EP Basics: Leiterplatten-Entwicklung Auf Anhieb perfekt: die fertigungsgerechte Leiterplatte

Von Shirley Segev *

Das Tool-Paket PCBflow unterstützt die Zusammenarbeit zwischen Leiterplatten-Designer und -Hersteller. Eine automatische DfM-Analyse sorgt für sichere und schnelle Überführung in die Fertigung.

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Bild 1: Die Auswahl der Bauteile hat im PCB-Entwurf große Bedeutung, denn kommt es zu Versorgungsproblemen, dann ist ein Re-Design unvermeidbar, sofern es keine Secoond Source gibt.
Bild 1: Die Auswahl der Bauteile hat im PCB-Entwurf große Bedeutung, denn kommt es zu Versorgungsproblemen, dann ist ein Re-Design unvermeidbar, sofern es keine Secoond Source gibt.
(Bild: Siemens EDA)

In der Entwicklung komplexer Produkte, die quer durch alle Branchen enorm unter internationalem Wettbewerbsdruck steht, ist das Design einer grundlegend neuen Leiterplatte bis zur Fertigungsreife längst nicht mehr trivial. Die Ansprüche an ihre technischen Spezifikationen steigen im gleichen Maß wie Konsumentenforderungen an beispielsweise Miniaturisierung und höhere Datenraten. Gleichzeitig sinkt der zur Verfügung stehende Zeitrahmen bis zur Markteinführung des neuen Produkts. Eine zusätzliche Design-Iteration (Re-Design) kann den Zeitplan vereiteln. Wichtiger denn je ist es, die harschen Vorgaben der Leiterplattenfertigung in den Griff zu bekommen. Um alle Auflagen zu erfüllt und eine zeitaufwändige Kommunikation mit der PCB-Herstellung zu vermeiden, offeriert Siemens EDA das Tool PCBflow.

PCBflow ist eine Cloud-basierte Lösung zur Beschleunigung des Entwicklungsprozesses in der Leiterplattenfertigung und ermöglicht die sichere Zusammenarbeit zwischen Leiterplatten-Designern und -Herstellern. PCBflow erweitert das Xcelerator-Portfolio von Siemens, um eine sichere Umgebung für Leiterplatten-Designteams zur Interaktion mit einer Vielzahl von Herstellern. Durch die schnelle Durchführung einer Reihe von Design-for-Manufacturing-Analysen im Kontext der Prozessfähigkeiten des jeweiligen Herstellers hilft PCBflow, die Übergabe vom Design zur Produktion zu beschleunigen.

Basierend auf der Valor-NPI-Software-Engine, die über 1000 DFM-Prüfungen durchführt, ermöglicht PCBflow den Leiterplatten-Design-Teams eine schnelle Identifizierung von Verstößen gegen die Herstellbarkeit. Diese Verstöße werden nach Schweregrad sortiert und priorisiert. Der Benutzer wird durch Bilder und Positionen auf seinen Design-Daten geführt, damit er Verstöße leicht identifizieren und sofort korrigieren kann.

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PCBflow ist der erste Schritt von Siemens hin zu Online-Lösungen zur Automatisierung der Leiterplattenbestückung und des Design-to-Manufacturing-Prozesses. Mit vollautomatischer Online-DFM-Analysetechnik will Siemens EDA helfen, Designs zu optimieren, Front-End-Engineering-Zyklen zu verkürzen und die Kommunikation zwischen Designer und Hersteller zu optimieren. PCBflow optimiert den Onboarding-Prozess und stellt Entwicklern eine umfassende Wissensquelle zur Verfügung

Technische Gründe für ein Re-Design der Leiterplatte

Wenn die Abstände zwischen den Bauteilen unzureichend sind, können schwer wiegende Probleme bei der Herstellung auftreten:

Bauteilplatzierung: Unzureichende Abstände können dazu führen, dass weder die SMT-Maschinen noch die Techniker die Bauteile ordnungsgemäß auf die Leiterplatte bringen können, da für das Handling der ausreichende Platz fehlt.

Löten: Bei wellengelöteten Platinen ist es äußerst wichtig, dass zwischen den Bauteilen genügend Platz ist, um eine Abschattung kleinerer Teile durch größere Teile zu vermeiden. Bei Bauteilen, die von Technikern manuell gelötet werden, ist der Abstand sogar noch wichtiger, da sie genügend Platz haben müssen, um das Löten sicher durchführen zu können.

