Elektronikentwicklung: ein wichtiger Teil der Technologie

Elektronikentwicklung: ein wichtiger Teil der Technologie


Elektrogeräte sind zum unabdingbaren Teil unseres alltäglichen Lebens geworden und trotzdem ist nicht jedem der Einfluss und die Vorteile der Arbeit von Elektronikentwicklern bewusst. Von ihnen entwickelte Technologien werden in jedem elektronischen System verwendet – ob in der Kaffeemaschine, Auto oder Smartphone. Jedes elektrische System benötigt einen Schaltkreis und Strom, während jedes elektronische Gerät zusätzlich einen Dateninput benötigt und einen Output gibt. Es gibt also einen Unterschied zwischen „elektrisch“ und „elektronisch“. Man kann sagen, dass ein elektrisches Gerät keinerlei Entscheidungen trifft, ein elektronisches jedoch schon. Doch beide sind heutzutage wichtig – sie sind aus unserem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Vor 100 Jahren sah das noch anders aus. Elektronikentwicklung hat seinen Ursprung schon im späten 19. Jahrhundert, als große Teile der Welt miteinander in Kontakt standen, indem sie telegraphische Nachrichten verschickten. Die nächste große technologische Erfindung nach Telegraphen war das Radio. Es inspirierte Menschen dazu, Nachrichten nicht nur zu empfangen, sondern auch zu versenden Viele Radiosender wurden nach dem ersten Weltkrieg von Amateuren gegründet – die Geburt der Massenmedien. Das alles ist der Elektronikentwicklung zu verdanken, durch die elektronische Geräte überhaupt erst funktionieren. Bis heute hat sich die Elektronikindustrie rapide weiterentwickelt und technische Geräte werden immer komplexer. Ein Leben ohne Elektrik- und Elektronikentwicklung würde ein Leben ohne Technologie bedeuten. Welche Schritte ein Ingenieur gehen muss, um Printed Circuit Boards (PCBs) zu entwickeln, wird im Folgenden mit Hilfe von Lego als Beispiel erklärt.

Wie es ist ein:e Elektronikentwickler:in zu sein

Während Elektriker meist mit hohen Spannungen arbeiten, kümmern sich Elektronikentwickler um Teile mit niedrigerer Spannung. Diese sind die Teilen, die die Entscheidungen in technischen Geräten treffen. Die Rede ist von der Leiterplatte – auch aus dem Englischen Printed Circuit Board genannt. Heutzutage ist eine Leiterplatte die übliche Art Elektronik in ein Endgerät zu implementieren. Solch ein Board muss mehrere Anforderungen erfüllen – einige davon sind abhängig vom jeweiligen Produkt, andere sind immer gleich. Eine der Anforderungen, die immer gleich sind, ist beispielsweise die Wahl der Komponenten, die stets als Einheit funktionieren müssen. Außerdem müssen Entwickler:innen immer die Größe und die Kosten so niedrig wie möglich halten. Die Stückzahlen sind dabei schnell sehr groß, denn es ist mindestens ein Printed Circuit Board (PCB) pro Gerät nötig. Anforderungen, die variable und abhängig vom Endgerät sind, ist beispielsweise eine bestimmte Form des Boards, damit es an einen bestimmten Platz im Gerät passt. Ein anderes Beispiel hierfür kann auch ganz einfach die Art der Information sein und welche Signale weitergegeben werden müssen – die Funktionalität im eigentlichen Sinne. Um das zu erreichen, müssen die Elektronikentwickler:innen im Wesentlichen vier Schritte befolgen: Komponentenauswahl, -platzierung, Routing und schließlich die Umwandlung für die Fertigung.

  • Komponentenauswahl: Im ersten Schritt müssen die Ingenieur:innen wissen, welche Anforderungen das PCB erfüllen muss. Meistens beginnen sie mit dem Zeichnen einer Mind-Map und platzieren dabei die Komponenten so, wie Signale oder Strom durch das Board laufen werden. Das ist einfacher als es klingt, denn es gibt viele Varianten der Komponenten mit unterschiedlichen Spezifikationen. Deshalb müssen Ingenieur:innen nun durch seitenweise Komponenten sehen, um Teile mit den benötigten Spezifikationen zu finden. Zusätzlich müssen sie jedoch aufpassen, dass die Komponenten untereinander kompatibel sind. Wenn wir Lego als Beispiel nehmen: Wenn Platz für fünf kleine Steine ist, kann ich entweder fünf kleine Steine, zwei große und einen kleinen Stein oder einen großen und zwei kleine Steine wählen.

Visualization of the first step of in the development of PCBs: Selecting the components
Visualisierung des ersten Schritts in der Entwicklung eines PCBs: die Komponentenauswahl
  • Komponentenplatzierung: Das führt zum zweiten Schritt: Wie sollen die Ingenieur:innen die gewählten Komponenten platzieren? Abhängig von der Anzahl der Komponenten gibt es beinahe endlose Möglichkeiten die Komponenten auf dem Printed Circuit Board anzuordnen. Zusätzlich kann auch die Außenform von der Form des Endgeräts beeinflusst werden, in das das PCB eingebaut werden soll. Es gibt außerdem ein weiteres grundlegendes Prinzip: Die Teile sollen so wenig Platz wie möglich benötigen. Denn Platzersparnis bedeutet auch Materialersparnis. Nachfolgend ist ein Bild zu sehen, das den Schritt der Komponentenplatzierung mit Hilfe von Legosteinen visualisieren soll.

