Leiterplatte (PCB) finden sich in fast allen elektronischen Geräten. Wenn sich in einem Gerät elektronische Komponenten befinden, werden diese auch in verschiedene PCB-Größen eingebettet. Neben der Befestigung diverser Kleinteile besteht die Hauptfunktion der Leiterplatte darin, elektrische Verbindungen zwischen den Komponenten herzustellen. Da elektronische Geräte immer komplexer werden, werden immer mehr Teile benötigt und die Verdrahtung und Teile auf der Leiterplatte werden immer dichter. Eine Standard-Platine sieht in etwa so aus. Bare Board (ohne Teile darauf) wird oft auch als „Printed Wiring Board (PWB)“ bezeichnet.

Der Träger der Platte selbst besteht aus einem isolierten und biegesteifen Material. Das kleine Linienmaterial, das auf der Oberfläche zu sehen ist, ist Kupferfolie. Ursprünglich wird die Kupferfolie auf der gesamten Platine abgedeckt, der mittlere Teil wird im Herstellungsprozess weggeätzt und der verbleibende Teil wird zu einem Netzwerk aus kleinen Linien. Diese Leitungen werden Leiter oder Leiter genannt und werden verwendet, um elektrische Verbindungen zu Teilen auf der Leiterplatte herzustellen.

Um Teile auf der Leiterplatte zu befestigen, löten wir deren Pins direkt an die Verdrahtung. Auf einer Grundplatine sind die Teile auf einer Seite konzentriert und die Drähte auf der anderen. Wir müssen also Löcher in die Platine bohren, damit die Pins durch die Platine auf die andere Seite gehen können, damit die Pins der Teile auf der anderen Seite verschweißt werden. Aus diesem Grund werden die Vorder- und Rückseite einer Leiterplatte als Komponentenseite bzw. Lötseite bezeichnet.

Wenn sich auf der Leiterplatte Teile befinden, die nach der Herstellung entfernt oder wieder aufgesetzt werden können, wird der Sockel zum Einbau der Teile verwendet. Da die Buchse direkt mit der Platine verschweißt ist, können die Teile beliebig demontiert werden. Ein ZIF-Stecker (Zero InserTIon Force) ermöglicht ein einfaches Einsetzen und Entfernen von Teilen. Der Hebel neben der Buchse kann die Teile nach dem Einsetzen festhalten.

Um zwei Leiterplatten miteinander zu verbinden, wird üblicherweise ein Kantenverbinder verwendet. Der Goldfinger enthält eine Reihe von blanken Kupferpads, die eigentlich Teil der Leiterplattenverdrahtung sind. Normalerweise stecken wir zum Anschließen den goldenen Finger einer Platine in den entsprechenden Steckplatz (allgemein Erweiterungssteckplatz genannt) auf der anderen Platine. In Computern werden Grafikkarten, Soundkarten und ähnliche Schnittstellenkarten mit einem goldenen Finger mit dem Motherboard verbunden.

Die grüne oder braune Farbe auf der Platine ist die Farbe der Lötstoppmaske. Diese Schicht ist eine isolierende Abschirmung, die den Kupferdraht schützt und verhindert, dass Teile an der falschen Stelle verschweißt werden. Ein weiterer Siebdruck wird auf die Lötwiderstandsschicht gedruckt. Es ist normalerweise mit Wörtern und Symbolen (meist weiß) bedruckt, um die Position der Teile auf der Platine anzuzeigen. Siebdruckoberfläche wird auch als Symboloberfläche bezeichnet

Legende).

Einseitige Platinen

Wie bereits erwähnt, sind auf einer Basisplatine die Teile auf einer Seite konzentriert und die Drähte auf der anderen. Da der Draht nur auf einer Seite erscheint, nennen wir diesen PCB-TYP einseitig. Da einzelne Panels viele strenge Einschränkungen beim Design der Schaltung hatten (da es nur eine Seite gab, konnte sich die Verdrahtung nicht kreuzen und musste einen separaten Weg nehmen), verwendeten nur frühe Schaltungen solche Boards.

