Vom Stromlaufplan zum Leiterplattenlayout (3)

Mein Artikel aus dem Embedded Journal von 2010/2011 in 5 Teilen

Beispiel: Ethernetmodul
Diese Technologie ist dann notwendig, wenn man mit bisherigen Verfahren nicht weiter kommt. Wenn es also eng mit den Leiterbahnen wird oder wenn sehr viele Bauteile auf kleinem Raum Platz finden sollen, kann man ein doppelseitige Layout erstellen. Beispiel: Ethernetmodul Als Beispiel für ein doppelseitiges Layout soll ein Ethernetmodul mit dem bekannten ENC28J60 Controller her halten. Die Anforderungen sollen sich wie folgt gestalten: Modul zur Verwendung in einem Steckbrett (Rastermaß beachten) Möglichst viele Bauteile werden als smd ausgeführt Modul so klein wie möglich (Kosten) Signalleitungen und die Versorgung des Controllers an Stiftleiste herausführen Bedrahtete Bauteile sind: RJ45 Buchse, Stiftleiste, Quarz, Spannungsregler 3,3V
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Die erste Platzierung der besonderen Bauteile kann sich wie folgt gestalten (Abb. 14): Die Verwendung in einem Steckbrett deutet darauf hin, wie die Stiftleisten platziert werden müssen. Der Abstand (X) beträgt ein Vielfaches von 2,54mm. Daher ist es wichtig, das Raster (Grid) entsprechend den Anforderungen einzustellen. Da der ENC28J60 der zentrale Controller in diesem Beispiel ist, wird er in die Mitte auf der Unterseite Abbildung 14: Erste Platzierung des Boards platziert. Es gibt zwei wichtige Gründe dafür: 1) Mehr Platz für die smd-Bauteile. BU1 und auch die noch zu platzierenden IC1 und Q1 nehmen schon enorm viel Raum auf der Oberseite ein. 2) Kostengünstigere Herstellung, wenn automatisch bestückt und gelötet wird (bedrahtet oben, smds unten). Das weitere Platzieren der Bauteile erfolgt auf der Unterseite wie im ersten Beispiel. Man schaut im Stromlaufplan, wo welches Bauteil angeschlossen ist und platziert es dann entsprechend. Da einige Bauteile am Controller als auch an der BU1 angeschlossen sind, wird das sinnvolle Platzieren der Bauteile etwas Zeit in Anspruch nehmen (Abb. 15). Der Versuch, die Verbindungen zwischen den Bauteilen so kurz wie möglich zu gestalten, erweist sich hier als nicht ganz einfach. So sind z.B. die langen Leiterbahnen von R5 und R7 zwischen RJ45 Buchse und Controller, die Quer über die Leiterplatte verlaufen, nicht zu verhindern.
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Da bei dieser Technologie beide Layer, also der Top und Bottom Layer für Leiterbahnen benutzt werden, scheint das Routen einfacher zu sein. Aber dies kann täuschen, da gerade die Pads der smd-Bauteile immer irgendwie im Weg stehen und außerdem gespiegelt erscheinen. So wurden nach einigen Überlegungen die Elkos C2 und C4 als bedrahtete Bauteile ausführt, und auf der Oberseite platziert. Das Routen erfolgt in einem kleinen Raster (z.B. 0,1 mm – Abbildung 15: Platzierung der Bauteile 0,3 mm) und muss generell den Gegebenheiten (Größe und Abstand der smd-Pads) angepasst werden. Das Erstellen der GND-Fläche auf der Unterseite erleichtert auch hier das Verlegen der Leiterbahnen. Kommt es zu Engpässen auf dem Layer, ist man gezwungen, entweder Bauteile nochmals umzuplatzieren oder mittels Durchkontaktierung (Via 2, DK) auf den Top-Layer zu wechseln. Die Pad- und Bohrungsgröße einer DK richtet sich nach dem Platz, der vorhanden ist. Werden die Vias kleiner als 0,3mm im Bohrdurchmesser, wird sich das allerdings auch den Preis für die Fertigung der Leiterplatte auswirken (siehe Onlinerechner bei den Herstellern). Auf der oberen Seite kann man z.B. eine Fläche erzeugen, die in diesem Beispiel mit dem 3,3V Netz verbunden ist. Das Verlegen der Leiterbahnen nimmt hier schon erheblich mehr Zeit in Anspruch als im ersten Beispiel. Hier gilt nach wie vor: Flexibel sein und eine sinnvolle und gute Lösung Schritt für Schritt entwickeln. Auch Geduld spielt dabei eine Rolle. Das Board sieht nun wie folgt aus (DKs in violett): --------------------------------------BILD ------------------
Auch für diese Technologie gibt es Richtlinien: Bedrahtete Bauteile auf beiden Seiten zu platzieren, ist nicht üblich, da die Bestückung sehr kostenintensiv ist (Nacharbeit per Hand). Daher umgehen. Leiterbahnen können vom Pad aus gesehen bei bedrahteten Bauteilen auf der Ober- und/oder Unterseite verlegt werden. Durchkontaktierungen dienen zur Weiterleitung einer Leiterbahn auf der anderen Seite. Drahtbrücken werden daher nicht verwendet. Durchkontaktierungen können da gesetzt werden, wo Platz ist (auch unter bedrahteten Bauteilen und unter smds). smd-Bauteile sollten nur auf einer Seite liegen. Dies spart Kosten, falls die Leiterplatte automatisch bestückt und gelötet wird. Ist kaum Platz für die smds, z.B. auf der Oberseite, dann werden diese auf der Unterseite platziert. Diese Art von Leiterplatten findet man bei Kleingeräten wie Modems, einfachen Telefonen, Modulen bei Fernsehern, Elektronikbausätzen usw. wieder.