Eine PCB-Leiterbahn gehört zu den unverzichtbarsten Bestandteilen einer gedruckten Schaltkarte, wird jedoch häufig von Anfängern übersehen. Vereinfacht ausgedrückt ist eine Leiterbahn eine Kupferleiterbahn oder ein leitfähiger Kupferpfad, der elektrischen Strom zwischen elektronischen Komponenten leitet. Sobald ein Signal von einem Chip zu einem anderen wandert oder Strom von einem Anschluss zu einem Gerät fließt, erfolgt dies in der Regel über einen PCB-Leiter. Das bedeutet, dass die Leiterbahn nicht einfach nur eine Linie auf einer Platine ist. Vielmehr stellt sie das Fundament der elektrischen Schaltkreise auf der PCB, der PCB-Routing-Strategie und der gesamten Platine dar. Ohne ordnungsgemäße Leiterbahnen funktioniert selbst die bestentworfene Schaltung nicht korrekt.
Der Grund, warum das Design von Leiterbahnen auf Leiterplatten (PCBs) von großer Bedeutung ist, liegt darin, dass Leiterbahnen mehr tun als lediglich Verbindungspunkte auf einer Platine zu verbinden. Sie beeinflussen zudem die elektrische Effizienz der Leiterplatte, die Signalstabilität, die Stromverteilung, den Spannungsabfall sowie die Wärmeableitung. Eine zu schmale Leiterbahn kann überhitzen oder sogar schmelzen. Eine zu lange Leiterbahn kann zusätzlichen Widerstand erzeugen und die Signalübertragung verlangsamen. Eine falsch gerichtete Leiterbahn kann Übersprechen (Crosstalk), elektromagnetische Störungen oder Signalverzerrungen verstärken. Grundsätzlich kann die Qualität einer Leiterbahn entscheidend dafür sein, ob ein Produkt reibungslos funktioniert oder unter hoher Last ausfällt.
Deshalb achten Konstrukteure bereits sehr früh im Entwurfsprozess auf die Breite, Dicke und Anordnung der Leiterbahnen auf der Leiterplatte (PCB). Diese Aspekte sind nicht visuell wahrnehmbar. Es handelt sich um konstruktive Entscheidungen, die Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Herstellbarkeit beeinflussen. Beispielsweise benötigt eine Leistungssteuerkarte für einen elektrischen Antriebsmotor deutlich breitere Leiterbahnen als eine kleine Aufnahmeschaltkarte. Eine Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltkarte könnte sorgfältig geplante Leiterbahnabstände und Impedanzkontrolle erfordern. Eine flexible Leiterplatte könnte andere Leiterbahnvorgaben benötigen als eine starre FR-4-Leiterplatte . Die optimalen Entscheidungen hängen vom Schaltkreis, den Komponenten und der späteren Anwendung ab.
Das Verständnis der Leiterbahnbreitenabschätzung und des Leiterbahnwiderstands auf Leiterplatten ist sowohl für Einsteiger als auch für erfahrene Entwickler von Nutzen. Einsteiger konzentrieren sich häufig auf die Platzierung der Komponenten und die Schaltplanverbindungen; die Leiterbahngestaltung jedoch ist entscheidend dafür, dass das Design zu einem funktionsfähigen physikalischen Produkt wird. Erfahrene Ingenieure wissen, dass die Leiterbahngestaltung Auswirkungen hat – von einer Überhitzung der Leiterplatte bis hin zur mechanischen Stabilität der Platine. Falls Sie ein Modell entwickeln, Automatisierungslösungen erstellen oder die Leiterplattenfertigung und -konstruktion verantworten, ist Fachkompetenz im Bereich Leiterbahnen äußerst wichtig.
Im Folgenden sind einige der wichtigsten Aspekte hinsichtlich des Leiterbahndesigns aufgeführt:
Aktuelle Belastbarkeit: Die Leiterbahn muss den Strom sicher führen können, ohne überzuhitzen.
Spannungssicherheit: Lange oder schmale Leiterbahnen können unerwünschte Spannungsabfälle verursachen.
