Multi-Board-Design für Anwendungen mit unterschiedlichen Spannungen

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Multi-Board-Design für Anwendungen mit unterschiedlichen Spannungen

Ein aktueller Trend im Multi-Board-Design ist das so genannte Stacking – die Anordnung mehrerer Leiterplatten in Form eines Stapels anstelle der traditionellen Verbindung mittels Kabel. Auf diese Weise können nicht nur die Herstellungskosten gesenkt werden, sondern es auch die Zuverlässigkeit der Baugruppe verbessert werden. Herbert Ritthaler, Solution Architect Electronic Design, erläutert die Vorteile die Methodik.

Ein Multi-Board-System besteht aus zwei oder mehreren miteinander verbundenen Leiterplatten in einem gemeinsamen Gehäuse. Typischerweise erfüllen diese Platinen verschiedene Aufgaben. Betrachtet man z. B. die E-Mobilität (d. h. den Trend, auf elektrische Antriebsstränge und Antriebstechnolgien umzustellen), so findet man viele Module, die als Multi-Board-Systeme aufgebaut sind. Ein Board übernimmt hier beispielsweise die Aufgabe eines Controllers, während ein anderes zum Ein- und Ausschalten von Stromlasten dient, die bei Anwendungen in der Elektromobilität sehr hoch sein können.

Zwar weisen die verschiedenen Boards in einem Mulitboard-System eine ganze Reihe von Gemeinsamkeiten in Bezug auf Design und Herstellung auf, dennoch ist ein spezifisches Augenmerk im Hinblick auf die spezifischen Aufgaben der einzelnen Boards erforderlich. Dabei kann die Steuerplatine eine sehr hohe Packungsdichte aufweisen, mit BGA-Bauteilen (mit jeweils Hunderten von Balls), Flip-Chip-Bauteilen, drahtgebondeten Chips und/oder mit eingebetteten Komponenten versehen sein; d.h. das PCB-Substrat beherbergt Strukturen mit resistiven und/oder kapazitiven Eigenschaften.

Das Controller-Board arbeitet häufig mit schnellen Digitalsignalen und vielleicht sogar mit HF-Signalen. Deshalb steht hier die Absicherung der Signalintegrität durch Optimierung der Impedanz im Vordergrund. Die Stromversorgungsplatine hingegen muss hohe Ströme mit mehreren hundert Ampere verarbeiten, weshalb hier das Augenmerk dem Wärmemanagement gelten muss.

Alles auf eine Karte

Während Multi-Board Module, in denen einzelne Leiterplatten dedizierten Funktionen übernehmen, schon seit geraumer Zeit im Einsatz sind, wird derzeit insbesondere im Bereich der E-Mobilität an der physikalischen Verbindung der einzelnen Platinen gearbeitet. Ein aktueller Trend ist dabei, die Platinen übereinander, gewissermaßen als Stapel zu montieren, wobei die Steuerplatine wie ein großer BGA-Baustein auf der Leistungsplatine aufgebracht wird.

 

multi board design
Die Bestückung von Controller-Boards auf Power-Boards ist ein wachsender Trend im Bereich der E-Mobilität. CR-8000 Design Force ermöglicht den Entwurf mehrerer Boards als durchgängiges System

Die Vorteile des Board-Stackings sind vielfältig. Die meisten ergeben sich daraus, dass keine mechanischen Steckverbinder und Kabel zur Verbindung der Boards benötigt werden. Kosten können gesenkt werden, weil sich die Anzeil der Teile reduziert, die Montage wird vereinfacht (auch eine Kosteneinsparung) und die Zuverlässigkeit wird durch den Wegfall der „mechanischen“ Verbindungen mit Steckern und Kabeln verbessert.

Diese Vorteile haben jedoch ihren Preis. Der Designprozess wird dadurch komplexer, denn wir entwerfen praktisch zwei Leiterplatten gleichzeitig – zumindest beim ersten Durchlauf, denn eine oder beide Leiterplatten können in späteren Projekten verwendet werden.

Es liegt auf der Hand, dass die physikalischen Verbindungen – d. h. die Stellen, an denen die Bumps des Moduls mit den Lötpads auf der Hauptplatine verbunden werden – präzise aufeinander abgestimmt und elektrisch korrekt sein müssen, d. h. es darf keine Signalverzerrungen zwischen den Platinen geben.

Das Entwerfen der Boards eines Multi-Board Systems – in einem einzigen Projekt hat erhebliche Vorteile. CR-8000 Design Force von Zuken unterstützt das Design von mehereren zusammenhängenden in einem einzigen Projekt.

