Wenn Layout und Routing abgeschlossen sind, hängt die Langzeitzuverlässigkeit einer Leiterplatte von einigen praktischen PCB-Designrichtlinien ab: fertigungsgerechte Bauteilauswahl, das passende Basismaterial (Substrat), kontrolliertes EMI/EMC-Verhalten sowie ein robustes thermisches PCB-Design. Dieser Leitfaden (Teil 2) fasst bewährte Regeln zusammen, die sich in der Praxis – insbesondere unter US-Fertigungsanforderungen und realen Serienbedingungen – bewährt haben.
1. Bauteilauswahl: Mehr als nur Größe und Datenblatt
Die Auswahl von Bauteilen ist nicht nur eine elektrische Entscheidung. Sie beeinflusst auch Fertigungsausbeute, Prüfbarkeit, Nacharbeitsrisiko und Kosten.
Wenn möglich, gängige Gehäuse verwenden
Das kleinste Gehäuse nur zu wählen, „weil es gerade passt“, kann Bestückung und Prozessfenster erschweren und das Ausfallrisiko erhöhen. Standard-Footprints sind in der Regel leichter zu beschaffen, zu bestücken und zu verifizieren.
Gehäusewahl ist entscheidend: Vorsicht bei Fine-Pitch-QFP
Bei bedrahteten ICs (Leaded ICs) bestimmen Beinform und Pitch sowohl die Routing-Komplexität als auch die Lötrobustheit. Als Faustregel gilt: QFP-Gehäuse mit einem Pitch unter 0,5 mm sollten besonders kritisch bewertet werden. Wenn das Design es zulässt, ist ein BGA bei hoher I/O-Dichte oft die serienfreundlichere Option.
Lötbarkeit und Toleranz für bleifreie Prozesse prüfen
Stellen Sie sicher, dass Gehäuse, Anschlussgeometrie und Zuverlässigkeitswerte zum Prozessfenster passen – insbesondere bei bleifreiem Reflow-Löten.
Eine saubere Bauteilbibliothek pflegen
Eine disziplinierte Bibliothek (mechanische Konturen, Pad-Abmessungen, Lieferanteninfos) reduziert Footprint-Fehler und sorgt für konsistente Fertigung über verschiedene Revisionen hinweg.
2. PCB-Materialauswahl: Das Substrat an die Anwendung anpassen
„FR-4“ ist nicht gleich „FR-4“. Materialklassen unterscheiden sich deutlich in elektrischem Verhalten, thermischer Stabilität und Langzeitbeständigkeit. Starten Sie mit den Anforderungen an die Leiterplattenstruktur (einseitig, doppelseitig, multilayer) und legen Sie die Dicke anhand von Leiterplattengröße und Bauteilbelastung fest.
Elektrische Anforderungen zuerst
Wenn das Design empfindlich auf Verluste oder Impedanzverhalten reagiert, sollten Sie Materialien wählen, die die Signalintegrität unterstützen – nicht nur das günstigste oder „bekannte“ Material.
Die Zuverlässigkeits-Trias: Tg, CTE und Planheit
Bei wiederholten Temperaturzyklen werden Materialeigenschaften zum entscheidenden Faktor:
- Tg (Glasübergangstemperatur): höhere Tg unterstützt meist bessere thermische Robustheit
- CTE (thermischer Ausdehnungskoeffizient): Unterschiede erzeugen Spannungen, besonders in Z-Richtung
- Planheit/Verzug (Flatness/Warpage): beeinflusst Bestückungsausbeute und Prüfbarkeit
Achten Sie außerdem darauf, wie gut das Material robuste Vias und eine zuverlässige Metallisierung der Durchkontaktierungen (PTH, plated through-hole) unterstützt – das ist eng mit der Zuverlässigkeit von Multilayer-Aufbauten verknüpft.
Kosten nicht ignorieren – richtig abwägen
Materialpreise variieren stark zwischen Standard-FR-4, High-Tg-Varianten, Polyimid und RF-Laminaten. Wählen Sie die kostengünstigste Option, die die elektrischen und Zuverlässigkeitsanforderungen dennoch erfüllt.