Signalqualität: Eine schlechte Signalübertragung kann die Signalintegrität beeinträchtigen und das Rauschverhalten erhöhen.
Thermische Leistung: Dünne Leiterbahnen können bei hohem Stromfluss wie Widerstände wirken.
Produktionserfolg: Eine gute Leiterbahnanordnung verbessert die Herstellbarkeit von Leiterplatten und verringert das Risiko von Fertigungsproblemen.
Betrachten Sie zwei Leiterbahnen auf einer Leiterplatte, die denselben Strom führen. Die eine Leiterbahn ist breit und kurz, die andere schmal und lang. Die schmale Leiterbahn weist einen höheren Widerstand auf, erwärmt sich daher stärker und verursacht einen größeren Spannungsabfall entlang der Leitung. Langfristig kann dies zu einem Ausfall führen. Die breite Leiterbahn hingegen bleibt kühler und funktioniert zuverlässiger. Daher ist die Dimensionierung von Leiterbahnen in der Leiterplattenentwicklung und im elektronischen Design von entscheidender Bedeutung.
Eine kleine PCB-Version für ein IoT-Gerät funktionierte während der Laborprüfung einwandfrei, versagte jedoch, nachdem sie in ein wärmeres System eingebaut wurde. Das Problem lag nicht am Chip oder an der Firmware. Die Ursache war vielmehr, dass die Stromversorgungsleitung zu schmal für den tatsächlichen Betriebsstrom ausgelegt war. Während sich die Platine erwärmte, stieg die Temperatur der Leitung an, der Widerstand erhöhte sich und die Spannung fiel unter das vom Sensor benötigte Niveau. Eine grundlegende Neugestaltung der Leitung löste das Problem. Dies ist ein typisches Beispiel dafür, warum die Dimensionierung von Leitungen nicht als nachträgliche Überlegung behandelt werden darf.
Ein gutes Leiterplattendesign besteht nicht einfach darin, praktisch ideale Komponenten auf eine Platine zu montieren. Vielmehr geht es darum, vertrauenswürdige elektrische Wege zu schaffen, die unter realen Betriebsbedingungen zuverlässig funktionieren. Das bedeutet, die optimale Leiterbahngeometrie auszuwählen, geeignete Leiterplatten-Übertragungstechniken anzuwenden und ein sorgfältiges thermisches Management der Leiterplatte sicherzustellen. Darüber hinaus ist es erforderlich, zu verstehen, wie sich die Leiterplattenfunktionen auf die physische Platine beziehen. Wenn Sie genau wissen, wie Strom fließt, wie Widerstand entsteht und insbesondere, wie Wärme sich im Kupfer ausbreitet, können Sie deutlich leistungsfähigere und zuverlässigere Leiterplatten entwerfen.
Eine Leiterbahnspur ist mehr als nur eine einfache Kupferlinie. In der modernen Leiterplattendesign-Praxis stellt sie die eigentliche Verbindung dar, die es ermöglicht, Strom, Daten und Steuersignale über die Leiterplatte zu leiten. Leiterbahnen verbinden elektronische Komponenten wie ICs, Widerstände, Kondensatoren, Sensoreinheiten, Anschlüsse und Stromversorgungsgeräte und machen die Schaltung damit physisch und elektrisch funktionsfähig. Da sie für die Signalübertragung zuständig sind, stellen Leiterbahnen die eigentlichen „Verkehrswege“ der Leiterplatte dar. Ohne sie bliebe ein Schaltplan definitiv nur eine theoretische Idee. Mit ihnen wird das Design zu einer funktionsfähigen gedruckten Hauptplatine.
In heutigen elektronischen Geräten müssen Leiterbahnen weit mehr leisten als nur den Strom zu führen. Sie müssen die Signalstabilität bewahren, die Stromversorgung unterstützen, den elektrischen Widerstand der Leiterplatte verringern und unerwünschte Störgeräusche vermeiden. Dies gilt insbesondere für Leiterplatten mit schnellen elektronischen Signalen, HF-Bereichen, Ansteuerungen für elektrische Motoren oder Hochleistungsschaltungen. Eine Leiterbahn, die in einer Standard-LED-Leiterplatte einwandfrei funktioniert, kann bei einem Hochgeschwindigkeits-Controller völlig versagen, wenn sie nicht korrekt dimensioniert oder ausgelegt ist. Daher stellt die Optimierung von Leiterbahnen einen wesentlichen Aspekt sowohl des Leiterplattendesigns als auch der Leiterplattenherstellbarkeit dar.