Doppelseitige Bretter

Die Platine ist beidseitig verdrahtet. Um jedoch beide Drähte verwenden zu können, müssen zwischen den beiden Seiten ordnungsgemäße elektrische Verbindungen bestehen. Diese „Brücke“ zwischen den Schaltkreisen wird als Führungsloch (VIA) bezeichnet. Führungslöcher sind kleine Löcher in der Leiterplatte, die mit Metall gefüllt oder beschichtet sind und die beidseitig mit Drähten verbunden werden können. Da ein Doppelpaneel die doppelte Fläche eines Einzelpaneels hat und die Verdrahtung verschachtelt sein kann (sie kann auf die andere Seite gewickelt werden), ist es für komplexere Schaltungen besser als ein einzelnes Paneel.

Mehrschichtplatinen

Um die verdrahtbare Fläche zu vergrößern, werden mehr ein- oder doppelseitige Verdrahtungsplatinen verwendet. Bei der Mehrschichtplatte werden mehrere Doppelplatten verwendet, zwischen denen jeweils eine Dämmschicht angeordnet und verklebt (verpresst) wird. Die Anzahl der Lagen der Platine stellt mehrere unabhängige Verdrahtungslagen dar, normalerweise eine gerade Anzahl von Lagen, einschließlich der äußersten beiden Lagen. Die meisten Motherboards werden mit vier bis acht Lagen gebaut, aber es ist technisch möglich, bis zu 100 Lagen PCBS aufzubauen. Die meisten großen Supercomputer verwenden mehrere Schichten von Motherboards, die jedoch nicht mehr verwendet werden, da sie durch Cluster gewöhnlicher Computer ersetzt werden können. Da die Schichten in einer Leiterplatte so eng integriert sind, ist es nicht immer einfach, die tatsächliche Anzahl zu erkennen, aber wenn Sie sich das Motherboard genauer ansehen, können Sie es möglicherweise.

Das gerade erwähnte Führungsloch (VIA) muss bei einem Doppelpaneel durch die gesamte Platine gehen

Wenn Sie jedoch in einem Multilayer nur einige der Leitungen verbinden möchten, können die Führungslöcher einen Teil des Leitungsplatzes in den anderen Layern verschwenden. Buried Vias und Blind Vias vermeiden dieses Problem, da sie nur wenige Schichten durchdringen. Sacklöcher verbinden mehrere Lagen von internen PCBS mit Oberflächen-PCBs, ohne die gesamte Platine zu durchdringen. Vergrabene Löcher sind nur mit der internen Platine verbunden, sodass Licht von der Oberfläche nicht sichtbar ist.

Bei einer Multilayer-Leiterplatte ist die gesamte Schicht direkt mit dem Massedraht und der Stromversorgung verbunden. Also klassifizieren wir die Layer als Signal, Power oder Ground. Wenn die Teile auf der Leiterplatte unterschiedliche Stromversorgungen benötigen, haben sie in der Regel mehr als zwei Strom- und Drahtlagen.

Teileverpackungstechnik

Durchgangsloch-Technologie

Die Technik, Teile auf einer Seite der Platine zu platzieren und die Pins auf die andere Seite zu schweißen, wird als „Through Hole Technology (THT)“-Kapselung bezeichnet. Dieses Teil nimmt viel Platz ein und für jeden Stift wird ein Loch gebohrt. Ihre Lötstellen nehmen also tatsächlich auf beiden Seiten Platz ein und die Lötstellen sind relativ groß. Auf der anderen Seite sind THT-Teile besser mit PCB verbunden als SMT-Teile (Surface Mounted Technology), über die wir später sprechen werden. Sockel wie kabelgebundene Sockel und ähnliche Schnittstellen müssen drucktolerant sein, daher handelt es sich in der Regel um THT-Pakete.

Oberflächenmontierte Technologie

Bei SMT-Teilen (Surface Mounted Technology) wird der Stift auf der gleichen Seite mit den Teilen verschweißt. Bei dieser Technik werden nicht für jeden Stift Löcher in die Leiterplatte gebohrt.

Flächenhaft klebende Teile können sogar beidseitig verschweißt werden.

SMT hat auch kleinere Teile als THT. Im Vergleich zu PCB mit THT-Teilen ist PCB mit SMT-Technologie viel dichter. SMT-Gehäuseteile sind auch weniger teuer als THTs. Es ist daher nicht verwunderlich, dass die meisten der heutigen Leiterplatten SMT sind.

