Anfängerfragen zu einfachem Breakout PCB Design

[Chris (Gast)]

Hallo zusammen,

ich habe an einem sehr einfachen Beispiel (kleine Breakoutplatine für 
einen Sensor im DFN-6 Package, bspw. ein Si7021) versucht mein erstes 
PCB Design mit KiCad zu erstellen, s. Abbildungen. Ich hätte dazu ein 
paar Anfängerfragen:

* Als Leiterbahnbreite habe ich mal 0,3mm konfiguriert. Sollte ok sein? 
Stromtechnisch ist da ja nicht viel los. Die Tabelle 
(https://www.mikrocontroller.net/articles/Leiterbahnbreite) habe ich 
gesehen. Ich vermute mal im Normallfall hat man eher das Problem "wie 
schmal darf es werden?" und nicht wie bei mir "wie breit soll ich es 
denn machen?" ;-)
* Pullups für I2C würde ich eher auf dem Board sehen, das das Breakout 
ansteuert, oder? Vielleicht will man ja mehrere verschiedene Sensoren 
ansteuern.
* Ist der Kondensator (0,1 µF) dort gut platziert und sind die Leitungen 
zum/vom Kondensator sinnvoll verlegt?
* Auf der Unterseite ist nichts los, ich habe da einfach eine große 
Massefläche gemacht, siehe Abbildung. Macht das Sinn?
* Vergleichbare kaufbare Breakouts haben meist 1-2 relativ große Vias, 
siehe bspw. https://www.mysensors.org/build/humidity_si7021 oder 
https://learn.adafruit.com/adafruit-si7021-temperature-plus-humidity-sensor/overview. 
Haben die irgendeinen elektrotechnischen Sinn?
* Sonst irgendetwas, das man anders machen sollte?

Noch 3 Hinweise:
* Bitte keine "kaufs doch einfach fix&fertig" Kommentare. Das ist ein 
reines Lernprojekt ;-)
* Spannungsregler / Pegelwandler (wie bspw. beim Adafruit Si7021 
Breakout) sind bewusst nicht vorhanden
* Ob/Wie sich DFN-6 sinnvoll per Hand löten lässt soll weniger das Thema 
sein. Ich habe dazu im Forum schon ein bisschen was gefunden. Vermutlich 
werde ich die Lötpads ein wenig verlängern und womöglich ein oder 
mehrere Vias ins center pad machen. Spannend wäre vielleicht noch wie 
man sicherstellt, dass letztlich alles (6 Lötpads, center pad, vias auf 
dem centerpad) die gleiche Höhe hat. Unter 
Beitrag "DFN (SHT21/SI7021) löten" ist ein Bild zu finden mit 
6 Vias im center pad. So richtig plan sieht das dort nicht aus, 
vielleicht täuscht es aber oder vielleicht muss es das auch gar nicht 
sein.

Besten Dank
Chris

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Chris schrieb:
> Als Leiterbahnbreite habe ich mal 0,3mm konfiguriert. Sollte ok sein?
Wenn du den Platz hast, dann mch die Leiterbahn ruhig breiter. Und im 
Besonderen die Versorgungsbahnen dürfen deutlich breiter sein. Allemal 
besser, das Kupfer für eine stabile Versorgung aufzubringen, als es 
hinterher in die Masse hineinzufluten.

BTW: die Fluterei kannst du hier getrost lassen. Die nötigen 
Verbindungen sind bereits durch die Leiterbahnen definiert. Und die 
Masse auf der Oberseite hat mit der Masse auf der Unterseite sowieso nur 
1 einzigen Bezugspunkt: den Pin an der Pfostenleiste.

> Vergleichbare kaufbare Breakouts haben meist 1-2 relativ große Vias,
> siehe bspw. https://www.mysensors.org/build/humidity_si7021 oder
> 
https://learn.adafruit.com/adafruit-si7021-temperature-plus-humidity-sensor/overview.
> Haben die irgendeinen elektrotechnischen Sinn?
Eher einen Elektromechanischen: das sind Löcher für Schrauben zur 
Montage an Irgendwas.

[Wühlhase (Gast)]

Beim Gnd-Pad scheint noch eine Verbindung zu fehlen.

Und die anderen Polygon reichen zwei solcher Anbindungen. Die 
45°-gedrehten würde ich rausmachen.

Ansonsten ist es doch ok.

