Schaltungs- und Leiterplattendesign im Detail - Von der Idee zum fertigen Gerät

von: Daniel Schöni

Books on Demand, 2017

ISBN: 9783743183353

Sprache: Deutsch

690 Seiten, Download: 31326 KB

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Schaltungs- und Leiterplattendesign im Detail - Von der Idee zum fertigen Gerät

	Titelseite	5
	Impressum	6
	Inhaltsverzeichnis	7
	Vorwort	21
	Ein Wort zu Kunst	23
	Worauf beruhen unterschiedliche Layouts und Designs ?	24
	Bestellung und Vergabe von Aufträgen	25
	1 Entwicklung elektronischer Geräte	27
	1.1 Von der Idee zum fertigen Produkt	27
	1.1.1 Die Idee	28
	1.1.2 Sinn und Zweck	28
	1.1.3 Funktion	29
	1.1.4 Ziele	29
	1.1.5 Wege zum Ziel	30
	1.1.6 Kostenfaktoren	33
	1.1.7 Nutzen und Gewinn	36
	1.1.8 Umweltfaktoren	37
	1.2 Spezifikation	38
	1.2.1 Produkt-Beschreibung	39
	1.2.2 Funktionsübersicht	46
	1.2.3 Funktionsmuster	48
	1.2.4 Vorgaben	49
	1.2.5 Pflichten- und Lastenheft	55
	1.2.6 Patente	57
	1.3 Richtlinien und Vorschriften	60
	1.3.1 Richtlinien	60
	1.3.2 Vorschriften	61
	1.3.3 Normen	63
	1.4 Machbarkeit	68
	1.4.1 Planung	68
	1.4.2 Nachfrage	69
	1.4.3 Finanzierung:	69
	1.4.4 Worst-Case Scenario	70
	1.4.5 Realisierbarkeit	70
	1.5 Businessplan	71
	1.6 Schlussbewertung zur Ausführbarkeit	72
	2 Planung	73
	2.1 Produktekreationsprozess	74
	2.2 Produktphasen	75
	2.2.1 Vorbereitung	75
	2.2.2 Konzeptausarbeitung	76
	2.2.3 Grundentwicklung	76
	2.2.4 Produktentwicklung	77
	2.2.5 Fertigungsüberleitung	78
	2.2.6 Beginn der Serienfertigung	79
	2.2.7 Produktion	79
	2.2.8 Produktbetreuung	80
	2.2.9 Entsorgung und Recycling	80
	2.3 Design Flow	81
	2.3.1 Allgemeiner Design Flow	81
	2.3.2 Flussdiagramm zeigt Abhängigkeiten	82
	2.3.3 Meilensteine	85
	2.3.4 Überprüfung (Review)	85
	2.4 Terminplanung	86
	2.4.1 Grundlagen Terminplanung	86
	2.4.2 Erfahrungswerte für Arbeiten	87
	2.4.3 Gantt-Diagramm	88
	2.4.4 Tabellenkalkulation	89
	2.4.5 History Sheet	89
	2.5 Kostenlimit für die Entwicklung	92
	2.5.1 Missverständnisse, fehlende Absprachen und mangelhafte Kommunikation	92
	3 Design-Tools	95
	3.1 Mechanik	96
	3.1.1 Beispiele einiger Mechanik-Systeme	97
	3.1.2 Simulation	97
	3.1.3 Datenaustausch	98
	3.2 Elektronik	99
	3.2.1 Komplettsysteme	101
	3.2.2 freie Systeme	102
	3.2.3 einfache Systeme	102
	3.2.4 High-End Systeme	102
	3.3 Firm- und Software	103
	3.3.1 Softwaredesign	103
	3.3.2 Embedded Design	103
	3.3.3 In-circuit Programming	104
	3.3.4 Debugging	104
	3.4 Weitere Bereiche	105
	3.5 Freeware oder kommerzielle Tools	106
	3.5.1 Freeware	106
	3.5.2 Kommerzielle Produkte	107