3. EMI / EMC: Kopplungen reduzieren, bevor sie zum Problem werden
Externe Störungen lassen sich über Gehäuseschirmung und Schaltungsmaßnahmen beeinflussen. Das von der Leiterplatte selbst erzeugte Rauschen hängt jedoch stark davon ab, wie Bauteile platziert und Leiterbahnen geführt werden.
Störende und empfindliche Bereiche trennen
Wenn zwei Baugruppen sich gegenseitig beeinflussen können, ist Abstand das erste Werkzeug. Wenn Abstand nicht möglich ist, werden Isolation oder Abschirmung notwendig.
Lange parallele Leitungsführung zwischen „Frequenzwelten“ vermeiden
Parallel geführte, nicht zusammengehörige Signale können Übersprechen erzeugen. Für schnelle oder hochfrequente Leiterbahnen kann eine geerdete Abschirm-/Guard-Leitung helfen – sofern sie korrekt eingesetzt wird.
Den Lagenaufbau gezielt nutzen
- Bei 2-Lagen-Boards: Eine Seite für Signale vorsehen und die andere – wenn möglich – als durchgängige Masse-Referenz nutzen.
- Bei Multilayer-Designs: Empfindliche Signale zwischen soliden Referenzlagen platzieren, um Abstrahlung und Einkopplung zu reduzieren.
- Bei mikrowellenähnlichem Routing müssen Struktur und Dielektrikumsdicke das Impedanzziel erfüllen.
Hochfrequente Pfade kurz halten
Kürzere Basisleitungen bei Transistoren und kürzere HF-Leitungswege bedeuten meist weniger Abstrahlung und weniger Kopplungsmöglichkeiten.
Rückstrompfade sowie Power-/GND-Domänen trennen, wenn Frequenzen stark variieren
Gemeinsame Masse-/Versorgungsführung über unterschiedliche Frequenzbereiche hinweg ist eine häufige Ursache für Rausch-Einkopplung.
Analog- und Digitalmasse trennen – dann einmalig verbinden
Ein praxistauglicher Ansatz ist, Analog- und Digital-GND getrennt zu führen und sie dann an einem einzigen gemeinsamen Punkt am externen Massebezug zu verbinden.
Abstände erhöhen, wenn große Spannungsdifferenzen auftreten
Mehr Abstand reduziert Kopplung und senkt das Risiko unter Belastung.
4. Thermikplanung: Nicht die Wärme das Design begrenzen lassen
Mit steigender Packungsdichte wird Temperatur zum Zuverlässigkeitstreiber. Zu hohe Wärme kann Parameter verschieben, die Lebensdauer reduzieren und im Extremfall Bauteile ausfallen lassen.
Kupfer als Wärmespreizer nutzen
Mehr Kupferfläche um leistungshungrige Bauteile – besonders auf Masse – verteilt Wärme besser und reduziert Hotspots.
Mechanische Maßnahmen einsetzen, wenn nötig
Bauteile mit hoher Verlustleistung müssen ggf. vom Board abgehoben oder mit Kühlkörpern kombiniert werden, damit sich Wärme nicht im Laminat konzentriert.
Interne Masse als Mesh (und platzierungssensibel an den Rändern)
Bei Multilayer-Boards kann eine meshartige interne Massefläche zusammen mit einer randbewussten Platzierung die mechanische Stabilität erhöhen und die thermische Performance verbessern.
Hitzebeständige / flammhemmende Materialien wählen, wenn erforderlich
Wenn Umgebung oder Prozess Temperaturen fordern, sollten Materialien verwendet werden, die diese sicher tolerieren.
Fazit (Takeaway)
Diese PCB-Designrichtlinien – durchdachte Bauteilauswahl, passende Materialwahl, disziplinierte EMI/EMC-Kontrolle und praktische Thermikmaßnahmen – helfen, Nacharbeit zu reduzieren, die Fertigungsgerechtigkeit zu verbessern und die Langzeitzuverlässigkeit in der Serie zu erhöhen.