[Sebastian S. (amateur)]

@Chris
Mal abgesehen von der noch fehlenden GND-Verbindung, habe ich das 
Gefühl, dass Du ein "Augenmensch" bist. Alle Leiterbahnen sind unnötig 
lang, nur weil Du die Texte gut lesbar, zwischen IC und Stecker, 
klatschen willst.
Naja, jedem Tierchen sein Pläsierchen.

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Sebastian S. schrieb:
> weil Du die Texte gut lesbar, zwischen IC und Stecker, klatschen willst
Stimmt. Platziere diese Beschreibung doch in der unbenutzten Unterseite 
(z.B. ins unbenutzte Kupfer), dann kannst du die Platine halb so groß 
und die Leiterbahnen halb so lang machen...

[GEKU (Gast)]

Wühlhase schrieb:
> Und die anderen Polygon reichen zwei solcher Anbindungen. Die
> 45°-gedrehten würde ich rausmachen.

Dem kann ich nur voll zustimmen. Zu gute Wärmebrücken erschweren die 
Lötarbeiten.

Lothar M. schrieb:
> Platziere diese Beschreibung doch in der unbenutzten Unterseite
> (z.B. ins unbenutzte Kupfer)

Guter Tipp. Man spart Kosten bei der Leiterplattenherstellung wenn der 
Beschriftungsdruck weg fällt.

[Michael B. (laberkopp)]

Chris schrieb:
> ich habe an einem sehr einfachen Beispiel (kleine Breakoutplatine für
> einen Sensor im DFN-6 Package, bspw. ein Si7021) versucht mein erstes
> PCB Design mit KiCad zu erstellen

Uff, wie hast du denn vor, das Teil einzulöten ?

Das ist DFN, da gibt es keine Beinchen.

Wenn du nur einen Lötkolben hast, hilft dir deine Platine nicht weiter, 
weil du das Teil nicht eingelötet bekommst.

Führe die 6 Pads direkt neben dem Chip nach aussen und vergrössere sie 
erheblich, so auf 1-3mm Breite und 3mm Länge mit 1mm Abstand, ungefähr 
wie im Bild.

Dann kannst du auf diese Lötflächen mit dem Lötkolben drauf und gucken 
daß sich das schmelzende Lötzinn unter den hoffentlich gut mit 
Flussmittel versehenen Chip zieht.

Ohne Reflow mit Lötpastendispenser, Dampfphasenlöten oder Heissluft (was 
wohl alles dem Chip nicht wirklich gut bekommt) wird das sonst nichts.

[Chris (Gast)]

Besten Dank für das Feedback :)

* Bzgl. Fluterei: Irgendwas ist beim Hochladen der Bilder schief 
gelaufen, da ist teilweise ein alter Stand zu sehen. Dort hatte ich erst 
die GND-Leitungen gezogen und dann geflutet. Da gab es dann ein paar 
komische kleine Lücken (sowie auch die bemängelten 45° GND Anbindungen). 
Ich habe dann die GND-Leitungen entfernt, dann hat es besser ausgesehen. 
Ich habe nun die korrekte Version der Bilder hochgeladen.
* Bzgl. fehlender GND-Anbindung des center pads: Das war Absicht. Im 
Datenblatt des Si7021 steht: "This pad is connected to GND internally. 
This pad is the main thermal input to the on-chip temperature sensor. 
The paddle should be soldered to a floating pad".
* Bzgl. Augenmensch: Stimmt ;-) Ich hatte mich gefragt wo die 
Pin-Beschriftung am besten hinkommt und hatte einen FTDI-Adapter und ein 
STM8L Evo Board neben mir liegen. Beim Evo Board ist die Beschriftung am 
Rand des Boards, die Pins sind also entsprechend nach innen eingerückt. 
Beim FTDI-Adapter sind die Pins am Rand und die Beschriftung innen, das 
fand ich hübscher. Allerdings ist dort der Platz eh vorhanden, bei mir 
ist der Platz nur wegen der Beschriftung da. Die Beschriftung auf der 
Rückseite zu platzieren ist eine gute Idee :)
* Bzgl. Löthinweis: Ja, ich weiß, siehe Hinweis Nr. 3 oben :)

[Wühlhase (Gast)]

Sebastian S. schrieb:
> Alle Leiterbahnen sind unnötig
> lang, nur weil Du die Texte gut lesbar, zwischen IC und Stecker,
> klatschen willst.

Warum sollte das unnötig sein? Vielmehr ist Schrift im Cu Mist da freie 
Potentiale damit unvermeidlich sind. Und Kosten sind völlig egal in 
diesem Fall, es ist ein Übungsprojekt und keine Großserie. Und selbst da 
ist der Preisunterschied vermutlich unwesentlich.

