Bevor Sie Ihren Layout-Editor öffnen, nehmen Sie sich Zeit, um zu verstehen, wie der Standard-PCB-Designprozess von Anfang bis Ende abläuft. Direkt mit der Platzierung zu beginnen, ohne ein klares Bild des gesamten Workflows zu haben, ist einer der schnellsten Wege, sich später selbst Nacharbeit zu verschaffen.

Der Standard-PCB-Design-Workflow folgt dieser Sequenz:

1. Wählen Sie Kernkomponenten aus, die auf Lager und bei großen Distributoren erhältlich sind
2. Erstellen und überprüfen Sie Ihren Schaltplan anhand der technischen Anforderungen
3. Erstellen Sie ein leeres PCB, definieren Sie Ihren Stackup und legen Sie Designregeln fest
4. Importieren Sie Komponentendaten aus dem Schaltplan in das PCB-Layout
5. Platzieren Sie Komponenten und überprüfen Sie die Platzierung, um sicherzustellen, dass die technischen Anforderungen erfüllt sind
6. Verlegen Sie Leiterbahnen und Verbindungen zwischen den Komponenten
7. Bereinigen Sie das Layout und führen Sie eine abschließende Designüberprüfung durch
8. Generieren Sie Design-Ausgabedateien und reichen Sie sie zur Fertigung ein

Das Verständnis dieser Sequenz ist wichtig, da jeder Schritt vom vorherigen abhängt. Designer, die vorspringen – zum Beispiel Leiterbahnen verlegen, bevor die Platzierung abgeschlossen ist – müssen fast immer Arbeit rückgängig machen. Der Aufbau guter Gewohnheiten rund um den Workflow von Anfang an spart bei jedem nachfolgenden Design erheblich Zeit.

Ihr Schaltplan und Ihr PCB-Layout sind zwei Darstellungen desselben Designs. Jede Änderung, die in einer vorgenommen wird, muss in der anderen widergespiegelt werden. Dies ist eine der grundlegendsten Regeln des PCB-Designs, und die Verletzung dieser Regel – auch nur vorübergehend – führt zu Abweichungen, fehlenden Verbindungen und Fehlern, die später schwer nachzuvollziehen sind.

Alle der folgenden Änderungen, die in Ihrem Schaltplan vorgenommen werden, müssen in das PCB-Layout übernommen werden, bevor Sie fortfahren:

• Hinzufügen, Entfernen oder Austauschen von Komponenten
• Hinzufügen, Entfernen oder Ändern von Netzen
• Gruppieren von Netzen in Netzklassenobjekte
• Aktualisieren von Komponentenparametern wie Teilenummern oder Lieferanteninformationen
• Anwenden neuer elektrischer Regeln oder Direktiven auf Schaltplanobjekte

Moderne PCB-Designsoftware handhabt dies über eine Import- oder Synchronisationsfunktion. Nutzen Sie diese konsequent. Nehmen Sie Komponentenbearbeitungen im Schaltplan vor und importieren Sie sie in das Layout – nicht umgekehrt. Diese Disziplin hält Ihre Designdaten sauber und stellt sicher, dass die Designregel-Engine Ihre Absicht korrekt liest.

Jedes PCB, das Sie mit der Absicht entwerfen, als physisches Produkt herzustellen, muss in großem Maßstab herstellbar sein. PCB-Designsoftware ermöglicht es Ihnen, fast alles auf dem Bildschirm zu erstellen – aber nicht alles, was gezeichnet werden kann, kann zuverlässig innerhalb der Standardprozessfähigkeiten hergestellt werden.

Jeder PCB-Designer profitiert davon, Zeit mit den Grundlagen der PCB-Fertigung zu verbringen: wie Laminate verarbeitet werden, wie Kupferschichten aufgebaut werden, wie Bohren und Beschichten funktionieren, welche Oberflächenveredelungen verfügbar sind und was die praktischen Grenzen jedes Prozesses sind. Dieses Wissen prägt von Anfang an bessere Designentscheidungen, anstatt Probleme während einer DFM-Überprüfung (Design for Manufacturability) im Nachhinein zu erkennen.

