4. Entwickeln des Platinenlayouts

Input ProductsWorkOutput Products
IP1. Schaltplan der PlatinenW1. Durchsicht der benötigten Datenblätter
W2. Erstellen der Schaltung (*.sch) in eagle (Ändern eines vorandenen Boards)
W3. Regelmäßige Durchsprache mit dem Betreuer
W4. Ablegen der genutzten Datenblätter
W5. Informieren des Betreuers
OP1. Schematic-files
OP2: Datenblätter
Input ConditionOutput Condition
IC1. Schaltplan vom Betreuer abgenommenOC1. Files abgelegt
checkliste_fuer_das_layout

Generelles

  • Drucken Sie sicherheitshalber vor dem Bestellen der Boards dieses 1:1 aus und vergleichen Sie die Dimensionen der Bauteile. Nichts ist schlimmer, als eine Woche Zeitverzug wegen einer Neubestellung.

101 - Layout zeichnen

Beachten Sie, dass durch das Mexlesystem die Größe des Boards in verschiedenen Stufen vorgegeben ist (siehe Abbildung 1). Eine Übersicht zum Mexle-Format ist unter der Beschreibung des MEXLE-Systems zu finden. Im Folgenden sind die verschiedenen MEXLE-Board-Größen und -Typen beschrieben:

Abb. 1: Boardgrößen elektronik_labor:boardgroessenmexle.png

Funktion Zweck Einzoll-Board / Standard-Board Viertelzoll-Board Mehrzoll-Board Hookup-Board
Anwendung kleine Sensor/Aktor- oder Microcontroller-Boards Diskrete Elemente, die auf die Eckjumper zurückgreifen. größere Sensor/Aktor- oder Microcontroller-Boards Sensor/Aktor-Boards
Abmaße
/ Form
- Quadratischer Form mit abgerundeten Ecken (Radius $R=100 mil$)
- $1000 mil \cdot 1000 mil$.
- Da zwischen zwei Standardboards auf dem Modulträger $100 mil$ liegen, sind ausnahmsweise auch Maße zu $1100 mil$ zulässig.
- Rechteckige Form ohne abgerundeten Ecken (geritzte Platine).
- $1000 mil \cdot 250 mil$
- Rechteckige Form mit abgerundeten Ecken (Radius $R=100 mil$).
- $1100 mil \cdot (n-1) + 1000 mil$ mit $n=\{1 \ldots 3 \}$
- $n$ ist dabei die Anzahl der Module, welche überdeckt werden.
- Ein Mehrzoll-Board überstreckt sich über mehrere Module des Modulträgers.
- Rechteckige Form mit abgerundeten Ecken (Radius $R=100 mil$).
- $1000 mil \cdot 1000 mil$.
- Da zwischen zwei Standardboards auf dem Modulträger $100 mil$ liegen, sind ausnahmsweise auch Maße zu $1100 mil$ zulässig.
Eckjumper
$SPx$
- Verbindet das Board mechanisch mit dem Modulträger.
- Eckjumper sind mit den Eckjumpern der benachbarten Boards elektrisch verbunden
Jumper ($SP1\ldots SP4$). Im Notfall sind die oberen beiden und der Jumper $JP1$ zur mechanischen Fixierung ausreichend. Jumper ($SP1$ und $SP2$). Von den Eckjumpern sind nicht alle notwendig. Es wird empfohlen nur die äußersten vier Eckjumper zu nutzen. Nicht notwendig, da für ein Hookupboard i.d.R. keine Notwendigkeit für ein aufstecken auf das Basisboard besteht.
Modul-
versorgung
$JP1$
- Der zweireihige Jumper $JP1$ dient zur Stromversorgung und Datenkommunikation mit dem Modulträger.
- Er ist optional.
- Eine Datenkommunikation über I2C sowie die Stromversorgung sollten aber aus Kompatibilitätsgründen darüber geleitet werden.
- Ist nur eine Stromversorgung notwendig, so kann ein einreihiger Jumper genutzt werden.
Der Jumper $JP1$ sollte wie auf der mmc_1x1_328pb-Platine zu sehen positioniert werden Der Jumper $JP1$ liegt (wie die beiden Eckjumper) auf der Symmetrieachse Auch hier sind wieder mehrere Positionen für $JP1$ möglich. Es kann eine der möglichen (auf dem Raster des Modulträgers liegende) Positionen genutzt werden Nicht notwendig, da für ein Hookupboard i.d.R. keine Notwendigkeit für ein aufstecken auf das Basisboard besteht.
Buchsen $K1$
und $K2$
- Die Buchsen $K1$ und $K2$ dienen des Anschlusses von Hookup-Boards.
- Er ist optional.
- Falls Hookups ermöglicht werden sollten, so sind für die mechanische Stabilität beide Buchsen vorzusehen.
- Ggf. kann die Buchse durch eine SMD-Buchse ersetzt werden
Sollen bei Mehrzoll-Boards eine Hookup-Möglichkeit zur Verfügung gestellt werden, so sind für die mechanische Stabilität zwei Buchsen ($K1$ und $K2$) vorzusehen, die $800 mil$ auseinander liegen. Eine Position wie beim Standardboard wird empfohlen.
Pin-Belegung Details zur Belegung von $K1$, $K2$, und $JP1$ sind unter mmc_1x1_328pb beschrieben. Die dortige Belegung sollte aus Kompatibilitätsgründen eingehalten werden.
eagle-Vorlage Siehe 3. Entwickeln des Schaltplans