Dagegen ist es nicht verkehrt, wenn eine Platine vernünftig aussieht, 
ein Bestückungsdruck ist diesbezüglich meist vorteilhaft.

[HildeK (Gast)]

Ich würde C1 so nah wie möglich an U1 rücken.
Man kann auch noch die Leiterbahn zwischen C1 und U1 verbreitern.

[Clemens L. (c_l)]

Chris schrieb:
> Pullups für I2C würde ich eher auf dem Board sehen, das das Breakout
> ansteuert, oder?

Wenn du flexibel sein willst, könntest du zumindest Lötpads vorsehen. 
(Zur Not auch auf der Rückseite ...)

[Arno (Gast)]

Clemens L. schrieb:
> Chris schrieb:
>> Pullups für I2C würde ich eher auf dem Board sehen, das das Breakout
>> ansteuert, oder?
>
> Wenn du flexibel sein willst, könntest du zumindest Lötpads vorsehen.
> (Zur Not auch auf der Rückseite ...)

Wollte ich auch schreiben - zwei 0805-Gehäuse passen sicherlich noch, 
auf der Rückseite ist absolut OK, dann kannst du dir bei den zukünftigen 
Projekten aussuchen, welche Pullups du bestückst.

Ich würde ansonsten noch irgendeine Beschreibung draufpacken. Und wenn 
es nur Si702x-Breakout 2019-10-21 im Bestückungsdruck der Rückseite ist 
- sonst hast du in drei Jahren 20 solcher kleinen Platinchen herumliegen 
(gerade weil die Chinesen ja mindestens fünf liefern) und weißt nicht 
mehr, welche nun für welches IC war. Zugegeben, bei solchen einfachen 
Platinen kann man sich das wieder herleiten, aber muss ja nicht sein...

MfG, Arno

[Max G. (l0wside)]

Erfahrung: mach das Board nicht zu klein. Sonst bekommst du es beim 
Löten nicht mehr fixiert. BTDT.
Der Si7021/Si7021 ist ziemlich unkritisch. Die Stromaufnahme ist 
minimal, ob du nun mit 150µm oder 300µm an die Pads fährst, ist ziemlich 
egal. Den Block-C hätte ich anders platziert (Leitung Stecker-GND -> C 
-> GND-Pad), aber bei den Strömchen ist das egal.
Die Pullups würde ich auf dem Board platzieren. Notfalls hast du mehrere 
Pullups parallel, das funktioniert trotzdem. Die Datenmengen des Si7020 
sind ja recht überschaubar, und die meiste Zeit wartet man, dass das 
Clock Stretching vorbei ist und der Si7020 fertig mit Wandeln ist. Also 
keine Panik, das wird schon.

Löten kannst du ggf. auch, indem du die Pads verzinnst, Flux 
draufmachst, den Baustein mit der Pinzette festhälst und dann mit 
Heißluft das Ganze lötest. Du solltest nur anschließend die Werte 
prüfen, allzu viel Wärme quittiert der Baustein mit fehlerhaften 
Messungen.

[Chris (Gast)]

JLCPCB verlangt beim Panel-Service einen Aufpreis wenn die Boardgröße 
kleiner/gleich 15mm x 15mm ist. Ich habe das Board deswegen auf 16mm x 
16mm vergrößert. Jetzt passt natürlich alles auf die Vorderseite. Anbei 
der aktuelle Stand inkl. Pullups und Vias. Die Beschriftung sorgt zwar 
jetzt wieder für etwas unnötig lange Leitungen aber ich glaube das 
spielt hier keine große Rolle.

[Mike (Gast)]

Hallo Chris

Die Bohrungen für das Verlöten des ICs, finde ich nicht so toll.
3x3 6-pin DFN mit ExposedPad lassen sich mit einem Lötkolben löten.
Das ExposedPad aber nur wenn es verlängert wird. Siehe Bild.

Wennst du den Si702XXX - Bauteil verwendest, dann lese bitte im 
Datenblatt
zB.:
If possible, avoid water or solvent rinses after touch-up. Cleaning 
after soldering is possible, but must be done carefully to avoid 
impacting the performance of the sensor. See “AN607: Si70xx Humidity 
Sensor
Designer’s Guide” for more information on cleaning.
Minimize the heating of the device. Soldering iron temperatures should 
not exceed 350 °C and the contact time per pin should not exceed five 
seconds.
Hot air rework is not recommended. If a device must be replaced, remove 
the device by hot air and solder a new part in its place by reflow 
following the guidelines above.