Da die Lötstellen und Stifte der Teile sehr klein sind, ist es sehr schwierig, sie manuell zu schweißen. Da die derzeitige Montage jedoch vollständig automatisiert ist, tritt dieses Problem nur bei der Reparatur von Teilen auf.

Der Designprozess

Beim PCB-Design sind vor der formalen Verdrahtung tatsächlich sehr lange Schritte zu durchlaufen. Das Folgende ist der Hauptentwurfsprozess:

Die Systemspezifikationen

Zunächst sollten die Systemspezifikationen der elektronischen Geräte geplant werden. Es deckt die Systemfunktionalität, Kostenbeschränkungen, Größe, Betrieb usw. ab.

Systemfunktionsblockdiagramm

Der nächste Schritt besteht darin, ein Funktionsblockdiagramm des Systems zu erstellen. Die Beziehung zwischen den Quadraten muss ebenfalls markiert werden.

Unterteilen Sie das System in mehrere PCBS

Die Aufteilung des Systems in mehrere PCBS reduziert nicht nur die Größe, sondern gibt dem System auch die Möglichkeit, Teile aufzurüsten und auszutauschen. Grundlage für unsere Segmentierung ist das Systemfunktionsblockdiagramm. Computer können beispielsweise in Motherboards, Grafikkarten, Soundkarten, Diskettenlaufwerke, Netzteile usw. unterteilt werden.

Bestimmen Sie die zu verwendende Verpackungsmethode und die Größe jeder Leiterplatte

Nachdem die Technologie und die Anzahl der verwendeten Schaltungen für jede Leiterplatte festgelegt wurden, ist der nächste Schritt die Bestimmung der Größe der Platine. Wenn das Design zu groß ist, muss sich die Verpackungstechnologie ändern oder die Aktion neu aufteilen. Auch die Qualität und Geschwindigkeit des Schaltplans sollte bei der Auswahl der Technologie berücksichtigt werden.

Zeichnen Sie schematische Schaltpläne aller Leiterplatten

Die Details der Verbindungen zwischen den Teilen sollten in der Skizze dargestellt werden. PCB in allen Systemen muss beschrieben werden, und die meisten verwenden derzeit CAD (Computer Aided Design). Hier ist ein Beispiel für ein CircuitMakerTM-Design.

Schematische Darstellung der Leiterplattenschaltung

Vorentwurf des Simulationsbetriebs

Um sicherzustellen, dass der entworfene Schaltplan funktioniert, muss er zunächst mit einer Computersoftware simuliert werden. Eine solche Software kann Blaupausen lesen und zeigen, wie die Schaltung in vielerlei Hinsicht funktioniert. Dies ist viel effizienter, als tatsächlich eine Musterplatine herzustellen und diese dann manuell zu vermessen.

Legen Sie die Teile auf die Platine

Die Art und Weise, wie Teile platziert werden, hängt davon ab, wie sie miteinander verbunden sind. Sie müssen auf die effizienteste Weise mit dem Pfad verbunden werden. Effiziente Verdrahtung bedeutet möglichst kurze Verdrahtung und weniger Lagen (was auch die Anzahl der Führungslöcher reduziert), aber darauf kommen wir bei der eigentlichen Verdrahtung zurück. So sieht der Bus auf einer Platine aus. Die Platzierung ist wichtig, damit jedes Teil eine perfekte Verdrahtung hat.

Verdrahtungsmöglichkeiten bei korrektem Betrieb bei hoher Geschwindigkeit testen

Einige der heutigen Computersoftware kann überprüfen, ob die Platzierung jeder Komponente richtig angeschlossen werden kann oder ob sie bei hoher Geschwindigkeit korrekt arbeiten kann. Dieser Schritt wird als Anordnen von Teilen bezeichnet, aber wir werden nicht zu weit darauf eingehen. Bei Problemen mit dem Schaltungsdesign können Teile auch neu angeordnet werden, bevor die Schaltung ins Feld exportiert wird.

Exportschaltung auf PCB

Die Verbindungen in der Skizze sehen jetzt wie die Verkabelung im Feld aus. Dieser Schritt ist normalerweise vollständig automatisiert, obwohl in der Regel manuelle Änderungen erforderlich sind. Unten ist die Drahtvorlage für 2 Laminate. Die roten und blauen Linien repräsentieren die PCB-Teileschicht bzw. die Schweißschicht. Der weiße Text und die Quadrate stellen die Markierungen auf der Siebdruckoberfläche dar. Die roten Punkte und Kreise stellen Bohr- und Führungslöcher dar. Ganz rechts sehen wir den goldenen Finger auf der Schweißfläche der Platine. Die endgültige Zusammensetzung dieser Leiterplatte wird oft als Arbeitsvorlage bezeichnet.

