Wie entwirft man Leiterplatten?

Wie entwirft man Leiterplatten?

Das PCB-Design beginnt damit, dass ein Elektronikingenieur die Komponenten auswählt, die zur Ausführung der Funktionen des Endprodukts erforderlich sind, und dann die beste Art und Weise bestimmt, diese Komponenten elektrisch zu verbinden.
Das Design gibt dem Hersteller viele Informationen, einschließlich der PCB-Abmessungen, Lochgrößen und -positionen sowie der allgemeinen mechanischen Definition; es kann auch Anmerkungen zu Materialtypen, Spezifikationen, UL-Anforderungen, Lötstoppmasken und Testanforderungen enthalten.

 

CAD: Hardware mit Software erstellen

Während PCB-Design einst manuell auf Mylar-Film ausgespielt wurden, werden sie heute mit Computer Aided Design (CAD)-Software erstellt. Die CAD-Software ermittelt automatisch die Leiterbahnen und reduziert so den manuellen Arbeitsaufwand. Die meisten CAD-Anbieter stellen eine Bibliothek mit Formen und Größen verfügbarer Komponenten bereit. Diese Formen und Größen werden als Umrisse bezeichnet. Der Bereich, in dem diese Komponenten mit der Platine in Kontakt kommen, wird als Footprint bezeichnet.

Materialien auswählen

Da eine Vielzahl von Kupferdicken, Epoxideigenschaften und Arten von Glasgeweben verfügbar sind, muss der Designer die gewünschte Kombination definieren. Ein wichtiger Aspekt ist die Zusammensetzung des Prepregs – des Mittels, das die Schichten einer mehrschichtigen Leiterplatte verbindet. Prepreg (oder B-Stage-Harz) ist ein Glasgewebe, das mit Epoxid imprägniert und dann teilweise ausgehärtet wurde. Es gibt 3 grundlegende Eigenschaften: thermisch, elektrisch und chemisch.

Festlegen von Metallic-Oberflächen

Kupfer wird in den meisten Leiterplatten in der Produktion als Leiter verwendet, und wenn es ungeschützt bleibt, läuft es an und verhindert die ordnungsgemäße Lötbarkeit der Komponenten auf der unbestückten Platine. Ein Metall, das nicht anläuft oder nur langsam anläuft, wird aufgetragen, um die freiliegenden Kupferoberflächen der Leiterplatte zu schützen. Metallische Oberflächenausführungen variieren in Preis, Haltbarkeit, Zuverlässigkeit und Montageverarbeitung. Einige der beliebtesten Oberflächen sind unten aufgeführt:

• Hot Air Solder Leveling (HASL): Die Leiterplatte wird in ein Bad aus geschmolzenem Lot (Zinn-Blei) getaucht.
• Electroless Immersion Gold (ENIG): Dies ist eine der besten und beliebtesten RoHS-Veredelungsmethoden. ENIG bietet hervorragende Benetzung, Koplanarität, Oxidation und lange Lagerfähigkeit.
• Immersionssilber
• Organic Solderability Preservative (OSP): OSP ist eine RoHS-kompatible organische Verbindung auf Wasserbasis, die sich selektiv an Kupfer bindet und eine organische/metallische Schicht bildet, die das Kupfer während des Lötens schützt.
• Bleifreies HASL: Das Schmelzbad ist frei von Blei und RoHS. Es verwendet eine mit Nickel modifizierte Legierung, um ähnliche Ergebnisse zu erzielen.

Stapelblatt erstellen

Als letzten Schritt erstellt der Designer ein Stapelblatt, das ein Gesamtbild der Platine liefert.

 

Generieren von Fertigungsdaten

• Interne oder Branchenspezifikationen
• Anforderungen des Underwriters Laboratory (UL).
• Testanforderungen
• Benutzerdefinierte Spezifikationen

Übertragung des Designs an den Hersteller

Die am häufigsten verwendeten Datenübertragungsformate werden im Folgenden verwendet:

• Gerber und sein Derivat Gerber RS-274X.
• ODB++, GenCAM und PIC-D-350.

Konvertieren des Designs für Werkzeuge

Der Herstellungsprozess beginnt mit der Übertragung der vom Designer erhaltenen elektronischen Daten unter Verwendung spezieller Programme, die als Computer Aided Manufacturing (CAM)-Software bekannt sind. CAM erlaubt dem Hersteller Folgendes durchzuführen:

• Durchführen von Panelization und Photo-Tooling

Der Panelisierungsprozess besteht darin, mehrere PCB-Bilder zu erstellen, um die gesamte Oberfläche der Laminatplatte am wirtschaftlichsten zu füllen. Hilfsmerkmale: Schichtnummern, UL-Symbole, Rahmen und Testcoupons werden dem Panel hinzugefügt. Dann wird es auf den Fotoplotter übertragen: eine Maschine, die das in Panels unterteilte Bild mit Laserlicht durch den Bebilderungsprozess zeichnet. Das endgültige Bild wird auf Fotofilm gezeichnet.

Laser Direct Imaging (LDI) ist ein weiteres Verfahren zum Aufbringen oder Belichten der PCB-Design auf die Fertigungsplatte, indem die Schaltung mit einem leistungsstarken Laser direkt auf die Fertigungsplatte abgebildet wird.

• Generieren von Bohr- und Routingdaten

Generieren des numerisch gesteuerten (NC) Bohrers und der Fräsdaten zur Übermittlung an die Bohrsektion.

• Programmieren von Inspektions- und Testdaten

Hersteller verwenden die automatische optische Inspektion (AOI), um Brüche oder Kurzschlüsse im PCB-Routing zu finden. Der Hersteller programmiert den AOI-Speicher, indem er ein Golden Board oder CAD-Daten als Referenz verwendet. Die AOI-Maschine scannt die zu inspizierende Platine und vergleicht sie mit der goldenen Platine. Im Falle einer Nichtübereinstimmung identifizierte die Maschine den Ort der Fehler.

Die unbestückte Platine wird elektrisch getestet, um sicherzustellen, dass das ursprüngliche Design eingehalten wird. Es gibt zwei Methoden zum Testen.

• Golden-Board-Testing: Diese Methode wird hauptsächlich verwendet, wenn keine Gerber- oder elektronischen Daten zur Verfügung stehen, um Grafiken zu erstellen, die im verwendet werden Hersteller der Leiterplatte. Herkömmliche Produkte, bei denen es sich normalerweise um Durchgangslöcher handelt, einfache 2-, 4- oder sogar 6-Lagen-Boards werden immer noch auf diese Weise getestet.
• Netzlistentest: Diese Methode kann verwendet werden, wenn Gerber-Daten verfügbar sind. Es wird durchgeführt, wenn alle Netze (eine Reihe von Punkten entlang einer Schaltung) aus den bereitgestellten Informationen extrahiert werden können. Während der Golden-Board-Test ein Vergleichstest ist, testet die Netzliste alle Punkte und gewährleistet so ein hohes Vertrauen in die elektrische Integrität. Dieser echte elektrische Punkt-zu-Punkt-Test ist nur einen Schritt von der eigentlichen schematischen Zeichnung der Leiterplatte entfernt.

 

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