Für mich geht daraus hervor, dass man sehr vorsichtig mit dem Bauteil 
umgehen soll. Keine Heißluft, keine Reinigung, nicht lange löten. ;-)

mfg
Mike

[Chris (Gast)]

Mike schrieb:
> Die Bohrungen für das Verlöten des ICs, finde ich nicht so toll.
> 3x3 6-pin DFN mit ExposedPad lassen sich mit einem Lötkolben löten.
> Das ExposedPad aber nur wenn es verlängert wird. Siehe Bild.

Hallo Mike,

besten Dank fürs Feedback! Mit den 6 Vias folge ich der Empfehlung eines 
anderen Foristen, der das bereits erfolgreich so umgesetzt hat (siehe 
Link bei Hinweis 3 im ursprünglichen Beitrag). Das Pad verlängern hatte 
ich auch schon überlegt, war mir aber unschlüssig ob auf einer oder auf 
beiden Seiten und ob das letztlich wirklich funktioniert. Ich denke ich 
werde einfach mehrere Varianten mal ausprobieren. Ich werde auch mal 
probieren welchen Einfluss es auf die Messwerte hat wenn man das pad 
einfach gar nicht anlötet.

Schöne Grüße
Chris

[Mike (Gast)]

Hallo Chris

Mike schrieb:
> Die Bohrungen für das Verlöten des ICs, finde ich nicht so toll.

Tut mir leid, was ich nicht so toll finde habe ich nicht geschrieben.

Für mich schaut der IC so aus als hat er ein Exposed Pad d.h. der IC hat 
auf der Rückseite ein mittiges rechteckiges Pad(Anschluss).
Wenn jetzt die VIAs an der gleichen Stelle sich befinden, können 
Schlüsse entstehen.
Wennst du die VIAs außerhalb des IC platzierst und nahe an den Pads des 
ICs würde es gehen.
Diese Methode der Verlötung über Durchkontaktierungen kann ich aber 
nicht empfehlen.


mfg
Mike

[Mike (Gast)]

Mike schrieb:
> Für mich schaut der IC so aus als hat er ein Exposed Pad d.h. der IC hat
> auf der Rückseite ein mittiges rechteckiges Pad(Anschluss).
> Wenn jetzt die VIAs an der gleichen Stelle sich befinden, können
> Schlüsse entstehen.

Sorry ich hab aus den Bildern nicht so schlüssig herausgefunden.

Chris schrieb:
> Mit den 6 Vias folge ich der Empfehlung eines
> anderen Foristen, der das bereits erfolgreich so umgesetzt hat (siehe

Ich hab den Beitrag jetzt gelesen.
Ja, 6 Vias für das Exposed Pad, habs jetzt.
Ich hab einmal ein 1mm Durchmesser-DK für solche Zwecke eingebaut.
Du könntest nur noch den Lötstopplack auf der Bot-Seite zwischen den 
VIAs entfernen.
mfg
Mike

[Chris (Gast)]

Mike schrieb:
> Du könntest nur noch den Lötstopplack auf der Bot-Seite zwischen den
> VIAs entfernen.

Guter Punkt. Ich bin mir nicht sicher ob ich es richtig gemacht habe. 
Ich hab an der Stelle ein Rechteck auf B.Mask gemalt, Ergebnis siehe 
Anhang. So korrekt?

[Mike (Gast)]

Chris schrieb:
> Guter Punkt. Ich bin mir nicht sicher ob ich es richtig gemacht habe.
Die Lötstopplackfreistellung ist richtig.

Es fehlt aber noch das Kupfer zwischen den VIAs auf der Bottom Seite.
Das würde mit Leiterbahnen oder Planes gehen.
Die VIAs benötigen sowieso unbedingt einen größeren Restring(Outer 
Annular Ring OAR) Wennst du dies mit Leiterbahnen machen möchtest, dann 
verwende
eine Leiterbahnbreite die dem Lochdurchmesser der VIAs plus 0.5mm hat.
Damit ist der OAR gleich 0.25mm. Die Leiterbahn dann mittig der VIAs 
verlegen. 4 Stück Leiterbahnen im Rechteck verlegen, siehe Bild.

LG
Mike

[PCB (Gast)]

Ich würde die Platine größer machen und allen vier Ecken Bohrlöcher 
vorsehen, damit du dort Abstandshalter befestigen kannst und die Platine 
damit einen festen Stand hat.