Leiterplattenentflechtung

Benutzeroberfläche einer Layout-Software

Platine mit platzierten Bauelementen, sogenanntes „Rattennest“. Die grünen „Gummibänder“ müssen als Leiterzüge verlegt werden.

fertiges Layout aus Bild oben; die Verbindungen sind mittels Durchkontaktierungen auf der Oberseite (Top Layer, blau) und der Unterseite (Bottom Layer, rot) verlegt

Die Leiterplattenentflechtung ist ein Arbeitsschritt beim Layoutentwurf (kurz: layouten) von elektronischen Leiterplatten. Dabei wird der entworfene elektrische Schaltplan nach dem manuellen oder automatischen Platzieren (vgl. Autoplacer) der benötigten Bauelemente auf der Leiterplatte in ein Leiterbahnnetzwerk umgesetzt. Sie wird heute fast ausnahmslos am Computer per Hand oder automatisiert mithilfe eines sogenannten Autorouters durchgeführt.

CAD-Software zum Leiterplattenentwurf umfasst neben dem Schaltplanentwurf und dessen Simulation oft auch Auto-Platzierer und Autorouter. Damit ein Autorouter sinnvolle Ergebnisse liefern kann, müssen ihm zuvor Designregeln vorgegeben werden. Macht man das nicht, stoßen diese automatischen Funktionen an Grenzen, so dass Leiterbahnen zumindest teilweise manuell verlegt werden müssen.

Vorgehen bei der Leiterplattenentflechtung

Die Entflechtung erfolgt nach der Erstellung eines elektrischen Schaltplans, der auch in Form einer Netzliste vorliegen kann, und der Platzierung der Bauteile am Bildschirm. Nach diesen Schritten liegt ein so genanntes „Rattennest“ (englisch rats nest) vor, bei dem alle elektrischen Verbindungen durcheinander auf den kürzesten Wegen dargestellt sind.

Bei der Entflechtung müssen u. a. Leiterplattentechnologie, Bauteilgeometrien, Lage der Bauteile, Signallaufzeiten, Stromstärken sowie Lage der äußeren Anschlüsse (Steckverbinder) berücksichtigt werden. Diese Arbeit wird durch kommerzielle Layout-Programme (CAD-Systeme) wie z. B. EDWinXP, OrCAD, Eagle, TARGET 3001!, Cadence Allegro, Altium Designer (vormals Protel) oder Expedition PCB unterstützt. An open Source Layout Programmen sind Kicad und gEDA bekannt. Insbesondere durch Bauteile-Datenbanken und die Überprüfungen von Design-Regeln erleichtern Layout-Programme die Arbeit bei der Leiterbahnentflechtung. Autorouter-Funktionen, die nach Vorgabe von Design-Regeln die Entflechtung automatisch durchführen sollen, sind nur bei sehr einfachen Layouts sinnvoll einsetzbar. Ausgegeben werden die CAD-Daten für Platinenherstellungen, Bestückungen und Einkauf typischerweise im Gerber-Format sowie als Stückliste (englisch: Bill of Materials, BOM).

• Anlegen von Bauteilbeschreibungen in der zum Layout-Programm gehörigen Bauteilbibliothek.
• Eingabe des Schaltplanes mit dem entsprechenden Software-Modul.
• Eingabe der Leiterplattengeometrie (manuell oder Import der Daten aus einem Mechanik-CAD-Programm).
• Eingabe der Leiterplattentechnologie (Lagenaufbau, verwendete Via-Technologie, Regeln für Leiterbahnbreiten, Abstandsregeln)
• Platzieren der Bauteile auf der Leiterplatte (zuerst diejenigen Bauteile, die an bestimmten Stellen sein müssen, z. B. Potentiometer, die durch die Frontplatte ragen)

Die weitere Platzierung wird so durchgeführt, dass:

• die Leitungsverbindungen möglichst kurz sind
• die vorgegebenen Regeln für die Verbindungen der Bauteile eingehalten werden
• Vorgaben aus der Leiterplattenfertigung berücksichtigt werden

Die Design-Regeln können unter Umständen sehr umfangreich sein. Sie ermöglichen es aber dem Layouter, die Entflechtung mit weniger aufwendigen Iterationen und Fehlerkontrollen durchzuführen.

Die Platzierung erfolgt in der Regel interaktiv. Dabei werden die zur erzeugenden Verbindungen als „Gummibänder“ zwischen den Anschlüssen dargestellt, um eine vorteilhafte Platzierung zu ermöglichen. Zur Platzierung unkritischer Bauteile am Ende des Platzierens eignen sich heute in weniger dichten Designs durchaus auch automatische Platzierhelfer (Autoplacer).

