Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten-Routing
Es gibt zwei Methoden für das Leiterbahnrouting auf Leiterplatten: automatisches und interaktives Routing. Vor dem automatischen Routing kann interaktives Routing verwendet werden, um Leiterbahnen mit strengeren Anforderungen vorzuverlegen. Eingangs- und Ausgangsleiterbahnen sollten nicht parallel zueinander verlaufen, um Reflexionsinterferenzen zu vermeiden. Bei Bedarf sollten Masseflächen zur Isolation hinzugefügt werden. Leiterbahnen auf benachbarten Lagen sollten senkrecht zueinander verlaufen, da paralleles Routing leicht zu parasitären Kopplungen führen kann.
Der Erfolg des automatischen Routings hängt von einem gut durchdachten Layout ab. Routing-Regeln, einschließlich der Anzahl von Leiterbahnbiegungen, Durchkontaktierungen und Stufen, können vordefiniert werden.
Typischerweise wird zunächst exploratives Routing durchgeführt, um kurze Verbindungen schnell herzustellen. Anschließend erfolgt das Maze-Routing, das die gesamten Routing-Pfade für alle Verbindungen optimiert. Dabei können bestehende Verbindungen bei Bedarf unterbrochen werden. Ziel ist es, Verbindungen umzuleiten, um die Gesamtleistung zu verbessern.
1. Umgang mit Strom- und Erdungsleitungen
Selbst bei optimaler Leiterbahnführung auf der gesamten Leiterplatte können Störungen durch unzureichende Stromversorgung und Masse die Produktleistung beeinträchtigen und mitunter sogar die Ausbeute negativ beeinflussen. Daher muss die Leitungsführung für Stromversorgung und Masse mit größter Sorgfalt erfolgen, um Störungen zu minimieren und die Produktqualität zu gewährleisten.
Jeder Elektronikentwickler kennt die Ursachen von Störungen zwischen Strom- und Masseleitungen. Hier konzentrieren wir uns ausschließlich auf Methoden zur Rauschreduzierung und -unterdrückung:
(1) Es ist bekannt, dass zwischen Strom- und Masseleitungen Entkopplungskondensatoren eingefügt werden sollten.
(2) Die Breite der Versorgungs- und Masseleitungen sollte maximiert werden, wobei Masseleitungen idealerweise breiter als Versorgungsleitungen sein sollten. Die Prioritätsreihenfolge ist: Masseleitungen > Versorgungsleitungen > Signalleitungen. Typische Signalleitungsbreiten liegen zwischen 0,2 und 0,3 mm, mit minimalen Breiten von 0,05 bis 0,07 mm. Versorgungsleitungen sollten 1,2 bis 2,5 mm breit sein.
Bei digitalen Schaltungen kann eine breite Massefläche durch Verwendung breiter Leiterbahnen zur Erzeugung eines Massenetzwerks gebildet werden (bei analogen Schaltungen ist dies nicht möglich).
(3) Verwenden Sie eine große Kupfermassefläche. Verbinden Sie ungenutzte Bereiche der Leiterplatte mit Masse als Massefläche. Alternativ können Sie eine mehrlagige Leiterplatte verwenden, bei der Stromversorgung und Masse jeweils auf einer separaten Lage untergebracht sind.
2. Erdungsüberlegungen für Mixed-Signal-Schaltungen
Viele moderne Leiterplatten enthalten nicht mehr ausschließlich digitale oder analoge Schaltungen, sondern integrieren beide Typen. Daher muss beim Routing gegenseitige Störungen, insbesondere Rauschen auf Masseflächen, berücksichtigt werden.
Digitale Schaltungen arbeiten mit höheren Frequenzen, während analoge Schaltungen empfindlicher sind. Hochfrequente Signalleitungen sollten daher möglichst weit von empfindlichen analogen Bauteilen entfernt verlegt werden. Die gesamte Leiterplatte verfügt nur über einen externen Anschlusspunkt für die Masseflächen. Die gemeinsame Masse von digitalen und analogen Bauteilen muss daher intern auf der Leiterplatte realisiert werden. Innerhalb der Leiterplatte sind digitale und analoge Masseflächen physisch getrennt und nicht miteinander verbunden, außer an den externen Schnittstellen (z. B. Steckverbindern). Digitale und analoge Masseflächen teilen sich einen gemeinsamen Anschlusspunkt. In manchen Systemen können, abhängig vom Systemdesign, getrennte Masseflächen verwendet werden.
3. Verlegung von Signalleitungen auf Stromversorgungs- (Masse-)Ebenen
Beim Routing auf mehrlagigen Leiterplatten führt der begrenzte Platz auf den Signalebenen dazu, dass zusätzliche Lagen Material verschwenden, die Fertigung komplexer gestalten und die Kosten erhöhen. Um dies zu vermeiden, empfiehlt sich das Routing auf den Versorgungs- (Masse-)Ebenen. Priorisieren Sie die Versorgungsebenen vor den Masseebenen, da die Integrität der Masseebene optimal ist.
