Beim Entwurf einer Hochgeschwindigkeits-Leiterplatte geht es selten nur um die Lösung eines einzigen Problems.
Eine Leiterplatte kann zwar die Design-Prüfungen bestehen, dennoch können Signalreflexionen, instabile Versorgungsspannungen, übermäßige elektromagnetische Störungen oder eine schlechte Fertigungsausbeute auftreten. In den meisten Fällen lassen sich diese Probleme auf Entscheidungen zurückführen, die bereits in einer frühen Phase des Designprozesses getroffen wurden.
Die Verwendung einer strukturierten Checkliste vor der Freigabe von Gerber-Dateien trägt dazu bei, Korrekturen am Entwurf zu reduzieren und die Erfolgsquote beim ersten Durchlauf zu verbessern.
Beginnen Sie mit dem Leiterplattenaufbau
Der Laminataufbau sollte vor Beginn des Routings fertiggestellt sein.
Die Schichtaufbau bestimmt:
- Signal-Bezugsebenen
- Impedanzstabilität
- Routing-Effizienz
- Stromverteilung
Eine Änderung des Schichtaufbaus nach dem Routing führt in der Regel zu unnötigem Nacharbeitsaufwand.
Weitere Informationen finden Sie unter High-Speed PCB Stackup Design (6-Layer vs 8-Layer vs 10-Layer).
Anforderungen an die kontrollierte Impedanz definieren
Wenn das Design Hochgeschwindigkeitsschnittstellen enthält, sollten die Impedanzanforderungen vor dem Layout überprüft werden.
Typische Beispiele hierfür sind:
- 50-Ω-Single-Ended-Leiterbahnen
- 100 Ω Differenzpaare
Arbeiten Sie mit Ihrem Leiterplattenhersteller zusammen, um den Schichtaufbau und die Leiterbahngeometrie zu überprüfen, anstatt sich ausschließlich auf Rechnerergebnisse zu verlassen.
Weiterführende Lektüre: PCB-Design mit kontrollierter Impedanz.
Referenzebenen überprüfen
Jedes kritische Signal sollte eine durchgehende Bezugsebene haben.
Vermeiden Sie es, Signale über folgende Stellen zu verlegen:
- Flugzeugspalten
- große Hohlräume
- diskontinuierliche Bodenflächen
Ein durchgehender Rückleitungspfad verringert Impedanzsprünge und minimiert unerwünschte Abstrahlung.
Überprüfung der Verlegung von Differentialpaaren
Differentialpaare sollten im gesamten Layout einheitlich bleiben.
Auf Folgendes prüfen:
- angepasste Leiterbahnlängen
- gleichmäßiger Abstand
- minimale Schräglage
- konsistente Bezugsebenen
Häufige Änderungen der Abstände oder unnötige Durchkontaktierungen können die Signalqualität beeinträchtigen.
Reduzierung durch Übergänge
Jede Durchkontaktierung verändert den Strompfad.
Auch wenn Durchkontaktierungen unvermeidbar sind, führen übermäßige Schichtwechsel zu:
- Impedanzsprünge
- Einfügungsdämpfung
- Signalreflexionen
Wichtige Signale sollten, soweit möglich, auf derselben Ebene verbleiben.
Weiterführende Lektüre: PCB Via Design in Hochgeschwindigkeitsschaltungen.
Bewertung der Stromverteilung
Die Stromversorgungsintegrität sollte parallel zur Signalintegrität überprüft werden.
Bitte überprüfen Sie, ob:
- Entkopplungskondensatoren werden in der Nähe der Stromversorgungsanschlüsse des ICs angebracht
- Die Stromversorgungs- und Masseflächen sind durchgehend
- Die Rückstrompfade bleiben kurz
Eine stabile Stromversorgung verbessert die Gesamtleistung des Systems.
Weiterführende Lektüre: Entwurf zur Stromversorgungsintegrität von Leiterplatten.
Routing-Dichte prüfen
Eine dichte Verdrahtung führt häufig zu Problemen bei der Fertigung und beim Testen.
Rezension:
- Leiterbahnabstand
- Kupferausgleich
- Bauteilabstand
- Fan-Out-Strategie
Das Hinzufügen einer weiteren Signalschicht ist oft die bessere Lösung, als Leiterbahnen durch eng beieinanderliegende Bereiche zu führen.
Berücksichtigen Sie die Fertigungsanforderungen
Bevor Sie Fertigungsdaten freigeben, sollten Sie sich vergewissern, dass das Design praktikabel zu fertigen ist.
