wie man vom Breadboard zur Leiterplatte kommt

Der erste Schritt besteht darin, Ihre Ideen auf ein Breadboard zu übertragen. Sie haben einen funktionierenden Prototyp. Jetzt müssen Sie ihn dauerhaft machen. Mit Hilfe dieses Tutorials können Sie Ihr Projekt von einem Breadboard in ein zuverlässiges, fachmännisches Leiterplatte. Dieses Verfahren ist ein wichtiger Schritt. Er verwandelt ein Konzept in ein fertiges Produkt.

Der gesamte Vorgang wird in diesem Artikel beschrieben. Er umfasst den Prozess der Erstellung einer endgültigen Leiterplatte, oder PCBanhand eines Breadboard-Prototyps. Unabhängig davon, wie viel Erfahrung Sie haben, wird es von Vorteil sein. Wir werden jeden Schritt des Verfahrens besprechen. Dazu gehören das Löten, die Herstellung und das Design. Sie lernen alles, was Sie brauchen, um diese Änderung erfolgreich umzusetzen.

Gründe für den Wechsel von einem Breadboard zu einer Leiterplatte

Ein Breadboard kann verwendet werden, um Ihre Konzepte zu testen. Es ermöglicht es, Schaltungen schnell zu bauen und zu verändern. Es gibt nichts zu löten. Ein Breadboard für ein fertiges Projekt hat jedoch viele Probleme.

Die Verbindungen sind flüchtig. Überbrückungsdrähte und Komponentenkabel lassen sich leicht in Federklemmen einstecken. Sie sind leicht zu lösen. Ein kleiner Stoß kann dazu führen, dass eine Verbindung unterbrochen wird und Ihr Schaltkreis zusammenbricht. Die problematische Verbindung zu finden, kann eine ziemliche Herausforderung sein. Das macht Breadboards für ein fertiges Produkt unzuverlässig.

Außerdem verschlechtern Breadboards die Signalqualität. Die langen, unaufgeräumten Überbrückungsdrähte dienen als Antennen. Sie sind in der Lage, elektrisches Rauschen in der Atmosphäre aufzuspüren. Die Funktion Ihrer Schaltung kann durch dieses Rauschen beeinträchtigt werden. Besonders betroffen sind Schaltkreise mit empfindlichen analogen Komponenten oder hochfrequenten Signalen. Ihr Schaltkreis kann sich aufgrund des Rauschens seltsam verhalten.

Außerdem ist ein Breadboard-Prototyp groß und unaufgeräumt. Ein großer Teil des Platzes wird von den Kabeln und Komponenten eingenommen. Es wirkt nicht aufgeräumt. Ein großes Breadboard ist zu groß, um in ein Produktgehäuse zu passen. Daher ist eine kompaktere und langlebigere Lösung erforderlich.

Außerdem ist es schwierig, eine Breadboard-Schaltung zu duplizieren. Jede Verbindung wird von Hand hergestellt. Wenn Sie versuchen, die Schaltung erneut zu konstruieren, können Sie leicht einen Fehler machen. Aus diesem Grund sind Breadboards nicht ideal für die Herstellung großer Mengen Ihres Projekts. Um sicherzustellen, dass jede Einheit identisch ist, brauchen Sie eine Methode.

All diese Probleme werden durch eine Leiterplatte gelöst. Sie hat zahlreiche Vorteile.

Auf einer Leiterplatte sind die Verbindungen extrem zuverlässig. Sie sind keine losen Überbrückungskabel. Es sind Leiterbahnen - Kupferbahnen. Diese Leiterbahnen sind direkt auf die Platine geätzt. Mit Lötzinn werden die Komponenten an diesen Leiterbahnen befestigt. Daher sind die Verbindungen solide und langlebig. Weder durch Vibration noch durch Bewegung können sie sich lösen.