Multi-board Design mit Design Force

Für das Layout empfiehlt es sich, mit dem Controller-Board zu beginnen. Nachdem dessen Form und Größe definiert ist, werden alle Standard-Komponenten platziert. Die meisten davon werden auf der Oberseite platziert, aber auch das Einbetten auf einer Innenlage ist eine Option. Design Force erzeugt automatisch ein temporäres Bauteil für die Platzierung auf der Unterseite des Controllerboards. Dieses temporäre Bauteil wird zunächst in Form von Anschlusspunktkreuzen dargestellt, die die Positionen der Pads und Padstacks angeben.

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Die Gestaltung eines Multi-Board-Systems wird erheblich vereinfacht, wenn die Entwürfe in einer einzigen Umgebung ausgeführt werden so dass der Konstrukteur erkennen kann, wo die Board-to-Board-Verbindungen verlaufen müssen.

Bei der Platzierung der einzelnen Pads muss die Umgebung berücksichtigt werden. Mit anderen Worten: Für ein Signal, das mit der Basisplatine verbunden werden muss, kann es für die Steuerplatine praktisch sein, das Signal von einem Pad auf der Oberseite zum nächstgelegenen Pad auf der Unterseite zu leiten. Für die die Gestaltung der Basisplatine kann es jedoch ungünstig sein, das Signal von dieser Position zu empfangen.

Als nächstes werden Form und Abmessungen der Grundplatine festgelegt. Auch hier werden alle Standard-Bauteile platziert. Die Controllerplatine wird dem temporären Bauteil des Basisplatinenschemas zugeordnet und anschließend an der vorgesehenen Position platziert.

multi-board design
Beim Layout von Multi-Board-Systemen wird jede Platine, die auf einer anderen montiert werden soll, als temporäres Bauteil betrachtet – das macht die Platzierung extrem einfach.

Die gleichen Überlegungen wie bei der Zuordnung von Signalen zu Pads auf der Controller-Platine gelten auch für die Gestaltung der Basisplatine. Die Signalintegrität muss z. B. durch Impedanzabstimmung für High-Speed-Signale gewährleistet werden. Das Schöne an der Arbeit in einem durchgängigen System mit Design Force ist hier, dass die Impedanzanpassung für Signale, die über die einzelnen Platinen hinweglaufen, problemlos vorgenommen werden kann.

Design Force verfügt dazu über eine Reihe von Design Rule Checks (DRCs), die einen Verstoß anzeigen, wie z.B. die Nichteinhaltung eines ausreichenden Abstandes beim Routing von Hochstromsignalen. Entsprechend werden die einzelnen Board aktualisiert, wenn ein Pad auf einer der Platinen neu belegt wird. Um beispielsweise das Übersprechen zu reduzieren, ist es manchmal notwendig, die +ve- und -ve-Hälften eines LVDS-Signals umzuschalten. Wenn das Signal die Platinen wechselt, muss die Umkehrung auf beiden vorgenommen werden.

Aber nicht nur elektrische Änderungen lassen sich leicht umsetzen. Manchmal ist es erforderlich, ein oder mehrere Pads in Bezug auf die anderen zu verschieben. Diese Flexibilität ist gegeben, da die Unterseite der Controllerplatine und ihre Position auf der Basisplatine als temporäre Komponenten existieren. Das traditionelle BGA-Raster wird hier als Ausgangspunkt herangezogen.

Gute Karten

Die Vorteile des Entwurfs von Multi-Board-Modulen in einem zusammenhängenden System sind offensichtlich, deshalb erfreut sich das Verfahren wachsender Beliebtheit. Ob Sie die dabei obere Platine als „Bauteil“ oder als Einzelplatine betrachten, die einfach speziellen Anforderungen und Regeln unterworfen ist, oder als Teil der Grundplatine, spielt keine Rolle. Wichtig ist, dass die elektrische und physikalische Durchgängigkeit zu jedem Zeitpunkt gewährleistet ist.


Für weitere Informationen zum Multi-Board-Design in CR-8000 Design Force klicken Sie hier. Den vollständigen Artikel (in englischer Sprache) können Sie über den nachfolgenden Link herunterladen

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Zur weiteren Information empfehlen wir unser On-Demand-Webinar zum Thema „3D PCB Multi-board Design Basics“. In diesem Webinar werden die wichtigsten Konzepte eines 3D-Multidisziplin-Designs besprochen und demonstriert, bei dem Bauteilbeschaffung, PCB, MCAD und Analyse in einem Designprozess der nächsten Generation zusammenlaufen.

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Richard Warrilow
Richard Warrilow
Technical Author, Declaration Limited
Richard Warrilow is a Technical Author with Declaration Limited. He is a qualified electronics engineer and worked for GEC Marconi Avionics (now BAE SYSTEMS) during the 1990s on two high-profile fly-by-wire programmes before moving into technical journalism and, latterly, establishing Declaration in 2001. Richard still works closely with companies active in the aerospace sector and has written articles on subject matters ranging from the certification of programmable electronic components intended for use in aerospace applications through to systems for the in-flight refuelling of military aircraft.