16 Herkunft: Site

Dieser Beitrag ist der erste einer Reihe darüber PCB-Design. In diesem Teil geht es hauptsächlich um die Details, die Sie kennen und anwenden müssen, bevor Sie mit dem PCB-Layout beginnen (von nun an wird im Text die Abkürzung PP verwendet), während es im zweiten Teil hauptsächlich um die Gestaltung der Leiterplatten selbst geht und Nachbearbeitung.

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Steckbretter eignen sich gut für die Prototypenerstellung und sind ein sehr nützliches Werkzeug, aber wenn Sie etwas Ernstes tun müssen, müssen Sie wissen, wie Sie Ihre Leiterplatte herstellen.

Erstellen einer Leiterplatte ist nicht einfach, aber mit ein wenig Ausdauer und Zeit wird Ihnen dieser Leitfaden dabei helfen, Ihre erste Leiterplatte zu erstellen.

Anatomie von PP

Wenn Sie an Ihrem Computer arbeiten, erscheint jede Aufgabe abstrakt, aber vergessen Sie nicht, dass Sie mit realen physischen Umgebungen und Materialien arbeiten. Bevor man sich mit dem Design von Boards beschäftigt, wäre es gut zu verstehen, wie sie hergestellt werden.

Wenn Sie wissen, was und wie es gemacht wird, können Sie sicher mit dem nächsten Abschnitt fortfahren.

Materialien für PP

Schauen wir uns zunächst an, welche Materialien für die Herstellung verwendet werden. Die Basis für die Leiterplatte besteht aus einem festen, nicht leitenden Material. Dieses Material ist mit einer Schicht aus Kupfer (oder einem anderen Metall) bedeckt, die die leitende Schicht bildet.

Normalerweise besteht die Basis aus Glasfaser, bekannt als FR-4. Dies ist das am häufigsten verwendete Material, da es feuerfest und kostengünstig ist und eine geringe Eigenleitfähigkeit aufweist.

Andere Arten von Materialien werden für Hochleistungsschaltkreise (HF) verwendet, beispielsweise Keramik oder PTFE. Im Rahmen dieser Artikel gehen wir nicht auf Hochfrequenzschaltungen ein. Wenn Sie Ihren PCB-Entwurf an die Fertigung schicken oder Ihre Platine herstellen, werden elektrische Verbindungen normalerweise durch Entfernen ausgewählter Kupferabschnitte von einer gemeinsamen Leiterschicht hergestellt.

Schichten

Einschichtige Leiterplatten sind sehr einfach herzustellen und zu entwerfen. Die günstigste PP-Variante ist einseitig, d. h. auf Glasfaser kommt nur eine Lage Kupfer zum Einsatz. Wenn Sie PP zu Hause herstellen möchten, wird es höchstwahrscheinlich einseitig sein. Angenommen, Ihr Platinenlayout passt nicht in eine Ebene. In diesem Fall müssen Sie für die elektrischen Verbindungen externe Brücken verwenden, was bereits bei der Montage von Funkkomponenten unpraktisch sein kann.

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Die meisten kommerziellen und Hobbyprojekte basieren auf zweischichtigen Leiterplatten. Ihre Verwendung ermöglicht die Entwicklung komplexerer und eleganterer Platinendesignlösungen.

Je komplexer die Strukturen werden, desto mehr zusätzliche Metallisierungsschichten erfordert PP. Normalerweise reichen zwei Schichten aus, und wenn keine Notwendigkeit besteht, weitere Schichten hinzuzufügen, ist es besser, dies nicht zu tun, da die Herstellung von Mehrschichtplatten viel teurer ist.

Kupferschienen

Wie oben erwähnt, entstehen Kupferbahnen (elektrische Verbindungen), indem überschüssiges Kupfer von der Oberfläche der metallisierten Schicht entfernt wird. Im zweiten Artikel werden weitere Details zu den wichtigen Aspekten elektrischer Verbindungen besprochen.

Vias

Eine der Hauptkomponenten von Leiterplatten sind Durchkontaktierungen, die in Doppel- und Mehrschichtplatinen verwendet werden, um eine Beschichtungsschicht elektrisch mit einer anderen zu verbinden.

Es gibt verschiedene Arten von Durchkontaktierungen:

1. Durchkontaktierungen – der am häufigsten verwendete Typ. Das Loch wird durch die gesamte Platine gebohrt und plattiert, um einen elektrischen Kontakt mit den Schichten herzustellen.

2. Blind Vias – Löcher, die die äußere Schicht mit einer oder mehreren inneren Schichten verbinden.

3. Versteckte (vergrabene Vias) – Vias, die nicht nach außen führen und die Signale auf den inneren Schichten verbinden.

4. Micro-Via oder uVia – Mikrolöcher oder Löcher mit kleinem Durchmesser und geringer Tiefe, die durch Laser oder Bohren mit Tiefenkontrolle hergestellt werden und die äußere Schicht mit der inneren verbinden.