DFM-Probleme – die Art, die dazu führen, dass Platinen zur Neugestaltung zurückgeschickt werden, bevor die Produktion beginnen kann – sind fast immer vermeidbar. Die Mehrheit entsteht aus Kupfermerkmalabmessungen oder -abständen, die außerhalb dessen liegen, was der gewählte Fertigungsprozess zuverlässig produzieren kann. Das Erlernen der typischen Fähigkeitsgrenzen eines Standard-PCB-Herstellers, bevor Sie entwerfen, spart sowohl Zeit als auch Geld.

Bei DuxPCB steht unser Ingenieurteam zur Verfügung, um Kundenentwürfe vor der Produktion auf Herstellbarkeit zu überprüfen. Wenn Sie unsicher sind, ob ein bestimmtes Designmerkmal innerhalb der Standardtoleranzen liegt, wenden Sie sich an uns, bevor Sie die Einreichung vornehmen – es ist weitaus einfacher, ein Layout anzupassen, als eine Charge von Platinen zu verschrotten.

Sobald Sie ein funktionierendes Wissen über den Fertigungsprozess haben, werden Designregeln intuitiv verständlich und fühlen sich nicht mehr wie willkürliche Einschränkungen an. Die meisten DFM-Probleme lassen sich auf eines von zwei Dingen zurückführen: Kupfermerkmale, die zu klein sind, oder Kupfermerkmale, die zu nah beieinander liegen.

PCB-Designsoftware wird mit Standard-Designregeln geliefert, die oft konservativ sind – manchmal zu konservativ für moderne Designs und gelegentlich nicht konservativ genug für die Fähigkeiten eines bestimmten Herstellers. Weder das blinde Befolgen der Standardeinstellungen noch das Ignorieren von Regelverstößen ist der richtige Ansatz.

Betrachten Sie den Pad-zu-Pad-Abstand als praktisches Beispiel. Die Software kann einen Designregel-Fehler bei einem Komponenten-Footprint melden, bei dem der Pad-Abstand etwa 9 mils beträgt. Viele Hersteller können jedoch zuverlässig minimale Abstände von etwa 5 mils produzieren – was bedeutet, dass die Standardregel übermäßig einschränkend ist. Umgekehrt führt das Unterschreiten der angegebenen Fähigkeiten Ihres Herstellers, weil es "auf dem Bildschirm funktioniert", zu Ertragsproblemen in der Produktion.

Der richtige Ansatz ist, die Fähigkeitsspezifikation Ihres Herstellers zu erhalten – minimale Leiterbahnbreite, minimale Abstände, minimale Bohrergröße, minimaler Ring usw. – und Ihre Designregeln entsprechend einzustellen. Entwerfen Sie für den tatsächlichen Prozess, nicht für einen generischen Standard.

Eines der hartnäckigsten Missverständnisse bei neuen PCB-Designern ist die Zurückhaltung bei der Verwendung einer dedizierten Ground Plane. Das ist verständlich – es fühlt sich an, als würde man eine ganze Schicht für einen einzigen Zweck verwenden. Aber in der Praxis ist das Fehlen einer soliden Ground Plane die Hauptursache für einen unverhältnismäßig großen Anteil an Rauschproblemen sowohl in digitalen als auch in analogen Designs.

Eine Ground Plane ist eine Kupferschicht – oder eine große Kupferfläche –, die ausschließlich dem Massepotenzial gewidmet ist. Sie bietet einen niederimpedanten Rückweg für jedes Signal auf der Platine, unterdrückt elektromagnetische Interferenzen, stabilisiert Spannungsreferenzen und vereinfacht Ihr Routing, indem sie die Notwendigkeit beseitigt, einzelne Masseleiterbahnen zu jeder Komponente zu verlegen.