Eine Leiterplatte mit hervorragendem Design funktioniert elektrisch gut. Die Leiterbahnen können so gestaltet werden, dass sie extrem kurz sind. Ihr Verlauf liegt in Ihrer Kontrolle. Interferenzen und Rauschen werden dadurch verringert. Eine Massefläche, d.h. ein großer Abschnitt aus Kupfer, der mit der Erde verbunden ist, kann erstellt werden. Außerdem verbessert sie die Stabilität der Schaltung und verringert das Rauschen.

Eine Leiterplatte ist extrem klein. Die Teile können in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet werden. Die Platine kann so gefertigt werden, dass sie in ein bestimmtes Gehäuse passt. So kann Ihr fertiges Produkt professionell aussehen und klein sein. Egal, ob Sie Ihr Produkt verkaufen oder einfach nur gut aussehen lassen wollen, dies ist von entscheidender Bedeutung.

Außerdem sind PCBs sehr einfach zu vervielfältigen. Sie beginnen mit der Erstellung einer Designdatei. Diese Datei können Sie dann an einen Hersteller weiterleiten. Der Hersteller kann so viele identische Platinen herstellen, wie Sie benötigen. Alle Platinen werden identisch sein. Das ist wichtig, wenn Sie mehrere Einheiten Ihres Produkts herstellen wollen. Um von einem Test zu einem fertigen Produkt zu gelangen, müssen Sie Ihr Design auf eine kundenspezifische Platine übertragen.

Schritte vor dem Beginn Ihres Designs

Sie können es kaum erwarten, mit der Gestaltung Ihres Boards zu beginnen. Doch zunächst müssen Sie sich vorbereiten. Wenn Sie sich jetzt gut vorbereiten, werden Sie später viel Zeit sparen. Außerdem hilft es Ihnen, kostspielige Fehler zu vermeiden.

Sie müssen zuerst Ihren Schaltplan fertigstellen. Überprüfen Sie, ob die Schaltung auf Ihrem Breadboard die fertige Version ist. Überprüfen Sie die Werte der einzelnen Komponenten. Prüfen Sie jede Verbindung. Ein kleiner Fehler, wie z.B. ein fehlender Widerstand, kann Ihre gesamte Platine unbrauchbar machen. Deshalb müssen Sie äußerst vorsichtig sein.

Sie sollten eine spezielle Software verwenden, um einen formalen Schaltplan zu erstellen. Electronic Design Automation, oder EDA, ist der Name dieser Programme. KiCad, Eagle und EasyEDA sind einige bekannte EDA-Programme. Um einen Schaltplan zu zeichnen, braucht es mehr als nur ein Bild. Er erleichtert das klare Nachdenken über die Funktionsweise Ihrer Schaltung. Er dient als Blaupause für Ihre Platine.

Der nächste Schritt besteht darin, die digitalen Daten für jedes Ihrer Bauteile zu finden. Auf der Leiterplatte muss jede Komponente einen physischen Fußabdruck haben. Das Kupferpad-Muster, auf das die Komponente gelötet werden soll, wird als Footprint bezeichnet. Für jede Komponente in Ihrem Schaltplan muss der richtige Footprint gefunden werden. Das Datenblatt der Komponente ist die beste Quelle für diese Informationen.

Der Hersteller ist die Quelle des Datenblatts. Hier erfahren Sie alles, was Sie über das Bauteil wissen müssen. Es enthält die vorgeschlagenen Abmessungen für die Leiterplatte, Pin-Definitionen und die elektrischen Eigenschaften. Sie müssen es lesen. Die meisten EDA-Programme enthalten Bibliotheken mit zahlreichen gängigen Komponenten und deren Footprints. Sie können Ihr Bauteil häufig von Websites wie Ultra Librarian oder SnapEDA herunterladen, wenn es nicht in der Bibliothek enthalten ist. Alternativ können Sie auch das Datenblatt verwenden, um zu lernen, wie Sie den Footprint selbst zeichnen können.