	4 Baugruppendesign	109
	4.1 Anforderungen und Eigenschaften	110
	4.1.1 EMV	111
	4.1.2 Signalübertragung	123
	4.1.3 Elektromechanisches Schalten	130
	4.1.4 ESD	136
	4.1.5 IP-Schutzart	138
	4.1.6 Klassifizierung und Komplexität	141
	4.1.7 Mechanische Anforderungen	144
	4.1.8 Wärmeentwicklung	147
	4.1.9 Lebensdauer	158
	4.2 Position und Lage bestimmter Komponenten	165
	4.2.1 Anzeigen und Indikatoren	165
	4.2.2 Bedienungselemente	166
	4.2.3 Sensoren	167
	4.2.4 Schnittstellen	168
	4.2.5 Kabelzuführung	169
	4.2.6 Sicherheitselemente	169
	4.2.7 Stromversorgung	173
	4.2.8 Türen und Klappen	173
	4.2.9 Hilfsfunktionen	173
	4.2.10 Beschriftung	174
	4.3 Mechanische Elemente	175
	4.3.1 Frontplatten	175
	4.3.2 Gehäuse	177
	4.3.3 Befestigung	178
	4.3.4 Mechanische Funktionen	181
	4.4 Verdrahtung	182
	4.4.1 Leiterdichte	182
	4.4.2 Leiterabstand	183
	4.4.3 Leiterquerschnitt	184
	4.4.4 Isolationsmaterialien	185
	4.4.5 Installationsdraht	186
	4.4.6 Flexible Litzen	186
	4.4.7 Mehrfachkabel	186
	4.4.8 Kupferlackdraht	187
	4.4.9 Geschirmte Kabel	188
	4.5 Verbindungstechnik	189
	4.5.1 Wire-Wrap Technik	189
	4.5.2 Löttechnik	190
	4.5.3 Schraubanschlüsse	190
	4.5.4 Klemmtechnik	190
	4.5.5 Presstechnik	191
	4.5.6 Bonden	192
	4.5.7 Galvanisieren	192
	4.5.8 Fügen, Schweissen	193
	4.5.9 Steckverbinder	193
	4.6 Aufbau und Realisation	199
	4.6.1 Einzelgeräte	199
	4.6.2 Prototypen und Muster	199
	4.6.3 Nullserie	200
	4.6.4 Serie	201
	4.7 Inbetriebnahme und Test	203
	4.7.1 Tests in der laufenden Produktion	203
	4.7.2 Testbarkeit	204
	4.7.3 Erste Inbetriebnahme von Prototypen	206
	4.7.4 Typische Fehler bei Prototypen	208
	4.7.5 Stichproben auf Widerstandsfähigkeit	210
	4.8 Produktebetreuung	211
	4.8.1 Service = Dienstleistung	211
	4.8.2 Reparatur	211
	4.8.3 Entsorgung - Recycling	213
	5 Funktionsdesign	215
	5.1 Blockschema	215
	5.2 Schema	215
	5.2.1 Globale und lokale Elemente	216
	5.2.2 Funktionsblöcke	216
	5.2.3 Hierarchie	217
	5.2.4 Übergänge zwischen Blättern	218
	5.2.5 Darstellung	219
	5.2.6 Schema Beispiele	230
	5.2.7 Netzlisten	244
	5.2.8 Stücklisten	244
	5.2.9 Bibliotheken	245
	5.2.10 Testbarkeit	245
	5.3 Komponenten	246
	5.3.1 Funktion gesucht ..	246
	5.3.2 Angebote: Distributoren und Händler	248
	5.3.3 Verträge	249
	5.3.4 Komponenten-Evaluation in Betrieben	250
	5.4 Kriterien zur Auswahl von Komponenten	251
	5.4.1 Bauform	252
	5.4.2 Leistung	254
	5.4.3 Chip-Komponenten: Baugrössen	255
	5.4.4 Kondensatoren	257
	5.4.5 Spulen	263
	5.4.6 Widerstand und Frequenz	264
	5.4.7 Operationsverstärker	264
	5.4.8 Logik	267
	5.5 Simulation	269