Jedes Design muss einer Reihe von Regeln entsprechen, wie zum Beispiel minimale reservierte Lücken zwischen Linien, minimale Linienbreiten und andere ähnliche praktische Einschränkungen. Diese Spezifikationen variieren je nach der Geschwindigkeit der Schaltung, der Stärke des zu übertragenden Signals, der Empfindlichkeit der Schaltung gegenüber Leistungsaufnahme und Rauschen sowie der Qualität des Materials und der Fertigungsausrüstung. Steigt die Stromstärke, muss auch die Dicke des Drahtes zunehmen. Um die Leiterplattenkosten zu senken und gleichzeitig die Anzahl der Lagen zu reduzieren, muss auch darauf geachtet werden, ob diese Vorschriften noch eingehalten werden. Wenn mehr als 2 Schichten benötigt werden, werden normalerweise die Leistungsschicht und die Masseschicht verwendet, um zu vermeiden, dass das Übertragungssignal auf der Signalschicht beeinträchtigt wird, und können als Abschirmung der Signalschicht verwendet werden.

Draht nach Schaltungstest

Um sicher zu gehen, dass die Leitung hinter dem Draht richtig funktioniert, muss sie den Abschlusstest bestehen. Dieser Test prüft auch auf falsche Verbindungen, und alle Verbindungen folgen dem Schaltplan.

Einrichten und ablegen

Da es derzeit viele CAD-Tools für das Design von Leiterplatten gibt, müssen Hersteller ein Profil haben, das den Standards entspricht, bevor sie Leiterplatten herstellen können. Es gibt mehrere Standardspezifikationen, aber die gebräuchlichste ist die Gerber-Files-Spezifikation. Ein Satz von Gerber-Dateien enthält einen Plan jeder Signal-, Strom- und Masseschicht, einen Plan der Lötwiderstandsschicht und der Siebdruckoberfläche sowie spezifizierte Bohr- und Verschiebedateien.

Problem der elektromagnetischen Verträglichkeit

Elektronische Geräte, die nicht den EMV-Spezifikationen entsprechen, emittieren wahrscheinlich elektromagnetische Energie und stören in der Nähe befindliche Geräte. Die EMV legt Höchstgrenzen für elektromagnetische Störungen (EMI), elektromagnetische Felder (EMF) und Hochfrequenzstörungen (RFI) fest. Diese Regelung kann den normalen Betrieb des Geräts und anderer in der Nähe befindlicher Geräte sicherstellen. Die EMV setzt der Energiemenge, die von einem Gerät zum anderen gestreut oder übertragen werden kann, strenge Grenzen und soll die Anfälligkeit für externe EMF, EMI, RFI usw. verringern. Mit anderen Worten, der Zweck dieser Verordnung besteht darin, zu verhindern, dass elektromagnetische Energie in das Gerät eindringt oder aus ihm austritt. Dies ist ein sehr schwierig zu lösendes Problem und wird normalerweise durch die Verwendung von Strom- und Erdungsschichten oder das Einlegen von PCBS in Metallkästen gelöst. Die Strom- und Masseschichten schützen die Signalschicht vor Störungen, und die Metallbox funktioniert genauso gut. Wir werden nicht zu weit auf diese Fragen eingehen.

Die maximale Geschwindigkeit der Schaltung hängt von der EMV-Konformität ab. Interne EMI, wie z. B. Stromverluste zwischen Leitern, nehmen mit steigender Frequenz zu. Wenn der Stromunterschied zwischen den beiden zu groß ist, stellen Sie sicher, dass Sie den Abstand zwischen ihnen verlängern. Dies sagt uns auch, wie man Hochspannung vermeidet und den Stromverbrauch der Schaltung minimiert. Die Verzögerungsrate bei der Verkabelung ist ebenfalls wichtig. Je kürzer die Länge, desto besser. Eine kleine Platine mit guter Verdrahtung funktioniert also bei hohen Geschwindigkeiten besser als eine große Platine.