Als nächstes müssen Sie die tatsächlichen Abmessungen Ihres Brettes entwerfen. Berücksichtigen Sie den Verwendungszweck des Boards. Soll es in einem Gehäuse untergebracht werden? Wird es ein eigenständiges Gerät sein? Sie müssen die Abmessungen und die Form des Boards bestimmen. Denken Sie an die Grenzen des Gehäuses. Planen Sie Befestigungslöcher in Ihren Entwurf ein. Dank der Montagelöcher kann das Board mit Schrauben fest auf einer Oberfläche oder in einem Gehäuse befestigt werden. Auch die Platzierung aller Anschlüsse und Komponenten der Benutzeroberfläche sollte geplant werden. Dazu gehören die Tasten, Displays, USB-Anschlüsse und der Stromanschluss. Im fertigen Produkt müssen diese Komponenten einfach zu erreichen sein. Daher müssen Sie sich genau überlegen, wo sie platziert werden sollen.

Ein PCB-Design-Tutorial: Wie Sie Ihre erste Platine herstellen

Sobald Sie alles vorbereitet haben, können Sie mit dem Designprozess beginnen. Dieser Prozess umfasst mehrere Hauptschritte. Wir werden jeden einzelnen davon durchgehen.

Schritt Eins: Schematische Erfassung

Hier fangen Sie an. Sie erstellen den logischen Bauplan Ihrer Schaltung in der EDA-Software.

Zuerst platzieren Sie die Komponentensymbole. Sie finden die Symbole für Ihre Bauteile in der Bibliothek der Software. Dann platzieren Sie sie auf Ihrem Schaltplanblatt. Ein Symbol ist eine einfache Zeichnung, die eine Komponente darstellt, z.B. ein Widerstand oder einen Chip.

Dann verbinden Sie die Komponenten. Sie verwenden ein Werkzeug in der Software, um Drähte zwischen den Pins der Symbole zu ziehen. Diese Drähte zeigen, wie die Komponenten elektrisch verbunden sind. Dies sollte mit der Schaltung übereinstimmen, die Sie auf Ihrem Breadboard gebaut haben.

Sie sollten Netzbeschriftungen für komplexe Verbindungen verwenden. Wenn Sie zum Beispiel alle Erdungsstifte mit Drähten verbinden, kann der Schaltplan sehr unübersichtlich aussehen. Eine Netzbeschriftung ist ein Name, den Sie einem Draht geben. Alle Drähte mit demselben Namen werden als verbunden betrachtet. Dadurch wird der Schaltplan viel sauberer und leichter zu lesen. Sie sollten also Beschriftungen für Strom, Masse und andere wichtige Signale verwenden.

Schließlich sollten Sie einen Electrical Rule Check (ERC) durchführen. Die ERC ist ein Werkzeug in Ihrer Software, das auf häufige Fehler in Ihrem Schaltplan prüft. Es kann Dinge wie nicht angeschlossene Pins oder zwei zusammengeschaltete Ausgänge finden. Sie müssen alle von der ERC gefundenen Fehler beheben, bevor Sie mit dem nächsten Schritt fortfahren.

Schritt Zwei: PCB-Layout

Jetzt entscheiden Sie über die physische Anordnung der Komponenten auf der Platine. Der Schaltplan zeigt, was angeschlossen wird. Das Layout zeigt, wie sie physikalisch verbunden sind.

Zunächst importieren Sie Ihr Design aus dem Schaltplan-Editor in den PCB-Layout-Editor. Wenn Sie dies tun, sehen Sie alle Komponenten-Footprints. Und Sie sehen dünne Linien, die die Pins verbinden. Diese Linien werden als Ratsnest bezeichnet. Der Rattenschwanz zeigt Ihnen, welche Pins mit Kupferbahnen verbunden werden müssen.

Dann definieren Sie den Umriss des Boards. Sie zeichnen die genaue Form und Größe Ihres physischen Brettes. Dies sollte dem Plan entsprechen, den Sie zuvor erstellt haben.