Bauraum: Leiterplatten haben in der Regel Stecker, Anschlüsse, Schalter und andere Schnittstellen, die für den Techniker zugänglich sein müssen. Sie müssen mit den Fingern und Werkzeugen zugänglich sein, um das Testen, die Fehlersuche, die Nachbearbeitung und andere Arbeiten an der Leiterplatte zu ermöglichen.

Zusätzlich zu den genannten Herstellungsanforderungen gibt es verschiedene funktionale Gründe, die einen angemessenen Abstand zwischen den Komponenten erfordern. Das sind etwa thermische Gründe und Signalintegrität. Beim Entwurf der Leiterplatte muss der Konstrukteur auf alle Abstandsanforderungen achten, unabhängig davon, ob diese Anforderungen aus funktionalen oder fertigungstechnischen Gründen resultieren.

Komponentenauswahl und verfügbare Bauteile

Leiterplatten-Komponenten haben wie jedes andere Produkt einen eigenen Produktlebenszyklus, in dem es immer schwieriger wird, diese zu beschaffen, je näher das Ende ihrer Lebensdauer rückt. Denn wenn das Angebot sinkt, können sie teurer werden, was die Gewinnspanne des Herstellers deutlich reduziert und den Leiterplattenpreis in die Höhe treibt. Es ist also wichtig, den Lebenszyklus aller Produktkomponenten während des Designs zu verfolgen und sicherzustellen, sodass für die Komponenten ein geeigneter Ersatz zur Verfügung steht. Während der Entwurfsphase scheinen alle Bauteile auf Dauer verfügbar zu sein, solange es während der PCB-Lebensdauer zu keinem Versorgungsproblem kommt. Das nämlich kann die Beziehung zwischen dem Leiterplatten-Entwickler und seinem Abnehmer ernsthaft gefährden, da das Risiko besteht, dass Bauteile aus nicht zertifizierter Quelle zum Einsatz kommen. Ein solches Risiko lässt sich durch eine ordnungsgemäße Analyse aller Komponenten in der Entwurfsphase und durch die Überprüfung der Zulieferquelle entlang der Lebensdauer der Leiterplatte deutlich reduzieren.

Die Gehäusegröße muss zur Leiterplatte passen

Als Faustregel für die Bauteilgröße gilt im je kleiner, desto besser. Zu berücksichtigen ist jedoch nicht nur, dass die Leiterplatte mit all ihren Bauteilen zur Gehäusegröße das Baugruppe passt, sondern auch deren technische Spezifikationen wie Fan-out (Spannung/Strom zum fehlerfreien Betrieb), Durchkontaktierung, Lagenaufbau, Leiterbahnlänge, elektrische Eigenschaften, Pad-Zugang und Testbarkeit. Um das Systemgehäuse richtig zu entwerfen, muss der Konstrukteur alle Beteiligte so früh wie möglich in den Prototypenprozess einbeziehen.

Fatal: fehlender oder unklarer Siebdruck auf der PCB

Fehlende Pin-1- oder Polaritäts-/Orientierungsindikatoren auf dem Siebdruck der Leiterplatte ist ein wesentlicher Mangel. Und es kommt häufig vor, dass Leiterplatten mit fehlenden oder unklaren Indikatoren geliefert werden.

Das führt schließlich dazu, dass die Komponenten mit der falschen Orientierung auf der Leiterplatte montiert werden. Im Wesentlichen kann ein detaillierter PCB-Siebdruck sowohl dem Hersteller als auch dem Techniker helfen, alle Komponenten zu lokalisieren und zu identifizieren.

Um hier Fehler zu vermeiden, ist es wichtig, dass der Konstrukteur darauf achtet, dass alle Markierungen für die Polarität der Dioden ordnungsgemäß aufgebracht sind:

  • Zur Kennzeichnung der Kathode ist die K-Markierung zu verwenden oder das Diodensymbol in die richtige Richtung auszurichten.
  • Der Konstrukteur muss die positive Spannungsseite von Tantalkondensatoren mit einem +-Zeichen kennzeichnen. Dies ist wichtig zu wissen, weil Tantalkondensatoren dazu neigen, sich zu entzünden, wenn sie mit vertauschter Polarität montiert werden.
  • Er hat auch darauf achten, dass der Siebdruck nicht mit den Leiterplatten-Pads kollidiert und dass die Symbole nicht unter die montierten Komponenten gedruckt werden. Unklare Aufdrucke können den Hersteller verwirren und dazu führen, dass sie einige der Bauteile auf der Leiterplatte falsch bestücken.

