Die Herausforderungen des modernen PCB-Designs meistern

Das PCB-Design ist seit Jahrzehnten das Herzstück der elektronischen Innovation. Da die Technologie jedoch immer weiter voranschreitet, entstehen neue Herausforderungen für das Leiterplattendesign, die es zunehmend komplexer und anspruchsvoller machen.

In einer Zeit, in der elektronische Produkte immer funktionsreicher, kleiner und leistungsfähiger werden, stehen PCB-Designer vor der gewaltigen Aufgabe, mehr Leistung zu erzielen und gleichzeitig die Kosten zu minimieren. Dieser Spagat erfordert eine sorgfältige Auswahl der Komponenten, die Optimierung des Routings zur Reduzierung von Signalverlusten, die Berücksichtigung der steigenden Leistungsanforderungen moderner ICs (daher: mehr Power-Integrity-Regeln) und die Berücksichtigung von Fertigungsprozessen zur Maximierung der Leistung ohne Qualitätseinbußen.

Die Anzahl und Komplexität der PCB-Constraints steigt

Auch wenn die Funktionalität elektronischer Geräte zunimmt, gelten nach wie vor die grundlegenden physikalischen Gesetze, die der Signalübertragung, der Wechselwirkung und der Wärmeableitung innerhalb des Schaltkreises strenge Regeln auferlegen. Die Miniaturisierung von Komponenten und der Wunsch, mehr Funktionalität in kleinere Formfaktoren zu packen, führt zu einer steigenden Anzahl von Designregeln und Constraints.

Moderne Datenspeicher wie DDR4 und seine Low-Power-Versionen (z. B. LPDDR4) sind in allen Branchen, in denen sie mit extrem hohen Geschwindigkeiten arbeiten, von entscheidender Bedeutung. Es muss sorgfältig darauf geachtet werden, dass die Datensignale den Speicher-Controller korrekt erreichen, um potenzielle Timing-Probleme zu vermeiden, die andernfalls zu Datenbeschädigung oder -verlust führen könnten.

Ein weiterer Grund für die steigende Komplexität, der unter anderem auf Kostenerwägungen zurückzuführen ist, ist die Praxis, einzelne Layer aufzuteilen oder zu splitten, um mehrere Spannungen auf ein und demselben PCB-Layer zu verteilen. Dieser Ansatz führt jedoch zu unregelmäßig geformten Strukturen, die zu parasitären Effekten und Resonanzen führen können, was die Integrität der Stromversorgung und die Emissionen erheblich beeinträchtigt.

Mit der Beschleunigung der Datenübertragungsgeschwindigkeit durch USB-, HDMI- oder PCI-Express-Technologie wird Signal Integrity zu einem wichtigen Thema, das eine sorgfältige Beachtung der Impedanzanpassung, der parasitären Effekte auf den Leiterbahnen (z. B. Verluste, Auswirkungen der Materialrauheit) und des Crosstalks erfordert.

Die Grundlage solcher Datenübertragungsstandards sind Differenzialprotokolle, die die Übertragung von High-Speed-Datenströmen über Differenzialpaare ermöglichen. Es stimmt, dass Differentialpaare doppelt so viel kostbaren Platz auf einer Leiterplatte benötigen (oder mehr, wenn man die Abstände und die Durchkontaktierungen und Endstücke usw. berücksichtigt), aber sie haben den Vorteil, dass sie minimale Interferenzen erzeugen und eine höhere Immunität gegenüber Störungen und anderen Noise-Effekten haben.

Häufige Designregeln für hohe Geschwindigkeiten

Die Einhaltung der Designregeln und -Constraints, die sich aus dem technologischen Fortschritt ergeben, ist eine wesentliche Voraussetzung für ein funktionierendes Produkt, das die geforderten Leistungs-, Sicherheits- und Produktionsstandards erfüllt.

Die zentralen Design-Regeln für das High-Speed PCBs beinhalten:

• Längenanpassung für Differentialpaare
• Leiterbahnen, die Split-Planes kreuzen, Rückstrom möglicherweise durch Stitching-Kondensatoren geleitet
• Regeln für die maximal zulässige Länge von Stubs (kurze Leiterbahnsegmente zur Verbindung von ICs oder Test-Points)
• Routing von parallelen Signalen
• Die Auswirkungen von Längenunterschieden innerhalb komplexer ICs und die Notwendigkeit, diese auf der Leiterplatte zu kompensieren (wenn keine Flip-Chip-Technologie verwendet wird)

Die Bedeutung von Virtual Prototyping

Ein wirksames Instrument zur Bewältigung neuer Herausforderungen ist das virtuelle Prototyping als Teil des PCB-Designs. Angesichts des rasanten technologischen Fortschritts kann es zeitaufwändig und kostspielig sein, auf physische Prototypen zu warten, um Probleme zu erkennen. Virtuelles Prototyping ermöglicht es Designern, ihre Entwürfe in einer virtuellen Umgebung zu simulieren und zu validieren, um qualifizierte Designentscheidungen zu treffen, bevor sie sich für die physische (Massen-)Fertigung entscheiden.

Dieser Ansatz ermöglicht eine frühzeitige Erkennung potenzieller Probleme mit der Signal- und Power-Integrity, thermischen Problemen und anderen Fallstricken im Design. Durch den Einsatz hochentwickelter Software können Ingenieure verschiedene Szenarien bewerten, die Platzierung von Komponenten optimieren und Routing-Strategien feinabstimmen – und das alles in einer digitalen Umgebung. Dadurch wird nicht nur der Entwurfsprozess beschleunigt, sondern auch die Wahrscheinlichkeit kostspieliger Fehler deutlich verringert.

CR-8000 bietet eine umfassende Plattform für die Simulation und Analyse von PCB-Designs mit integrierter Power- und Signal-Integrity-Analyse und Prüfung auf elektromagnetische Störungen. Unabhängig davon, ob Sie an einem Single-Board- oder Multi-Board-Projekt arbeiten, bietet Ihnen die Software ein komplettes Set an Tools, um die Integrität und Zuverlässigkeit Ihrer PCB-Designs zu gewährleisten.

Zusammenfassung

Das PCB-Design ist heute zweifelsohne eine größere Herausforderung als in der Vergangenheit. Auch wenn elektronische Geräte immer leistungsfähiger sein sollen, bleiben die physikalischen Gesetze unerschütterlich und setzen strenge Grenzen für die Signalübertragung, die Wärmeableitung und das Zusammenspiel der Komponenten.

Die Beherrschung des Spannungsfelds zwischen Komplexität, Kostenerwägungen und Integration ist eine wesentliche Voraussetzung für die Entwicklung elektronischer Wunderwerke, die unser Leben bestimmen. Tools, die die Verwaltung von Constraints und die Simulation verschiedener Szenarien ermöglichen, helfen bei der Navigation durch die Landschaft des modernen PCB-Designs.