Der nächste Schritt ist die Platzierung der Komponenten. Dies ist ein sehr wichtiger und kreativer Schritt. Eine gute Platzierung macht den Rest des Designs viel einfacher. Deshalb sollten Sie sich hier Zeit nehmen. Sie sollten die großen Komponenten zuerst platzieren. Dazu gehören Anschlüsse, Montagelöcher und große Chips, denn deren Position ist oft fest vorgegeben. Dann sollten Sie verwandte Komponenten nahe beieinander platzieren. Ein Mikrocontroller und sein Quarzoszillator sollten zum Beispiel sehr nahe beieinander liegen. Dadurch werden die Verbindungen zwischen ihnen kurz. Kurze Verbindungen sind gut für die Signalqualität. Sie müssen auch an die Wärmeentwicklung denken. Einige Komponenten werden heiß. Sie sollten diese Teile dort platzieren, wo sie gut belüftet werden können. Oder Sie können einen Kühlkörper hinzufügen. Wenn Ihre Schaltung sowohl digitale als auch analoge Teile enthält, sollten Sie diese in separaten Bereichen der Platine unterbringen. Der Grund dafür ist, dass die schnell schaltenden digitalen Signale Rauschen erzeugen können, das die empfindlichen analogen Signale stört.

Dritter Schritt: Routing

Beim Routing werden die Rattennest-Linien in physische Kupferbahnen umgewandelt. Sie zeichnen die Drähte auf die Platine.

Sie sollten zuerst die Strom- und Masseleitungen verlegen. Strom- und Erdungsleitungen müssen oft mehr Strom führen als Signalleitungen. Sie sollten also breiter sein. Eine breitere Leiterbahn hat einen geringeren Widerstand. Dies verringert den Spannungsabfall. Für die Masseverbindung ist es oft am besten, eine Massefläche zu erstellen. Dabei handelt es sich um eine große Kupferfläche, die den größten Teil der Platine bedeckt und mit der Erde verbunden ist. Eine Massefläche bietet einen guten, niederohmigen Pfad für Rückströme. Und sie hilft, Rauschen zu reduzieren.

Dann sollten Sie kritische Signale routen. Das sind Signale wie Hochgeschwindigkeitsdatenleitungen, Taktsignale oder empfindliche analoge Signale. Diese Leitungen sollten so kurz und direkt wie möglich sein. Sie sollten scharfe 90-Grad-Biegungen vermeiden. Verwenden Sie stattdessen 45-Grad-Biegungen. Scharfe Biegungen können bei hohen Frequenzen Probleme mit der Signalreflexion verursachen.

Nach den kritischen Signalen können Sie den Rest der Signalspuren verlegen. Die Breite einer Leiterbahn ist wichtig. Sie bestimmt, wie viel Strom sie sicher übertragen kann. Sie können einen Online-Rechner für die Leiterbahnbreite verwenden, um die richtige Breite für Ihre Bedürfnisse zu finden. Sie geben den Strom, den zulässigen Temperaturanstieg und die Kupferdicke ein. Und der Rechner sagt Ihnen, wie breit die Leiterbahnen mindestens sein müssen.

Manchmal können Sie zwei Punkte auf derselben Ebene des Brettes nicht miteinander verbinden. Es könnte ein Hindernis im Weg sein. Um dieses Problem zu lösen, können Sie ein Via verwenden. Ein Via ist ein kleines, plattiertes Loch, das eine Leiterbahn auf einer Schicht mit einer Leiterbahn auf einer anderen Schicht verbindet. So können Sie die Leiterbahn unter dem Hindernis hindurch auf eine andere Ebene führen. Und dann ein weiteres Via verwenden, um zur ursprünglichen Ebene zurückzukehren.