Stromfluss: Die Leiterbahn muss den erforderlichen Strom sicher führen.
Spannungssicherheit: Lange Leiterbahnen können zu Spannungsabfällen führen.
Wärmemanagement: Dünne Leiterbahnen können unter hohen Lasten überhitzen.
Störgeräuschunterdrückung: Eine schlechte Auslegung kann elektromagnetische Störungen (EMI) und Übersprechen (Crosstalk) verstärken.
Platinengröße: Die Auslegung der Leiterbahnen beeinflusst, wie klein die Platine sein kann.
Jede Leiterbahn weist einen Widerstand auf. Auch Kupfer ist kein hervorragender Leiter. Wenn Strom durch eine Leiterbahn fließt, geht ein Teil der Leistung als Wärme verloren. Daher spielt die Beziehung zwischen Leiterbahnenwiderstand, Stromtragfähigkeit und Leiterbahn-Temperatur eine große Rolle. Ist die Leiterbahn zu schmal ausgelegt, steigt der Widerstand, was zu stärkerer Erwärmung und einer höheren Wahrscheinlichkeit führt, dass die Leiterplatte (PCB) übermäßig heiß wird.
Mehrere physikalische und elektrische Eigenschaften bestimmen, wie sich eine PCB-Leiterbahn verhält. Dazu gehören Leiterbahnbreite, Leiterbahndichte, Leiterbahnlänge, Leiterbahnabstand, Leiterbahngeometrie sowie Oberflächenfinish. Gemeinsam bestimmen diese Eigenschaften, wie viel Strom die Leiterbahn führen kann, welchen Widerstand sie aufweist und wie effizient sie ein Signal übertragen kann.
Die Leiterbahnbreite ist die gerade Breite des Kupferpfads. Breitere Leiterbahnen können deutlich mehr Strom führen und laufen kühler. Schmalere Leiterbahnen ermöglichen eine dichtere Verdrahtung, sind jedoch möglicherweise für Hochspannungsleitungen nicht geeignet.
Die Kupferdichte wird häufig durch das Kupfergewicht oder in Mikrometern angegeben. Eine dickere Kupferschicht verringert den Widerstand und verbessert die thermische Leistung. Daher ist das Kupfergewicht auf Leiterplatten ein entscheidender Faktor bei der Abschätzung der Stromtragfähigkeit von Leiterbahnen.
Längere Leiterbahnen weisen einen höheren Widerstand und eine größere Wahrscheinlichkeit für Signalverzögerungen auf. Bei digitalen oder HF-Leiterplatten kann die Leiterbahnbreite Timing, Störfestigkeit und Signalqualität beeinflussen.
Der Abstand zwischen Leiterbahnen hilft, Übersprechen (Crosstalk) und elektromagnetische Interferenzen (EMI) zu vermeiden. Ein zu geringer Abstand kann dazu führen, dass Signale sich gegenseitig stören – insbesondere bei Hochgeschwindigkeits-Leiterplattenlayouts.
Spitze Ecken, extreme Krümmungen und negative Übertragungswinkel können Probleme verursachen. Viele Ingenieure wählen einen Übertragungswinkel von 45 Grad, da dieser bei der Fertigung sauberer ist und in der Regel besser für Signalwege geeignet ist als scharfe 90-Grad-Winkel.
Durchkontaktierungen verbinden die Leitungsebenen auf mehrlagigen Leiterplatten. Jede Durchkontaktierung weist jedoch einen geringen Widerstand und eine geringe Induktivität auf. Dies ist bei Hochgeschwindigkeits- oder Hochstromanwendungen von Bedeutung.