schlechtesairwiring.jpg
schlechtes Airwiring gutesairwiring.jpg
besseres Airwiring quarzbaugruppe.jpg
Beispiel: Bauteilgruppe Quarz

  • Positionieren Sie immer als erstes die Bauteile.
    • Denken Sie dabei in Baugruppen. Wenn für ein Spannungsregler der Kondensator C12 notwendig ist, dann sollten diese beiden Komponenten zusammenbleiben. Diese bilden eine „Baugruppe“
    • Interface first: Erst geben meist die HMI-Komponenten (HMI: Human-Machine-Interface) und weitere Schnittstellen die Positionierung vor. Z.B. weil die die Tasten nebeneinander oder der USB-Anschluss außen zu positionieren ist. Außerdem sollten zusammenhängende Komponenten zusammenhängend platziert werden. Ein Bereich nur für Leistungselemente (z.B. Motorsteuerung), ein Bereich für externe Analog-Digital-Wandler, ein Bereich für schnell-schaltende ICs (z.B. Mikrocontroller).
    • Dann sollten die großen Bauteile (ICs), dann die kleinen. Bei gleichen/ähnlichen ICs sollten die Kerben (bzw. Markierungen) in die gleiche Richtung zeigen, um ein Verdrehen zu vermeiden.
    • Bei Mikrocontrollern und anderen vielbeinigen Chips bietet sich ein mehrmaliges Drehen um 45° an. Damit ist kann eine optimale Ausrichtung gesucht werden, welche kurze Leitungslängen erzeugt (siehe Bild).
    • Prüfen Sie bei Kondensatoren, ob diese möglichst in der Nähe von Bauteilen positioniert werden sollen. Als Faustformel gilt für Bypass-Kondensatoren, dass zwischen Kondensator -Anschluss und VCC-Pin sowie Kondensator-Anschluss und GND-Pin entlang der Leitung nur wenige Millimeter liegen.
    • Richten Sie das „Vogelfutter“ - also passive Bausteine, wie Widerstände und Kondensatoren - möglichst parallel aus. Bevor Sie tatsächlich Verbindungen ziehen, versuchen Sie das Vogelfutter so zu positionieren, dass es möglichst wenig Überschneidungen der Airwires gibt.
  • Versuchen Sie möglichst alle Bauteile auf einer Seite, nämlich der Oberseite, zu positionieren.
  • Falls der Platz nicht mehr ausreicht, empfiehlt sich folgende Reihenfolge bei der Auswahl der Komponenten für die Rückseite
    • Lötjumper (SJxx)
    • Vogelfutter (nicht Bypass- oder Filter-Komponenten)
    • Komponenten die aufgrund der Größe oder Anwendung auch auf die Rückseite passen (z.B. nicht große Spulen, Schalter, LEDs)
  • Positionieren Sie die Bauteile so auf dem Raster, dass Ein- und Ausgänge auf dem Raster liegen. Hierfür kann ein grobes Raster gewählt werden (z.B. 50mil).
  • Wir nutzen eine aufgedruckte Beschriftung. Beschriften Sie also die Bauteile mit dem korrekten Namen (R1, C1, etc.) und setzen Sie die Beschriftung in die Nähe des Bauteils. Die Beschriftung darf nicht über blankem Kupfer (Pads) laufen und sollte nach Möglichkeit auch bei bestückter Platine sichtbar sein. Als Font type soll „vector“ angegeben werden. Vergessen Sie nicht eine aussagekräftige Beschreibung für das Board zu nehmen (Autor, Projekt, Datum, etc). Die Beschriftung ist in EAGLE über den vertikalen Reiter „MANUFACTURING“ an der rechten Seite überprüfbar.
  • Positionieren Sie Quarze und Oszillatoren unmittelbar in der Nähe der zu taktenden Komponente. Die Kondensatoren des Quarze sollten wiederum unmittelbar in der nähe der Quarz liegen (siehe Bild). Für den Abstand über die Leitung gilt Ähnliches wie bei den Bypass-Kondensatoren. Zusätzlich sollten keine Signale unter dem Quarz verlaufen.
  • Eingangsfilter für Signale (z.B. bei Analogeingängen) empfiehlt sich auch möglichst nahe am IC zu positionieren. Ansonsten kann die Filterwirkung durch Übersprechen und die Leitungsimpedanz gestört werden.
  • Ich will in eagle mehrere Objekte markieren, die aber nicht direkt zusammenstehen. Verwenden Sie dazu das „Group“-Tool, um das erste Bauteil (mit linksklick) auszuwählen. Anschließend klicken Sie wieder auf das „Group“-Icon. Dann können Sie mit gedrückter <Strg>+Taste weitere Bauteile (mit linksklick) auswählen.
  • Ich will/soll mein Platine drehen, damit es besser auf gefräst werden kann. Geht das in eagle? oder ich will eine Gruppe von Komponenten drehen. Geht das in eagle? Ja, mehre Komponenten lassen sich folgendermaßen drehen:
    • (1) Auswählen der Komponenten
    • (2) Move-Tool auswählen
    • (3) rechtsklick in die Zeichnung an einen Punkt
    • (4) „Move: Gruppe“ anwählen
    • (5) in der Menuleiste bei Winkel den gewünschten Winkel eintragen
    • (6) Bauteil positionieren.
    • Die Position an dem bei Punkt (3) geklickt wurde, ist der Mittelpunkt für die Drehung.
  • Eagle sagt: „Einige Objekte stehen über die Boardfläche hinaus“. Die Eagle free Version hat mehrere Limitierungen: die Boardgröße muss kleiner gleich 160mm x 100mm sein und es darf kein Bauteil links bzw. unterhalb des Ursprungs positioniert werden. Meist liegt die Fehlermeldung aber daran, dass ein Bauteil links bzw. unterhalb des Ursprungs herausragt. Falls dies der Fall ist, können Sie versuchen alle Komponenten nach rechts oben zu verschieben.
  • Der Mauszeiger bei eagle ist im Layouteditor nicht wirklich sichtbar. Der Mauszeiger kann in Positionslinien umgewandelt werden: Option/User Interface/Layout:LARGE bzw. Benutzeroberfläche/Layout/Mauszeiger: groß.
  • Ich habe eine Bemaßung (Dimension) - z.B. auf top oder bottom Layer - welche ich nicht löschen kann: Hier hilft ein Tipp aus Stack Exchange.