Schritt Vier: Kupfergießen und Endkontrolle

Nachdem Sie alle Leiterbahnen verlegt haben, können Sie einen Kupferguss anbringen. Ein Kupferguss füllt die leeren Bereiche der Platine mit Kupfer auf. Normalerweise verbinden Sie diesen Kupferguss mit Ihrem Erdungsnetz. So entsteht eine große Massefläche. Sie verbessert die elektrische Leistung Ihrer Platine und kann zur Wärmeableitung beitragen.

Bevor Sie Ihre Arbeit beenden, müssen Sie noch eine letzte Prüfung durchführen. Führen Sie den Design Rule Check (DRC) durch. Der DRC ist ein Werkzeug, das Ihr Layout anhand einer Reihe von Regeln prüft, die Ihnen Ihr Leiterplattenhersteller zur Verfügung stellt. Dabei wird geprüft, ob z.B. Leiterbahnen zu nahe beieinander liegen oder ob sie zu nahe an Pads liegen. Sie müssen alle DRC-Fehler beheben. Wenn Sie dies nicht tun, kann es sein, dass Ihre Platine nicht herstellbar ist. Oder sie funktioniert nicht richtig. Sie sollten sich auch die gesamte Platine selbst ansehen. Überprüfen Sie noch einmal die Footprints der Komponenten. Stellen Sie sicher, dass sie die richtige Größe haben. Überprüfen Sie die Platzierung der Anschlüsse. Stellen Sie sicher, dass sie in die richtige Richtung zeigen. Eine sorgfältige Endkontrolle kann Sie vor vielen Problemen bewahren.

Die Wahl der richtigen Produktionsmethode für Ihre Leiterplatte

Sie haben Ihr Design fertiggestellt. Jetzt müssen Sie diese Designdatei in eine physische Platine umwandeln. Hierfür haben Sie einige Möglichkeiten.

Eine Möglichkeit ist ein Protoboard, auch Perfboard oder Veroboard genannt. Ein Protoboard ist eine einfache Platine mit einem Gitter aus Löchern. Die Löcher können durch Kupferstreifen verbunden sein oder auch nicht. Sie platzieren Ihre Bauteile in den Löchern. Und Sie löten Drähte an ihre Anschlüsse auf der Rückseite der Platine, um die Verbindungen herzustellen. Diese Methode ist gut für einfache, einmalige Schaltungen geeignet. Sie ist schneller und billiger als die Bestellung einer individuellen Leiterplatte. Aber die Verdrahtung wird immer noch von Hand vorgenommen. Es ist also immer noch möglich, Fehler zu machen. Und sie sieht nicht so professionell aus wie eine maßgeschneiderte Leiterplatte.

Eine andere Möglichkeit ist, die Leiterplatte selbst herzustellen. Dies wird als DIY-PCB-Fertigung. Eine gängige Methode ist die Tonerübertragung. Sie drucken Ihr Platinenlayout mit einem Laserdrucker auf Spezialpapier. Dann verwenden Sie ein heißes Bügeleisen, um den Toner vom Papier auf eine kupferbeschichtete Platine zu übertragen. Der Toner dient als Maske. Dann verwenden Sie ein chemisches Ätzmittel, wie Eisenchlorid, um das unbedeckte Kupfer zu entfernen. So bleiben die gewünschten Kupferspuren zurück. Diese Methode ist lohnend. Und Sie erhalten damit sehr schnell eine Platine. Aber sie kann schmutzig sein. Und die Chemikalien sind gefährlich. Die Qualität ist möglicherweise nicht so gut wie bei einer professionellen Platine, insbesondere bei sehr feinen Leiterbahnen.

Die beliebteste Option ist heute die Verwendung eines Professioneller PCB-Hersteller. Es gibt viele Unternehmen, die online erschwingliche und qualitativ hochwertige PCB-Herstellungsdienste anbieten. Sie laden einfach Ihre Designdateien hoch, die in der Regel in einem Format namens Gerber-Dateien vorliegen. Dann wählen Sie Ihre Leiterplatten-Spezifikationen, wie Material, Farbe und Dicke. Und dann bezahlen Sie den Auftrag. Das Unternehmen stellt Ihre Platinen her und versendet sie an Sie. Mit dieser Option erhalten Sie die beste Qualität und ein sehr professionelles Ergebnis. Sie können Merkmale wie mehrere Lagen, Lötstoppmaske und Siebdruck verwenden. Die Kosten für kundenspezifische Leiterplatten sind in den letzten Jahren sehr niedrig geworden. Daher ist dies oft die beste Wahl, selbst für Hobbyprojekte.