Die Leitungseigenschaft hängt zudem von der Endbeschichtung der Leiterbahn und davon ab, wie gut das Kupfer während der Leiterplattenfertigung und -entwicklung haftet. Eine unzureichend oder fehlerhaft ausgeführte Leitung kann weniger zuverlässig sein oder schwieriger zu löten.
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Eigentum |
Auswirkung auf die Leiterplattenleistung |
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Breite |
Strombelastbarkeit, Wärme, Widerstand |
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Stärke |
Niedrigerer Widerstand, bessere Strombelastbarkeit |
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Länge |
Höherer Widerstand, größere Verzögerung |
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Abstand |
EMI- und Übersprechen-Kontrolle |
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Geometrie |
Herstellung höchster Qualität und signaltechnische Best Practices |
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Vias |
Schichtübergänge und Leitungsbequemlichkeit |
Der PCB-Leiterbahnstrom ist die Menge elektrischen Stroms, die durch eine Kupferleiterbahn fließt. Dies mag offensichtlich erscheinen, doch ist es tatsächlich einer der wichtigsten Konstruktionsparameter einer Leiterplatte. Wenn eine Leiterbahn mehr Strom führt, als sie ausgelegt ist, kann sie überhitzen, Spannungseinbußen verursachen oder vollständig ausfallen. Daher berechnen Konstrukteure die Stromtragfähigkeit der Leiterbahnen bereits vor Abschluss des Designs.
Die Stromtragfähigkeit einer Leiterbahn hängt ab von:
Leiterbahngröße
Kupferdichte
Leiterbahndimension
Umgebungstemperatur
Zulässige Leiterbahn-Temperatur
Kühlungsaspekte
PLATTENMATERIAL
Eine breitere Leiterbahn kann aufgrund ihrer größeren Querschnittsfläche deutlich mehr Strom führen. Eine dickere Kupferschicht hilft zudem, weil sie den Widerstand verringert. Im Gegensatz dazu besitzt eine lange, schmale Leiterbahn eine deutlich geringere Stromtragfähigkeit und neigt stärker zur Erwärmung.
Bestehende Auswirkungen:
Stromverteilung
Spannungsabfall
Leiterbahntemperatur
Zuverlässigkeit der Leiterplatte
Sicherheit
Effizienz der Leiterplatte
Überhitzung
Kupferdelamination
Geschmolzene Leiterbahnbereiche
Offene Stromkreise
Verkürzte Produktlebensdauer
Lötverbindungsspannung
Eine gute Leiterplatten-Layoutführung ist nicht willkürlich. Sie folgt einem Plan. Leiterbahnen müssen so angeordnet werden, dass die Versorgung mit Strom und Masse stabil bleibt, Signale von höchster Qualität sind und Störungen minimiert werden. In der Praxis bedeutet dies, verschiedene Signalarten zu trennen, Rückführungswege zu steuern und den geeigneten Layer-Aufbau auszuwählen.
Stromversorgungsleiterbahnen groß und kurz halten
Signalleiterbahnen sauber und gerade halten
Bodenfahrzeuge verwenden, um den Lärm zu verringern
Unnötige Sicherheitslücken verhindern
Hochgeschwindigkeitssignale von Niedergeschwindigkeitssignalen trennen
Via-Verbindungen in wichtigen Signalpfaden umfangreich einsetzen
Stromleitungen sollten in der Regel breiter als Signalleitungen sein, da sie deutlich mehr Strom führen. Masseflächen bieten einen niederohmigen Rückführpfad und tragen zur Stabilität der Leiterplatte bei. Signalleitungen sollten so verlegt werden, dass laute Bereiche vermieden werden – insbesondere in der Nähe von Schaltnetzteilen, Motoren oder HF-Quellen.
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Routing-Methode |
Festigkeit |
Schwäche |
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Automatisches Routing |
Schnell und bequem |
Kann eine schlechte Leitungsqualität erzeugen |
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Praktische Routing-Methoden |
Bessere Steuerung und Optimierung |
Beansprucht deutlich mehr Zeit |
Verwendung von 45-Grad-Leiterbahnen
Leiterbahnen nach Möglichkeit kurz halten
Kontinuierliche Breiten für wesentliche Leiterbahnen beibehalten
Scharfe Leiterbahnkanten vermeiden
Tränenförmige Pads dort verwenden, wo Zuverlässigkeit kritisch ist
Routing mit Design-Rule-Check (DRC) überprüfen.