gnd-schlechteverbindung.jpggnd-schlechteverbindungratsnest.jpg
Beispiel: schlecht verlegte Masseleitung (starke Wärmeableitung über blau markierte Verbindung) gnd-guteverbindung.jpggnd-guteverbindungratsnest.jpg
gut verlegte Masseleitung

  • Um das Routing zu vereinfachen, sollten auf Top bevorzugt die horizontale Verbindungen, auf Bottom die vertikale Verbindungen gelegt werden - oder umgekehrt. Diese Methode wird als Manhattan-Routing bezeichnet. Wenigstens sollten Sie die Verbindungen auf Top und Bottom senkrecht aufeinander stehen.
  • der richtige Winkel: Allgemein sind spitze Winkel bei der Verbindungsführung zu vermeiden, da es dort zu Fertigungsproblemen kommen kann. Wenn von einem Pin mehrere Abgänge ausgehen, so ist folgendes zu unterscheiden: bei Masseanschlüsse sollen die Abgänge im 90° Winkel liegen (siehe Bild rechts). Alle anderen Winkel auf einer Ebene sollen in einem möglichst großen Winkel erfolgen, also 135°. Bei Vias mit jeweils einem Abgang dürfen beliebige Winkel genutzt werden.
  • Es ist folgende Reihenfolge für das Routing empfohlen:
    • Verbinden Sie zunächst alle Bypass-Kondensatoren an die jeweiligen Pins. Achten Sie dabei darauf, dass die Länge der Leitung minimal sein soll.
    • Am zweitwichtigsten sind die Clockleitungen von Quarz und Schnittstelle. Vermeiden Sie dabei (viele) Vias und versuchen Sie kurze Verbindungen zu setzen. Die Verbindungen sollten möglichst auf der Seite der entsprechenden Pins verlaufen.
    • Ziehen Sie als nächstes die Leitungen für die analoge und digitale Datenübertragung. Auch hier auf wenig (bis keine) Vias, kurze Verbindungen und gleiche Seite wie die ausgehenden Pins achten.
    • Danach ist die Spannungsversorgung zu verbinden. Hier kann - soweit möglich - eine dickere Leitung (z.B. 10 mil) genutzt werden.
    • Schließen Sie dann alle GND per Verbindungen an den Masseanschluss an. Achten Sie darauf, Versorgungsmassen (GND) von der Masse für Analogeingänge (AGND) zu trennen.
  • Legen Sie abschließend auf jede genutzte Ebene ein geschlossenes Polygon und benennen Sie es „GND“. Dann können Sie mit Ratsnest die Freiflächen mit Masse ausfüllen. Damit reduziert sich Störausstrahlung, induktive Verluste und Widerstand zu Masse. Gibt es neben GND auch AGND, so bietet sich auch ein separate AGND-Fläche an.
  • Suchen sie in den Dokumenten der Komponenten („application notes“ oder „data sheet“) nach „Layout“, „Layout Guidelines“ oder „Layout Examples“. Falls Sie dort keine Beispiele finden, lohnt sich ein nachdenklicher Blick auf Platinenhersteller. Bei Open Source Herstellern wie Adafruit oder Sparkfun können dazu meist Erklärungen zur Schaltung gefunden werden (z.B. für Motortreiber). Diese Vorarbeit erleichtert nicht nur das Layout, sondern reduziert auch die Wahrscheinlichkeit von Problemen!
  • Deaktivieren Sie unter Thermals „Thermals for Vias“. Damit ergeben sich keine Aussparungen bei Vias, welche sowieso noch notwendig sind.