Überprüfen Sie unter anderem folgende Punkte:
- Mindestleiterbahnbreite
- Mindestabstand
- nach Größen
- Ringförmige Ringe
- Abstand zur Lötmaske
Frühzeitige DFM-Prüfungen verringern das Produktionsrisiko und verbessern die Ausbeute.
Weiterführende Lektüre: Hochgeschwindigkeits-PCB-Design für Fertigung und Ausbeute.
Die Leiterplatte für den Test vorbereiten
Das Testen sollte nicht als letzter Schritt betrachtet werden.
Vergewissern Sie sich, dass der Entwurf Folgendes enthält:
- zugängliche Prüfpunkte
- Programmierschnittstellen
- Debugging von Verbindungen
- ausreichender Abstand zur Sonde
Diese Funktionen vereinfachen die Überprüfung und Fehlerbehebung während der Produktion.
Eine abschließende Entwurfsprüfung durchführen
Führen Sie vor der Erstellung der Produktionsdateien eine umfassende Überprüfung durch.
Zu den Fragen, die es sich zu stellen lohnt, gehören:
- Sind alle impedanzkontrollierten Leiterbahnen gekennzeichnet?
- Verfügen kritische Signale über ununterbrochene Bezugsebenen?
- Werden Differentialpaare einheitlich verlegt?
- Ist das Stromverteilungsnetz fertiggestellt?
- Sind die Fertigungskapazitäten bestätigt?
- Wurde die Leiterplatte im Hinblick auf die Testbarkeit geprüft?
Bei einer strukturierten Überprüfung werden oft Probleme erkannt, die automatisierte Entwurfsregelprüfungen nicht aufdecken können.
Befolgen Sie einen praktischen Verifizierungsprozess
- Schritt 1
Den Aufbau der Leiterplatte endgültig festlegen und die Materialauswahl bestätigen.
- Schritt 2
Klären Sie die Impedanzanforderungen mit dem Leiterplattenhersteller ab.
- Schritt 3
Überprüfen Sie die Signalführung, die Rückwege und die Durchkontaktierungen.
- Schritt 4
Überprüfen Sie die Stromverteilung, die Anordnung der Entkopplungen und die Referenzebenen.
- Schritt 5
Führen Sie vor der Freigabe der Fertigungsdateien DFM- und DFT-Prüfungen durch.
Häufige Fehler bei der Konzeption
Zu den häufigsten Problemen, die bei der Prüfung von Leiterplatten festgestellt werden, gehören:
- Festlegen des Stackups nach Beginn des Routings
- Leitung von Hochgeschwindigkeitssignalen über geteilte Ebenen
- Hinzufügen unnötiger Durchkontaktierungen zu kritischen Netzen
- Entkopplungskondensatoren zu weit von den IC-Pins entfernt anbringen
- Veröffentlichung von Produktionsdaten ohne vollständige Entwurfsprüfung
Die meisten dieser Probleme lassen sich durch einen einheitlichen Überprüfungsprozess vermeiden.
Schlussfolgerung
Die Leistung von Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten hängt von Entscheidungen ab, die während des gesamten Entwurfsprozesses getroffen werden, nicht nur während des Layouts.
Durch die Überprüfung von Schichtfolge, Impedanz, Rückleitungspfaden, Stromversorgungsintegrität, Herstellbarkeit und Testverfahren vor Produktionsbeginn können Ingenieure die Anzahl der Entwurfsiterationen reduzieren und die Produktzuverlässigkeit verbessern.
Eine gut strukturierte Checkliste hilft dabei, potenzielle Probleme frühzeitig zu erkennen, solange sie noch einfach und kostengünstig behoben werden können.
FAQ
A: Die Stackup-Planung ist einer der wichtigsten Schritte, da sie sich auf die Impedanz, die Rückleiter und die Verlegungsstrategie auswirkt.
A: Die Leiterbahnbreite und der Abstand hängen vom gewählten Schichtaufbau ab. Eine nachträgliche Änderung dieser Parameter erfordert oft eine Überarbeitung des Layouts.
A: Es gibt keine festgelegte Anzahl, aber unnötige Durchkontaktierungen sollten vermieden werden, da jeder Übergang zusätzliche Diskontinuitäten mit sich bringt.
A: Designregelprüfungen überprüfen vordefinierte Regeln, können jedoch nicht alle Aspekte der Signalintegrität, der Herstellbarkeit oder der Testbarkeit berücksichtigen.
A: Beide Prüfungen sollten vor der Erstellung der Fertigungsdateien abgeschlossen sein, um Produktionsprobleme zu vermeiden und die Effizienz der Tests zu verbessern.