Bei der Konstruktion von mehrlagigen Leiterplatten ist das Routing in der Regel einfacher, da Signale zwischen den inneren Lagen umgeleitet werden können. Allerdings muss jede dieser Anforderungen aktiv berücksichtigt werden. Durchkontaktierungen (Through-hole vias), blinde Vias (blind vias) und eingebettete Vias (buried vias) wirken sich jeweils unterschiedlich auf Kosten und Leistung aus.
Bei Hochgeschwindigkeitselektronik beeinflusst die Leiterbahnbreite mehr als nur den Stromfluss. Sie wirkt sich zudem auf die Impedanz der Leiterbahn aus, was die Signalqualität beeinträchtigt. Ändert sich die Impedanz einer Leiterbahn plötzlich, kann ein Teil des Signals reflektiert statt sauber weitergeleitet werden. Dies wird als Reflexion bezeichnet und kann die Signalqualität beeinträchtigen.
Unerwartete Änderungen der Leiterbahnbreite.
Impedanzunterschiede.
Schlechte Übergänge zwischen den Lagen.
Unzureichende Anpassung der Leiterbahnen.
Scharfe geometrische Änderungen.
Lange, nicht abgeschlossene Signalleitungen.
Die Breite einer Leiterbahn beeinflusst ihre elektrischen Eigenschaften. Breitere Leiterbahnen weisen in der Regel eine geringere Empfindlichkeit auf, während schmalere Leiterbahnen eine höhere Empfindlichkeit aufweisen. Bei Hochgeschwindigkeits-PCB-Layouts ist dies von großer Bedeutung, da Signale vorhersehbar übertragen werden müssen. Wird die Impedanz nicht berücksichtigt, kann dies zu Signalverzerrungen, Timing-Fehlern oder beschädigten Daten führen.
Halten Sie die Leiterbahnbreite konstant.
Passen Sie die Impedanz dort an, wo erforderlich.
Vermeiden Sie geometrische Sprünge.
Verwenden Sie geeignete Impedanzanpassung bei Hochgeschwindigkeitsleitungen.
Halten Sie die Leiterbahnen kurz und geradlinig.
Trennen Sie störanfällige Leiterbahnen von empfindlichen Leiterbahnen.
Die Signalrepräsentation ist besonders wichtig bei:
USB-Differenzialpaaren.
LVDS-Übertragung.
RF-Leiterplatten-Layout.
Schnellen digitalen Bussen.
Taktdatenleitungen.
Hochfrequenten Interaktionsverbindungen.
Eine Leiterplatte wies wiederholte digitale Fehler in einer Hochgeschwindigkeitstaktdatenleitung auf. Die Ursache war eine Leiterbahn, deren Breite sich plötzlich in der Nähe eines Anschlusses veränderte. Diese geringfügige geometrische Änderung führte zu einer Impedanzdiskontinuität. Nachdem die Leiterbahn mit konstanter Breite ausgeführt wurde, verschwanden die Fehler.
Ein gutes Leiterbahndesign gehört zu den schnellsten Methoden, um die Qualität der Platine zu verbessern. Ein ausgezeichnetes Leiterbahndesign trägt zur thermischen Sicherheit, zur Signalgenauigkeit und zur Erzeugung einer Rückführung bei. Außerdem wird die Platine dadurch später einfacher zu prüfen und zu bearbeiten.
Wählen Sie die Leiterbahnbreite basierend auf dem Strom.
Verwenden Sie breitere Leiterbahnen für Stromversorgungsleitungen.
Halten Sie Hochgeschwindigkeitsleiterbahnen kurz und gerade.
Vermeiden Sie es, empfindliche Signale in der Nähe störanfälliger Komponenten zu routen.
Achten Sie auf den richtigen Leiterbahnenabstand.