Das ist alles, was Sie über Vias wissen müssen.

Konzepte für den Entwurf von Leiterplatten

Lassen Sie uns noch ein paar weitere Konzepte für den Aufbau von Leiterplatten analysieren und auf einige andere Leiterplattenschichten eingehen, deren Zweck verstanden werden muss.

1. Lötstopplack – wenn Sie jemanden fragen, was eine Platine ist, wird er sagen, dass es etwas Grünes ist. Bei diesem grünen handelt es sich um die Lötstoppmaske, die die Leiterplatte schützt und verhindert, dass Lötpaste auf unerwünschte elektrische Kontakte auf der Platine gelangt. Übrigens ist es nicht unbedingt grün, sondern fast jede Farbe. Es hängt alles vom Board-Hersteller ab.

2. Passmarken – Diese spezielle Markierung auf der Platine ermöglicht es automatischen Komponentenmontagesystemen, Elemente während der Installation auf der Platine zu kalibrieren und korrekt zu installieren. Es handelt sich um kleine Metallkreise, die nicht von einer Lötmaske bedeckt sind.

3. Siebdruck – das ist eine weitere Schicht, die während der Produktion auf die Platte aufgetragen wird. Beim Siebdruck handelt es sich um Zeichnungen auf der Platine, die dem Benutzer Hinweise geben, die Komponente auf der Platine anhand ihrer Platzierung oder ihres Werts identifizieren und andere Informationen liefern.

4. Kupferfüllungen – Abschnitte aus Kupfer, die elektrisch mit Erde oder Strom verbunden sind; Das Erstellen von Polygonen ist ein sehr wichtiger Teil des PCB-Designs. Polygone reduzieren Gerätegeräusche und entfernen überschüssige Wärme von leistungsstarken aktiven Komponenten.

Schemadesign

Bevor Sie über Platinendesign oder Geräteschaltpläne nachdenken, müssen Sie wissen, was Sie entwerfen möchten. Sie müssen überlegen, was Sie bauen möchten, und die richtigen Komponenten auswählen.

Definieren Sie Ihre Ziele

Der erste Schritt zu einem erfolgreichen Gerätedesign besteht darin, die richtigen Ziele für das zu haben, was Sie erreichen möchten. Sie sollten sich für Ihr Projekt immer kluge Ziele setzen, das heißt:

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1. Spezifisch

2. Messbar

3. Erreichbar

4. Realistisch

5. zeitgebunden

Ich habe zum Beispiel angefangen, an einem persönlichen Projekt für meine Bedürfnisse zu arbeiten. Das Licht im Badezimmer meiner Wohnung ist abends schwach, aber wenn ich die künstliche Beleuchtung einschalte, ist das Licht recht hell und nicht unangenehm.

Es wäre möglich, eine Lampe mit weniger Leistung zu kaufen, aber nehmen wir an, dass sie nicht im Angebot ist oder nirgendwo weniger zu finden ist. Und ich habe beschlossen, meine Lampe zu bauen, die Farbe und Helligkeit ändert und drahtlos gesteuert werden kann.

Klingt ziemlich cool; Bevor mir die Idee aus dem Kopf geht, setzen wir uns an den Computer und beginnen mit der Planung. Zu diesem Zeitpunkt sind meine Ziele sehr breit gefächert:

1. Die Lampe sollte mehrfarbig sein

2. dimmbar

3. Drahtlose Steuerung

Keines dieser Ziele ist projektspezifisch. Was versteht man unter mehrfarbig? Zwei, drei oder beliebig viele Farben? Was ist dimmbar? Drahtlose Steuerung, wie? WLAN, Zigbee, Bluetooth oder vielleicht Sprache? Alle Wege sind möglich.

Lassen Sie uns unsere Ziele ein wenig umformulieren, um sie intelligenter zu machen:

· Stufenlos einstellbare RGB-LEDs mit hoher Helligkeit, überzogen mit Acryl für gleichmäßige Lichtstreuung.

· Helligkeitssteuerung, mit der ich jede Helligkeit von völlig aus bis zur maximalen Helligkeit der LEDs wählen kann.

· Bluetooth Low Energy 4.0-Schnittstelle zur Steuerung von Parametern von iOS- und Android-Geräten.

Jetzt sind alle unsere Ziele ziemlich konkret.

Visualisieren Sie Ihr Konzept

Nachdem Sie nun eine klare Idee für Ihr Projekt haben, ist es an der Zeit, mit dem Entwurf zu beginnen. Bevor Sie mit der Suche nach Komponenten und dem Zeichnen von Schaltplänen beginnen, empfehle ich Ihnen, sich ein klares Bild davon zu machen, wie Ihr Design funktionieren soll. Wir müssen ein Funktionsdiagramm des Geräts zeichnen, was mit was verbunden ist und wie es funktioniert.