4. Umgang mit Anschlussbeinen in großflächigen Leitern
Bei großflächigen Erdungsanwendungen (elektrisch) werden üblicherweise die Beinchen von Bauteilen mit diesen verbunden. Die Behandlung dieser Anschlussbeinchen erfordert eine sorgfältige Überlegung. Aus elektrischer Sicht ist ein vollständiger Kontakt zwischen den Kontaktflächen der Bauteilbeinchen und der Kupferoberfläche ideal. Dieser Ansatz birgt jedoch potenzielle Nachteile für das Löten und die Montage der Bauteile:
① Zum Löten werden Hochleistungsheizgeräte benötigt.
② Es führt leicht zu kalten Lötstellen.
Um elektrische Leistung und Fertigungsanforderungen in Einklang zu bringen, werden kreuzförmige Kontaktflächen – sogenannte Wärmeleitpads – verwendet. Diese Konstruktion reduziert die Wahrscheinlichkeit kalter Lötstellen durch übermäßige Wärmeableitung beim Löten erheblich. Das gleiche Verfahren wird auch für die Verbindung von Pins auf der Massefläche von Multilayer-Leiterplatten angewendet.
5. Die Rolle von Netzwerksystemen beim Routing
In vielen CAD-Systemen wird das Routing durch Netzwerkstrukturen bestimmt. Zu dichte Raster erhöhen zwar die Anzahl der Routingpfade, führen aber zu zu kleinen Schrittweiten und einem übermäßigen Datenvolumen im Zeichenbereich. Dies erfordert zwangsläufig mehr Speicherkapazität und beeinträchtigt die Verarbeitungsgeschwindigkeit von Host-Computern und elektronischen Produkten erheblich. Einige Pfade werden redundant, beispielsweise solche, die von Bauteil-Pads, Befestigungslöchern oder Montageelementen belegt sind. Umgekehrt reduzieren zu dünne Raster die Anzahl der Routingpfade drastisch und beeinträchtigen die Erfolgsrate des Routings stark. Daher ist ein ausreichend dichtes Rastersystem für ein optimales Routing unerlässlich.
Der Standardabstand zwischen den Pins eines Bauteils beträgt 0,1 Zoll (2,54 mm). Daher wird die Basis des Rastersystems typischerweise auf 0,1 Zoll (2,54 mm) oder ein ganzzahliges Vielfaches von weniger als 0,1 Zoll, wie z. B. 0,05 Zoll, 0,025 Zoll oder 0,02 Zoll, eingestellt.
6. Überprüfung der Entwurfsregeln (DRC)
Nach Abschluss des Routing-Designs ist es unerlässlich, sorgfältig zu prüfen, ob das Routing den vom Designer festgelegten Regeln entspricht. Gleichzeitig muss sichergestellt werden, dass diese Regeln den Anforderungen des Leiterplattenfertigungsprozesses genügen. Zu den üblichen Prüfaspekten gehören:
① Ob die Abstände zwischen Leiterbahnen, zwischen Leiterbahnen und Bauteilanschlüssen, zwischen Leiterbahnen und Durchkontaktierungen, zwischen Bauteilanschlüssen und Durchkontaktierungen sowie zwischen Durchkontaktierungen angemessen sind und den Produktionsanforderungen entsprechen.
② Ist zu prüfen, ob die Leiterbahnen für Stromversorgung und Masse ausreichend breit sind und ob sie eng gekoppelt sind (niedrige Impedanz)? Identifizieren Sie Bereiche auf der Leiterplatte, in denen die Masseleitungen verbreitert werden können.
③ Wurden optimale Maßnahmen für kritische Signalleitungen getroffen, wie z. B. die Minimierung der Länge, das Hinzufügen von Abschirmungsleitungen und die klare Trennung von Eingangs- und Ausgangsleitungen?.
④ Besitzen analoge und digitale Schaltungsabschnitte unabhängige Masseflächen?
⑤ Besteht durch nachträglich hinzugefügte Grafiken (z. B. Symbole, Anmerkungen) die Gefahr von Signalunterbrechungen?
⑥ Wurden suboptimale Spurengeometrien modifiziert?
⑦ Sind Prozesslinien auf der Leiterplatte angebracht? Entspricht die Lötstoppmaske den Fertigungsanforderungen? Sind die Abmessungen der Lötstoppmaske geeignet? Überlappen die Zeichenmarkierungen die Bauteilanschlüsse und beeinträchtigen dadurch möglicherweise die Montagequalität?
⑧ Sind die Außenkanten der Stromversorgungs-/Masseflächen auf Mehrlagenplatinen vertieft? Freiliegende Kupferfolie auf diesen Flächen birgt die Gefahr von Kurzschlüssen.
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