Diskrepanzen zwischen der Stückliste und dem Entwurf

Während des Entwurfs der Leiterplatte kann es zu Änderungen in der Stückliste kommen. Der Konstrukteur muss die Stückliste und das Design aufeinander abstimmen. Wenn dieser Abgleich vernachlässigt wird, besteht die Gefahr, dass das Design und die BOM (Bill of Materials) in die Fertigung gelangen und die Fertigungsingenieure einfach nicht wissen, wie sie die Leiterplatte richtig bestücken sollen. Der Konstrukteur wird nicht in der Lage sein, die Abweichungen zwischen der Stückliste und dem Entwurf selbst zu beheben. Dazu muss er den Entwurf zurückschicken, sodass ein Re-Design diese Diskrepanzen behebt.

Eine Möglichkeit zur Überprüfung, ob die Stückliste mit dem Entwurf übereinstimmt, besteht darin, die Stückliste bei jeder Änderung des Entwurfs zu überprüfen. Wenn dem Schaltplan Komponenten hinzugefügt werden, ist zu überprüfen, ob die neue Komponente auch der Stückliste mit der richtigen Teilenummer, Beschreibung und allen erforderlichen Informationen hinzugefügt wird. Wie bereits erwähnt, muss der Konstrukteur auf die Größe, die Vorlaufzeit, das Ende der Lebensdauer und die Verfügbarkeit der Komponenten achten. All das kann zu Änderungen am Entwurf und an den Komponenten führen. Wenn solche Änderungen auftreten, ist die Stückliste entsprechend zu aktualisieren, da dies bei unsachgemäßer Handhabung zu verschiedenen Montageproblemen und Verzögerungen führt.

Automatisierte Zusammenarbeit und DfA-Analysen

Das Genannte ist nur eine unvollständige Nennung von Problemen, die vor der Übergabe des Entwurfs an die Fertigung geprüft werden müssen. Wie eingangs skizziert ist PCBflow ein Online-Design-for-Manufacturing-Tool, das die Zusammenarbeit von PCB-Designern und Herstellern fördert. Mit PCBflow kann die Leiterplatten-Entwicklung ihre Designs und Stücklisten hochladen und alle Design-for-Assembly-Validierungen (DfA) durchführen, um zu überprüfen, ob die Stückliste und das Design aufeinander abgestimmt sind und keine Diskrepanzen zwischen ihnen bestehen.

Darüber hinaus kann der Konstrukteur eine automatische DfA-Analyse des Entwurfs durchführen, und zwar sehr früh in der Prototyp- und Entwurfsphase. Diese Analyse ist auf Grundlage spezifischer Herstellerfähigkeiten durchführbar, die von den Herstellern zuvor auf die Plattform hochgeladen werden. Aufgrund dessen können die Konstrukteure die Probleme mit der Herstellbarkeit schon früh im Prozess erkennen, ohne die Fertigungsabteilung einzubeziehen, da die DfA-Analyse hochgradig automatisiert ist. Die Erstellung des DfA-Berichts erfolgt hinter den Kulissen und sofort, ohne die Beschaffungsabteilung und die Fertigungsingenieure zu involvieren.

PCBflow kann im Rahmen der DfA-Analyse auch automatisch die Artikel mit langen Lieferzeiten und jene, die kurz vor dem Ende ihrer Lebensdauer stehen, identifizieren. Die frühzeitige Identifizierung dieser Komponenten in der Prototyp- und Design-Phase stellt sicher, dass es später keine Überraschungen in der Lieferkette gibt, die sich auf die Kosten oder die Lieferzeit der Produkte auf dem Markt auswirken.

PCBflow kann auch alle Änderungen am Design dem Hersteller mitteilen, sobald diese eintreten. Und sie kann validieren, dass die entworfene PCB vom Hersteller der Wahl produzierbar ist. Diese Vorhersehbarkeit ist für den Konstrukteur wie für den Hersteller wichtig, um Markteinführungszeit, Kosten, Qualität und Lieferung zu bewerten.

* * Shirley Segev ... arbeitet in der Valor Division der Siemens Digital Industries Software, Tel Aviv.

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