Visualization of the second step in developing a PCB: Placing the selected components
Visualisierung des zweiten Schritts in der Entwicklung von PCBs: Die gewählten Komponenten platzieren
  • Routing: Die nun angeordneten Komponenten müssen mit Strom- und Datenleitungen verbunden werden. Diese Verbindungen stellen den nächsten Arbeitsschritt für den/die Ingenieur:in dar, das sogenannte Routing. Er oder sie muss wissen welche Komponenten wie miteinander verbunden werden müssen. Was diese Aufgabe umso schwerer macht, sind die verschiedenen Lagen, auf denen die Leitungen platziert werden können. Ein PCB kann nämlich aus mehreren Kunststofflagen mit Komponenten und Leitungen übereinander bestehen. Ein effizientes Routing ist nur möglich, wenn es schon bei der Anordnung der Komponenten mitgedacht wird. Das macht es zu einer komplexen Aufgabe. Im Folgenden ist ein echtes PCB aus einem DVD-Player zu sehen. Man sieht, wie schnell das einfache Lego-Beispiel in der Realität komplex wird. Außerdem sind hier große Löcher zu sehen, damit das Board am Ende perfekt in den Player passt.
Example of a DVD-player PCB (Printed Circuit Board)
Beispiel eines PCBs (Printed Circuit Boards) für einen DVD-Player
  • Umwandlung für die Fertigung (Conversion): Wenn schließlich alle Schritte erledigt sind, können die Ingenieur:innen das letzte Problem in Angriff nehmen. Das Layout muss jetzt noch in ein anderes Format übersetzt werden, damit es schließlich gefertigt werden kann.

Dieser ganze Ablauf muss meist mehrfach durchlaufen werden. Das liegt daran, dass alle Teile miteinander zusammenhängen. Bei jeder kleinen Veränderung muss auch die Platzierung der anderen Komponenten und das Routing noch einmal überarbeitet werden. Muss eine Komponente ausgetauscht werden, müssen eventuell auch andere Komponenten ausgetauscht werden, damit diese untereinander kompatibel bleiben. Der Kreislauf beginnt dann von neuem. Ist das PCB jedoch einmal fertig, wird es mit einem Druckverfahren produziert – das ist der Grund warum es im Englischen Printed Circuit Board heißt.

Ein Schritt in die Zukunft

Elektrotechnik ist in jedem elektronischen Gerät zu finden – ob Kaffeemaschine, Auto oder Smartphone. Das bedeutet auch, dass wir uns heutzutage kaum ein Leben ohne Elektronik vorstellen können. Die Elektronikindustrie entwickelt sich rapide weiter, denn technische Geräte werden immer komplizierter. Das Smartphone, zum Beispiel, ist schon lange nicht mehr nur ein Telefon, sondern auch eine Kamera, ein Taschenrechner und ein Navigationssystem – um nur einige Funktionen zu nennen. Das macht die Arbeit eines Elektronikentwicklers umso anspruchsvoller. Trotzdem gibt es in der Elektronikindustrie, im Vergleich zu anderen technischen Bereichen, kaum Schritte in der Entwicklung, die automatisiert ablaufen und Entwickler:innen entlasten. Zudem gibt es einen weltweiten Mangel an Fachkräften, insbesondere in der Elektronikindustrie. Um mit dem Fortschritt mithalten zu können und sich den Herausforderungen der Zukunft hinsichtlich der wachsenden Nutzungsanforderungen stellen zu können, muss die Industrie substanzielle Veränderungen durchlaufen. Die vorher beschriebenen Schritte werden zukünftig als manuelle Arbeitsschritte zu zeitaufwendig sein. Andererseits bietet menschliche Arbeit momentan noch die besten Ergebnisse, weshalb riesige Summen in menschliche Ingenieursarbeit investiert werden. Die Zukunft der Elektronikentwicklung ist aus diesem Grund unsicher, bis auf eine Tatsache: die Wichtigkeit und der Einfluss der Branche wird zunehmen.

Elektronikentwickler:in werden

Nicht umsonst ist Elektrotechnik ein mindestens 3,5-jähriger Bachelorstudiengang. Natürlich gibt es auch verschiedene Masterprogramme, die alle mit einem Ingenieursabschluss enden.  Als Ingenieur:in muss man sowohl Technikaffinität als auch eine Affinität für Zahlen und Mathematik mitbringen. Neben Universitäten auch eine besonders bekannte Organisation, die postekundäre Ausbilungsprogramme für Elektronikentwickler:innen akkreditiert: ABET. Ist ein Programm ABET-akkreditiert, erfüllt es alle offiziell akzeptierten Kriterien an die Ausbildung als Elektronikentwickler:in. Eine große Motivation diesen Weg einzuschlagen kann sein, dass man an einer der größten Erfindungen unserer heutigen Gesellschaft arbeitet: Ein Leben ohne Elektronik- und Elektrikentwicklung würde ein Leben ohne Technologie bedeuten.

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