	5.5.1 Gründe für eine Simulation:	270
	5.5.2 Simulations-Modi und -Typen	271
	5.5.3 Spice	272
	5.5.4 Fehlfunktion: Simulation oder Schaltung?	280
	5.5.5 Fazit	280
	5.5.6 Field-Solver (EMS)	282
	5.5.7 Thermische Simulation	283
	5.6 Vorgaben für Leiterplatten im Schema	284
	5.6.1 Strompfade	284
	5.6.2 Spannungen	284
	5.6.3 Leistungsbereiche	284
	5.6.4 Differentielle Leiter	284
	5.6.5 Impedanzkontrolle	285
	5.6.6 Vorgaben der Hersteller	285
	5.7 Schema-Funktionsprüfung	286
	5.7.1 Electrical Rule Check	286
	5.7.2 Optische Prüfung	287
	5.7.3 Review	287
	6 Leiterplattendesign	289
	6.1 Sinn und Zweck	289
	6.1.1 Träger für Komponenten	289
	6.1.2 Leitungsträger für Verbindungen	290
	6.1.3 Bauteil mit eigenen Eigenschaften	290
	6.2 Kurze Geschichte der Leiterplatte	291
	6.2.1 Wichtigste Daten und Patente	291
	6.2.2 Fertigungsverfahren	292
	6.2.3 Layerverwendung	292
	6.2.4 Layoutübertragungstechnik	293
	6.2.5 Masssysteme	293
	6.2.6 Umrechnung Zoll - Meter	294
	6.2.7 Koordinatensystem	294
	6.3 Anforderungen an Leiterplatten	295
	6.3.1 Packungsdichte	295
	6.3.2 Machbarkeit	296
	6.4 Trägermaterial für Leiterplatten	297
	6.4.1 Einige Begriffe	297
	6.4.2 Basismaterial	298
	6.4.3 Aufbau von Basismaterial	299
	6.4.4 Kenndaten	307
	6.4.5 Materialauswahl	311
	6.4.6 Daten einiger Basismaterialien im Vergleich	312
	6.5 Leiterplattenfertigung	314
	6.5.1 Leiterplattentypen	314
	6.5.2 Oberflächen	317
	6.5.3 Einfache Leiterplatten	321
	6.5.4 Multilayer	322
	6.5.5 Herstellung eines Multilayers	323
	6.5.6 Leiterplatten Aufbau	332
	6.5.7 Löcher und Bohrungen	342
	6.5.8 Fertigungsdaten	359
	6.6 Board Erstellung	372
	6.6.1 Wahl der Strategie	374
	6.6.2 Layer einrichten	376
	6.6.3 Definition der Leiterplatte	382
	6.6.4 Beschriften, Vermassen und Dokumentieren	386
	6.6.5 Platzieren	393
	6.6.6 Routen (Leiter verlegen)	401
	6.6.7 Stromtragfähigkeit und Erwärmung	418
	6.6.8 Leiterabstand und elektrische Isolation	436
	6.6.9 Testpunkte	441
	6.7 EMV-Design	443
	6.7.1 Versorgungssysteme	443
	6.7.2 Proximity-Effekt	449
	6.7.3 Mehrere Versorgungssysteme	452
	6.7.4 Leiterführung	454
	6.8 High-Speed-Design	457
	6.8.1 Wann beginnt „High-Speed“?	457
	6.8.2 Kritische Leiterlänge	459
	6.8.3 Impedanzkontrollierte Leiter	460
	6.8.4 Vias im High-Speed-Umfeld	466
	6.8.5 Besondere Materialien für hohe Frequenzen	471
	6.8.6 Differentielle Leiter	472
	6.9 spezielle Anforderungen	475
	6.9.1 bewegliche Teile	475
	6.9.2 Flex	476
	6.9.3 Starr-Flex	484
	6.9.4 Semi-Flex	494
	6.9.5 ZIF-Kontaktierung	497
	6.9.6 Eingebettete Komponenten	500
	6.9.7 MID-Technologie	506