Verwenden Sie eine saubere Massefläche.
Führen Sie vor der Fertigung eine Designrule-Check (DRC) durch.
Verwenden Sie Masseflächen für thermische Unterstützung.
Fügen Sie Verjüngungen für leistungsfähigere Leiterbahnen hinzu.
Verlegen Sie mit 45-Grad-Winkeln.
Verwenden Sie differenzielle Sammelleitungsführung für ausgeglichene Signale.
Berücksichtigen Sie die Impedanz bei HF- und Hochgeschwindigkeitsleitungen.
Modellierung und Prüfung vor der endgültigen Fertigung.
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Best Practice |
Vorteil |
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Breitere Stromleitungen |
Weniger Wärmeentwicklung und geringerer Widerstand |
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Kurze Signalleitungen |
Bessere Signalintegrität |
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Masseebenen |
Geringeres Rauschen und deutlich bessere Rückführwege |
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Tränenformen |
Stärkere Übergänge von Leiterbahnen zu Pads |
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DRC-Prüfungen |
Weniger Fertigungsfehler |
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Differenzielle Routings |
Bessere Hochgeschwindigkeits-Balance |
Das Verständnis von Leiterbahnpraktiken ist entscheidend, da Leiterbahnen nahezu jeden Aspekt der oberflächlichen Qualität einer Leiterplatte beeinflussen. Sie bestimmen konkret, wie die Platine Strom führt, wie viel Störgeräusch sie erzeugt, wie viel Wärme sie erzeugt und wie gut sie hergestellt werden kann. Bei der Leiterplattenfertigung müssen Breite und Abstand der Leiterbahnen zudem zum Herstellungsprozess passen. Übersieht der Konstrukteur diese Vorgaben, kann die Platine schwer oder gar nicht ordnungsgemäß hergestellt werden.
Probleme im Zusammenhang mit dem Verständnis von Leiterbahnen für:
Stabilität der Leiterplatte.
Stromführung der Leiterplatte.
Thermische Auswirkungen der Leiterplatte.
Signalqualität der Leiterplatte.
Herstellbarkeit der Leiterplatte.
Reparierbarkeit der Leiterplatte.
Hersteller schätzen:
Ätzbeschränkungen.
Minimale Leiterbahnbreite.
Leiterbahnbreite.
Kupferdichte.
Schichtaufbau.
Konformität mit den Regeln für die Fertigungsgerechtheit (DFM).
Einrichtung von Teams schätzen:
Lötbarkeit.
Thermische Durchblutung.
Teileplatzierung.
Modernisierung erreichen.
Platinenhaltbarkeit.
Entwicklerkonzept unter Berücksichtigung der Auswirkungen von Nachverfolgungsaktivitäten:
Spannungsstabilität.
Schallreduktion.
Signalintegrität.
Bauteillebensdauer.
System-Sicherheit und -Sicherung.
Verwenden Sie einen Leiterbahngrößen-Rechner für Leiterplatten oder eine Konstruktionsformel, die auf Stromstärke, Kupferdichte, Temperatur und zulässigem Spannungsabfall basiert.
Ein Mikrostreifen verläuft auf einer äußeren Schicht, während ein Streifenleiter zwischen inneren Schichten geführt wird. Streifenleiter sind in der Regel besser abgeschirmt.
Leiterbahnoberflächen beeinflussen, wie gut das Lot haftet, wie widerstandsfähig die Kupferoberfläche gegenüber Oxidation ist und wie zuverlässig die endgültige Verbindung wird.
Häufige Ursachen sind Überhitzung, Delamination, Überätzung, fehlerhafte Auslegung, Übersprechen (Crosstalk) und mechanische Beschädigung.
Sie erfolgen viel stärker impedanzgesteuert, deutlich fester übertragen und hängen weit stärker von der Layer-Aufbaustruktur und der Simulation ab.
Beginnen Sie mit geeigneten Leiterbahnbreiten, halten Sie die Verbindungen kurz, verwenden Sie Masseflächen, beachten Sie die DRC-Richtlinien und gestalten Sie frühzeitig.
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