Der moderne Standard für die meisten PCB-Designs ist einfach: Verwenden Sie eine solide Ground Plane. Geteilte Ebenen und Stern-Masse-Konfigurationen haben spezifische, gut definierte Anwendungsfälle – typischerweise in Mixed-Signal-Designs, bei denen analoge und digitale Massebereiche isoliert werden müssen –, aber sie sind die Ausnahme, nicht die Regel. Für die überwiegende Mehrheit der digitalen und analogen Designs ist eine solide Ground Plane auf einer dedizierten Schicht die richtige Wahl.

Wenn Rausch- oder Signalintegritätsprobleme Ihr Design beeinträchtigen, überprüfen Sie zuerst die Ground Plane. In den meisten Fällen werden Sie feststellen, dass sie entweder fehlt, fragmentiert oder schlecht verbunden ist.

Nach dem Import Ihrer Schaltplandaten in das PCB-Layout ist Ihre unmittelbare Aufgabe die Komponentenplatzierung – nicht das Routing. Dieser Unterschied ist wichtiger, als die meisten neuen Designer erkennen.

Das Ziel der Platzierung ist es, jede Komponente so zu positionieren, dass das resultierende Layout verlegbar ist: so, dass Leiterbahnen zwischen verbundenen Pads ohne übermäßige Schichtwechsel, ohne lange Umwege und ohne Rauschkopplungsprobleme zwischen empfindlichen Signalen verlegt werden können. Eine gut platzierte Platine lässt sich schnell verlegen. Eine schlecht platzierte Platine ist technisch verlegbar, kann aber zu einem Layout führen, das schlecht funktioniert oder DFM-Probleme verursacht.

Die praktische Regel ist einfach: Verlegen Sie nichts, bis alle Komponenten platziert sind und die Platzierung überprüft und genehmigt wurde. Das Verlegen vor der endgültigen Platzierung garantiert Nacharbeit. Eine Leiterbahn, die Sie heute verlegen, muss gelöscht und nach einer weiteren Platzierungsanpassung neu verlegt werden.

Streben Sie während der Platzierung danach, die Anzahl der Ratsnest-Kreuzungen zu minimieren – die Linien, die Komponentenpins verbinden und zeigen, welche Pads verbunden werden müssen. Wenn die Ratsnest-Kreuzungen minimiert sind, sind die Komponenten effektiv für ein effizientes Routing vororganisiert.

Sobald die Platzierung abgeschlossen und überprüft ist, kann das Routing beginnen. Eine gut ausgeführte Platzierung erleichtert die Erreichung der vier Ziele eines guten Routings erheblich:

• Minimieren Sie die Anzahl der Signalebenen, die zur Vervollständigung aller Verbindungen erforderlich sind
• Minimieren Sie Via-Übergänge zwischen den Ebenen
• Minimieren Sie Rauschen, hauptsächlich durch die konsequente Verwendung von Ground Planes im Stackup
• Halten Sie Leiterbahnen so kurz und direkt wie möglich

Das Abschließen des Layouts ist nicht das Ende des Designprozesses. Als Designer erstreckt sich Ihre Verantwortung auf die Generierung der Fertigungsausgabedateien, die ein Fertigungshaus zum Bau Ihrer Platine verwendet. PCB-Designsoftware automatisiert den Großteil davon – Gerber-Dateien für jede Schicht, Bohrerdateien, Montagezeichnungen und Stücklisten – aber die Automatisierung beseitigt nicht die Notwendigkeit einer Überprüfung.

Gerber-Dateien sind das Industriestandardformat für die Übermittlung von PCB-Schichtdaten an Hersteller. Bevor Sie ein Design zur Produktion einreichen, öffnen Sie Ihre generierten Gerber-Dateien in einem speziellen Viewer und überprüfen Sie sie manuell. Stellen Sie sicher, dass die Schichtzuweisungen korrekt sind, dass alle Kupfermerkmale vorhanden sind, dass die Bohrerdatei ordnungsgemäß mit den Pad-Positionen übereinstimmt und dass keine unbeabsichtigten Artefakte aufgetreten sind.

Fehler in Ausgabedateien sind weitaus häufiger, als die meisten Designer erwarten, und das Erkennen dieser Fehler vor der Einreichung ist immer kostengünstiger, als sie nach Beginn eines Produktionslaufs zu entdecken.