Sie wissen noch nicht, welche Art von Stromversorgung Sie benötigen oder welche Anschlüsse sich auf der Platine befinden sollen, aber Sie wissen bereits, wie die Komponenten angeschlossen werden und welche zusätzlichen Komponenten im Projekt benötigt werden.

Dies ist ein guter Zeitpunkt, um über den ästhetischen Aspekt Ihres Designs nachzudenken. Möchten Sie das Board in einen bestimmten Formfaktor einpassen? Sollte Ergonomie berücksichtigt werden? Können Sie Ihr Projekt in einem Jahr eröffnen und verstehen, wie es funktioniert? Diese scheinbar unbedeutenden Details unterscheiden gutes Design von sehr gutem Design.

Komponentenauswahl

Dies ist vielleicht der langwierigste Schritt im Designprozess, aber er ist der Schlüssel zum Erfolg des Projekts. Die Auswahl der richtigen Komponenten entscheidet darüber, ob Sie ein Projekt erfolgreich abschließen oder es aus Verzweiflung aufgeben.

Hersteller integrierter Schaltkreise arbeiten hart daran, die funktionsfähigsten Komponenten zu den niedrigsten Kosten herzustellen. Allerdings sind in diesem Rennen noch nicht alle Unternehmen gleichberechtigt, insbesondere wenn es um die Benutzerfreundlichkeit der Komponenten geht.

Bei der Auswahl unter den Millionen verschiedener Komponenten auf dem Markt ist es sehr schwierig, eine vollständige Auswahlhilfe zu geben. Dennoch kann ich Ihnen einige Tipps geben, die Ihnen bei der Auswahl der besten Komponenten für Ihre Anwendung helfen.

1. Prüfen Sie die Verfügbarkeit

 Wählen Sie Komponenten aus, die im Überfluss vorhanden und bei verschiedenen Händlern erhältlich sind. Das Letzte, was Sie tun möchten, ist, Ihr Projekt für ein paar Wochen oder sogar Monate auf Eis zu legen, nur weil eine Schlüsselkomponente Ihres Projekts beim Lieferanten nicht vorrätig ist.

2. Berücksichtigen Sie den Produktionszyklus Ihrer Komponenten

 Manchmal werden Komponenten abgekündigt und Sie müssen das Projekt möglicherweise nach kurzer Zeit ändern. Befindet sich Ihr Gerät jedoch in einer Einzelinstanz, spielt dies keine wesentliche Rolle.

3. Verwenden Sie Filter nach Komponenten

 Viele Online-Shops bieten auf der Website sehr funktionale Filter nach Komponentenparametern sowie nach Kosten und Verfügbarkeit an. Nutzen Sie sie, wählen Sie Komponenten mit optimalen Parametern für Sie aus und filtern Sie sie dann nach Kosten.

4. Denken Sie an die Mindestmenge

 Viele Komponenten werden nur in Mindestmengen ab 1000 Stück verkauft.

5. Wählen Sie die richtige Hülle. 

Achten Sie bei der Auswahl der Komponenten auf das Gehäuse, in dem sie hergestellt werden. Sie sollten keine Komponente kaufen, die Sie später nicht verkaufen können.

6. Untersuchen Sie die Komponente

 Lesen Sie vor dem Kauf unbedingt die Dokumentation der Komponente, damit es in Zukunft keine Probleme bei der Verwendung im Projekt gibt.

Sobald die Komponenten ausgewählt sind, können Sie sie bestellen. Ich bestelle gerne über Online-Shops wie mouser.com oder digikey.com. Das ist natürlich rein meine Präferenz. Wenn Sie weitere relevante Anbieter kennen, können Sie in den Kommentaren darüber schreiben.

Zeichnen Sie Ihre Verbindungen

Der letzte Schritt vor Beginn der Arbeit mit der Software besteht darin, einige der wichtigsten Punkte des Projekts zu Papier zu bringen. Die am besten geeignete Option besteht darin, jeden Block einzeln auf verschiedenen Notizbuchseiten zu malen.

Sie können auch alle notwendigen Notizen darüber machen, was funktioniert und wofür dieser oder jener Pin verantwortlich ist. Geben Sie außerdem zusätzliche Informationen ein, die während des Designprozesses benötigt werden. Es kann beispielsweise mühsam sein, im Datenblatt nach den I2C-Adressen der Mikroschaltung zu suchen und diese in einen Notizblock einzutragen.

Nachdem Sie alle Notizen ausgefüllt haben, können Sie mit dem Designprozess der Leiterplatte selbst fortfahren. 

Über den Autor

Ich bin seit 2015 als Leiter für Technik und Vertrieb bei Victorypcb tätig. In den letzten Jahren war ich für alle Messen im Ausland verantwortlich, beispielsweise in den USA (IPC Apex Expo), Europa (Munich Electronica) und Japan (Nepcon) usw. Unsere Fabrik wurde 2005 gegründet 1521, jetzt haben wir XNUMX Kunden auf der ganzen Welt und genießen bei ihnen einen sehr guten Ruf.

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