Löten von Komponenten auf Ihrer neuen Leiterplatte

Ihre hergestellten Platinen sind angekommen. Jetzt ist es an der Zeit, die Komponenten darauf zu montieren. Dies ist der letzte Montageschritt.

Zunächst müssen Sie alle Ihre Werkzeuge und Komponenten. Sie benötigen einen guten Lötkolben mit einer sauberen Spitze. Sie brauchen Lötzinn. Und Sie brauchen Flussmittel. Flussmittel ist eine Chemikalie, die dem Lot hilft, reibungslos zu fließen und eine gute Verbindung herzustellen. Außerdem benötigen Sie Werkzeuge wie Drahtschneider, Pinzetten und vielleicht eine Lupe. Vergewissern Sie sich, dass Sie alle richtigen Komponenten bereithalten, die mit denen übereinstimmen, die Sie in Ihrem Entwurf angegeben haben.

Sie sollten zuerst die kleinsten Bauteile löten. Das bedeutet in der Regel, dass Sie mit den flachsten Teilen beginnen, wie Widerständen und kleinen oberflächenmontierten Chips. Dann kommen Sie zu den größeren Bauteilen, wie Kondensatoren und Steckern. Wenn Sie die großen Bauteile zuerst löten, können sie im Weg sein und es erschweren, die kleineren Teile um sie herum zu löten. Sie sollten also von der Innenseite der Platine nach außen arbeiten, und zwar von den kürzesten zu den höchsten Bauteilen.

Die Basis Löttechnik ist einfach. Sie erhitzen zuerst die Verbindung, nicht das Lot. Erhitzen Sie mit dem Lötkolben gleichzeitig das Bauteilkabel und das Leiterplattenpad für einige Sekunden. Berühren Sie dann das Lötzinn an der erhitzten Verbindung. Das Lötzinn sollte schmelzen und gleichmäßig um den Anschluss und das Pad fließen, so dass eine glänzende, vulkanförmige Verbindung entsteht. Dann entfernen Sie das Lötzinn und dann den Lötkolben. Eine gute Lötstelle ist glänzend und fest. Eine schlechte Lötstelle kann stumpf, klumpig oder rissig aussehen.

Nachdem Sie alle Komponenten gelötet haben, müssen Sie Ihre Arbeit sorgfältig überprüfen. Suchen Sie nach schlechten Lötstellen. Suchen Sie nach Lötbrücken. Eine Lötbrücke ist ein kleiner Lötfleck, der versehentlich zwei benachbarte Stifte oder Lötaugen miteinander verbindet. Dies kann einen Kurzschluss verursachen. Wenn Sie Probleme finden, müssen Sie diese beheben. Sie können eine Entlötlitze oder einen Lötsauger verwenden, um überschüssiges Lot zu entfernen.

Nachdem Sie alles überprüft haben, ist es nun an der Zeit, Ihr Board zu testen. Schließen Sie es zum ersten Mal an die Stromversorgung an. Es ist eine gute Idee, für das erste Einschalten eine strombegrenzte Stromversorgung zu verwenden. Dies kann Schäden im Falle eines Kurzschlusses verhindern. Prüfen Sie die Spannungen an den wichtigsten Punkten Ihrer Schaltung. Testen Sie dann die volle Funktionalität Ihrer Schaltung, um sicherzustellen, dass alles so funktioniert, wie Sie es geplant haben. Dies ist der Moment der Wahrheit. Und es ist sehr befriedigend, wenn Ihr Entwurf perfekt funktioniert.