Entflechtung mit Autorouter

Wenn ein Entflechtungsprogramm (Autorouter) eingesetzt wird, müssen vorher Randbedingungen in das Layout-Tool eingegeben werden damit der Router diese Regeln auch beachtet. Damit ein Autorouter brauchbare Ergebnisse liefert, können die Routing-Strategien vorgegeben werden. Ob es sinnvoller ist, einen Autorouter zu verwenden, oder von Hand zu routen, ist stark von der Art des Designs abhängig. Bei vielen ähnlichen digitalen Designs macht es Sinn Regeln und Routingstrategien zu optimieren und wiederzuverwenden. Teilweise nimmt die Regel-Eingabe mehr Zeit in Anspruch als die Leiterplattenentflechtung durch einen erfahrenen Layouter ohne Designregeln.

Oft müssen auch Regeln beachtet werden, die in einigen Routern nicht vorgegeben werden können, z. B. Sternpunkterdung, Bezugspunkte für Analogspannungen, Eigenschaften beim Löten, Wärmemanagement bzw. thermal vias. Hier können evtl. nur Teile des Designs mit dem Router entflochten werden.

Manuelle Entflechtung (Handverlegung)

Bei manueller Entflechtung werden zuerst kritische Leitungen wie Hochfrequenzleitungen oder Busse verlegt. Oft wählt man die Vorzugsrichtung der Leiterbahnen auf der Oberseite senkrecht zu derjenigen auf der Unterseite. Bei jeder Richtungsänderung kann nun mittels einer Durchkontaktierung die Ebene gewechselt werden.

Bei der Verlegung bietet die Layout-Software Unterstützung durch die Anzeige eines Saumes um den Leiterzug, der die Einhaltung der Designregeln erleichtert. Während der Entflechtung ist es oft nötig, einzelne Bauteile noch einmal zu verschieben. Bei hochwertigen EDA-Programmen gibt es daher meist die Möglichkeit, einzelne Signale halbautomatisch zu entflechten und per „push aside“ oder „push and shove“ bereits verlegte Leiterbahnen und Bauteile aus dem Korridor für die gerade per Hand bearbeitete Leiterbahn schieben zu lassen.

Nach dem Layout kann die Software mittels automatischem Designregeltest (engl. Design Rule Check, DRC) prüfen, ob alle festgelegten Design-Regeln eingehalten werden und keine logischen Fehler vorliegen, z. B. nicht angeschlossene Bauteile oder Leiterbahnkreuzungen.

Grenzen der Entflechtung

Bei sehr dicht belegten Leiterplatten können unter Umständen auch per Hand nicht alle Leiterbahnen verlegt werden, weil für die Verbindung einiger Bauteilanschlusspunkte keine freien „Gassen“ mehr existieren. Diese fehlenden Verbindungen müssen dann bei der Bestückung durch Drahtbrücken gebildet werden oder von Hand als Drähte verlegt werden. Das ist aus Kostengründen, aber auch aufgrund der technischen Anforderungen (Hochfrequenz, Signallaufzeiten, Zuverlässigkeit) nur bei wenigen Produkten vertretbar. Hinzu kommt, dass bei Leiterbahnbreiten und -abständen von 75 bis 150 µm Lötaugen zum Anschluss von Drähten kaum noch Platz finden. Als Alternative zu Drahtbrücken gibt es Lötbrücken (Jumper) und „Null-Ohm-Widerstände“. Gegebenenfalls kann man auch die Anzahl der Lagen erhöhen oder bei Mehrlagenleiterplatten mit Durchkontaktierungen arbeiten, die sich nicht auf allen Lagen befinden (sogenannte blind vias und buried vias, siehe Durchkontaktierung).

Vorgaben für die Leiterplattenentflechtung (Design-Regeln)

Bei der Leiterplattenentflechtung sind meist weitere Vorgaben zu beachten, z. B.:

• Beschränkungen der verwendeten Herstellungstechnologie wie minimale Leiterbahnbreiten, minimale Bohrdurchmesser, Abstand von Kupferflächen zum Rand etc.
• Einhaltung des Wellenwiderstands (Impedanz) spezieller Leitungen (z. B. bei Hochfrequenz, Ethernet, USB)
• Übersprechen von Leitungen (z. B. bei kompakten Geräten wie Mobiltelefonen);
• Vorgaben der Signallaufzeit (z. B. Leitungslängen bei PCI, PCI-Express);
• Berücksichtigung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV);
• Einhaltung von Isolationsabständen ab ca. 50 V nach Norm (z. B. nach VDE: Abstände für Luftstrecken, Kriechstrecken).

Literatur

• J. Händschke: Leiterplattendesign – Ein Handbuch nicht nur für Praktiker. Eugen G. Leuze Verlag, Bad Saulgau 2006, ISBN 3-87480-219-1.

Siehe auch

• Electronic Design Automation
• Layoutentwurf
• Floorplanning