  • Falls Sie differentielle, digitale Signale (z.B. D+ und D- bei USB) routen, beachten Sie, dass die Verbindungen so gut wie möglich gleich lang sein sollten. Gleiches gilt für differentielle, analoge Signale mit hochfrequentem Nutzanteil. Weitere Tipps und Tricks finden Sie im Video differential Pairs und in der Anleitung How to route differential pairs.
  • Kann ich auch Vias in Pads setzen? Es kommt darauf an: Verwenden Sie eine Pick-and-Place System mit Lötpaste, dann sollten keine Vias in Pads gesetzt werden. Ansonsten wird im Reflowofen das Lot durch das Via fließen, womit zu wenig Lot zum Verbinden des Bauteils vorhanden ist. Wenn Sie händisch Löten, dann ist dies möglich. Generell sollte darauf geachtet werden, keine Vias in Pads zu setzen.
  • Ich habe zu viele Verbindungen und kann in der Schaltung nichts mehr finden. Zeichnen Sie statt Verbindungen gelabelte Linien mit dem „NAME“ Befehl. Verwenden Sie XRef nur für Referenzen auf externe Verbindungen - also welche, die nicht auf der aktuellen Schaltung liegen.
  • Ein Bauteil ist nicht in EAGLE zu finden. Folgendes Manual erklärt, wie man ein Bauteil in eagle erstellen kann.
  • Ich habe vom Bauteil xx eine EAGLE Bibliothek gefunden, soll ich die verwenden? Sie können die Bauteile direkt verwenden, beachten Sie aber, dass der Schaltplan leserlich sein soll (siehe „Schaltplan zeichnen“).
  • Versuchen Sie keine länglichen Pads ( = Lötaugen) zu verwenden (z.B. bei manchen Through-Hole Komponenten). Falls eine Komponente aus der Lib solche Pads enthält, können Sie wie folgt vorgehen:
    (1) Export der Komponente aus der Schematic-Darstellung (Datei » Exportieren » Libraries und Auswahl der gewünschten Komponenten)
    (2) Öffnen der Komponente
    (3) Auswahl der Footprint Darstellung
    (4) Change-Funktion aktivieren (Schraubenschlüssel) » Shape » round
    (5) alle gewünschten Pads anklicken
    (6) ersten Pad auswählen und dieses als Quadrat ausführen. (Rechtsklick » Eigenschaften » Shape » Square)
    (7) Abspeichern und in brd als neue library einbinden
  • die schnelle Alternative zum eigen erstellten Footprint ist die Suche in größeren Libraries. Dazu bietet sich an:
    • die Suche über Google z.B. <Bauteilname> lib site:github.com . Statt nach „lib“ kann auch nach „sch“ gesucht werden. Die Library lässt sich in eagle schnell aus der schematic exportieren.
    • die Komponente muss auch nicht exakt übereinstimmen. So kann auch die Suche nach einer Komponente mit gleichem Footprint oder direkt nach der Bezeichnung des Footprints weiterhelfen
  • Überprüfen Sie, dass alles was oben auf der Platine gedruckt werden soll auf den „Top“ Layern tName bzw. tPlace zu finden ist. tPlace ist dabei frei verschiebbar - tName ist an das Bauteil gekoppelt. Mit Smash lassen sich diese tNames entkoppeln und löschen.
  • Prüfen Sie, dass keine Schrift über Lötpads verläuft. Ein Abstand von 6..10 mil ist einzuhalten
  • Führen Sie einen Design Rule Check aus (DRC)