	6.10 Regeln, Rules und Constraints	509
	6.10.1 Definieren von Rules	509
	6.10.2 Wichtigste Rules	511
	6.10.3 Elektrisch und Routing	511
	6.10.4 Herstellung	511
	6.10.5 Planes und Polygone	513
	6.10.6 Masken	514
	6.10.7 Bestückung	514
	6.10.8 High-Speed und EMV	515
	7 Bibliotheken	517
	7.1 Komponenten-Verwaltung	517
	7.1.1 Komponenten-Erfassung	518
	7.1.2 Bauteile-Bibliotheken	519
	7.1.3 Komponenten-Definition	522
	7.2 Schema-Bibliothek	525
	7.2.1 Symbolbibliothek erstellen	525
	7.2.2 Masse und Raster	526
	7.2.3 Aufbau von Schema-Symbolen	527
	7.2.4 Bezeichnung von Schemasymbolen	527
	7.2.5 Parts (Einzel-Schaltkreise)	528
	7.2.6 Pinbelegung und -Bezeichnung	528
	7.2.7 Polarisierte Bauteile	529
	7.2.8 Nichtelektrische Bauteile	530
	7.3 PCB-Bibliothek	531
	7.3.1 Voraussetzungen	532
	7.3.2 SMD-Landeflächen nach IPC-7351B	535
	7.3.3 THT-Landeflächen	543
	7.3.4 Namen Definition nach IPC-Standard	548
	7.3.5 Weitere Bauformen	557
	7.3.6 Landeflächen nach Hersteller-Vorgabe	557
	7.3.7 Namen Definition allgemein	558
	7.3.8 Null-Rotation für Bauteile	565
	7.3.9 Beispiele	568
	7.3.10 Nachwort	577
	8 Baugruppenfertigung	579
	8.1 Umgang mit Komponenten	579
	8.1.1 ESD - Elektrostatische Entladungen	580
	8.1.2 ESD - Ereignis	587
	8.1.3 ESD - Schutz	590
	8.1.4 Verweise auf Literatur	600
	8.2 Fertigung	601
	8.2.1 Fertigungsdaten	601
	8.2.2 Lotpasten-Druck	606
	8.2.3 Manuelles Bestücken	607
	8.2.4 Maschinelles Bestücken	610
	8.2.5 Löten	612
	8.2.6 Design-Anforderungen	616
	8.2.7 Bestückungsnutzen	617
	8.2.8 Variantenbestückung	618
	8.3 Baugruppen-Tests	619
	8.3.1 Optische Inspektion	620
	8.3.2 Automatische optische Inspektion (AOI)	620
	8.3.3 In-Circuit-Test	622
	8.3.4 Flying-Probe-Test	629
	8.3.5 Prüfzeichen	631
	8.3.6 EMV-Tests	632
	8.4 Inbetriebnahme	641
	8.4.1 Burn-In Test	642
	8.5 Leiterplattenreparatur	643
	8.5.1 Verwechselte Speisungsanschlüsse	643
	8.5.2 Verwechselte Anschlüsse	643
	8.5.3 Vergessene Komponenten	644
	8.5.4 Leiterbahnen	645
	8.5.5 Vias	646
	8.5.6 Durchkontaktierung in Befestigungslöchern	646
	8.5.7 Rückzug der Planes in Befestigungslöchern	647
	8.5.8 Beispiel: Mechanischer Bruch in Multilayer	647
	8.6 Auftragsabwicklung	648
	8.6.1 Auftragsvergabe	648
	8.6.2 Offertanfrage	648
	8.6.3 Bestellung	649
	8.6.4 Rückfragen	650
	Anhang A: Projektübernahme	651
	Anhang B: Musterleiterplatte	653
	Anhang C: Glossar	659
	Index	668
	Quellenverzeichnis	683

Schaltungs- und Leiterplattendesign im Detail - Von der Idee zum fertigen Gerät

von: Daniel Schöni

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