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10 Schritte von der Idee bis zu einem fertigen PCB

10 Schritte von der Idee bis zu einem fertigen PCB


Im Folgenden geht es um den gesamten Entwicklungsprozess einer PCB – von der Idee bis hin zur Fertigung. In diesem Artikel wurde beschrieben was ein Printed Circuit Board, zu Deutsch eine Leiterplatte, überhaupt ist - es geht um die verwendeten Materialien und den Designprozess eines PCBs. Wenn Ihnen diese Stichworte bereits ein Begriff sind, können Sie nun mehr über den Prozess bis hin zu einem funktionierenden PCB erfahren. Bedenken Sie stets: Bis das PCB fertig ist, erfolgen mindestens drei Iterationen des Entwicklungskreislaufs, der im Folgenden beschrieben wird. Die Phasen bestehen größtenteils aus manuellen Arbeitsschritten. Allerdings kann die CELUS Engineering-Plattform den Aufwand radikal verringern. Wie das geht soll in diesem Artikel ebenfalls kurz aufgezeigt werden. Eine Grafik als Überblick über den Prozess und den Vergleich zum Prozess mit CELUS finden Sie am Ende des Artikels. Los geht es mit den 10 Schritten bis zu einem fertigen PCB:

1. Definieren Sie Ihre Anforderungen

In der ersten Phase geht es um die Analyse der Anforderungen. Man muss exakt wissen, wofür das PCB benötigt wird und welche Funktion es erfüllen muss, um einen Projektumfang definieren zu können. Dafür müssen auch die Standards für ebendieses Projekt genau bekannt sein. CELUS hilft dabei diesen Aufwand zu reduzieren. Die CELUS Engineering-Plattform bietet ein intelligentes Datenmanagementsystem für Ihre Datenbank, auf der projektrelevante Informationen gespeichert sind.

2. Erstellen Sie Ihr Konzept

Die erste Aufgabe ist es, verfügbare Topologien zu recherchieren. Elektronikentwickler:innen wissen, dass dies ein riesiges Stück Arbeit ist. Es bedeutet vor allem lange Listen mit vielen Informationen durchzuarbeiten. Danach müssen die grundlegenden Topologien festgelegt werden und erste Blockschaltbilder mit verschiedenen Komponenten erstellt werden. Das hilft später dabei, die besten Komponenten für das PCB auszuwählen. Nachdem einige potenzielle Komponenten ausgewählt wurden, können detailliertere Blockschaltbilder als die vorherigen erstellt werden. Es ist also ein iterativer Prozess, um eine Vorstellung vom Schaltkreis für das PCB zu bekommen. Das alles bedeutet viel manuelle und repetitive Arbeit. Das ist jedoch nötig, um eine gute Basis für das Konzept zu haben. Die CELUS Engineering-Plattform kann bei diesen Schritten helfen, denn sie verfügt einerseits über ein User Interface (UI) für Schaltbilder und andererseits über eine integrierte Datenbank. Dadurch können PCB Designer vorhandene Arbeiten anderer nutzen, statt ihr Design bei null zu beginnen.

Concept of a PCB

3. Wählen Sie die finalen Komponenten aus

Für den dritten Schritt kann das in Phase zwei erstellte Konzept dazu verwendet werden, um die finalen Komponenten für das PCB auszuwählen. Damit können dann die Anforderungen erfüllt werden, die in der ersten Phase definiert wurden. Um die passenden Komponenten zu finden müssen Elektronikentwickler:innen Webseiten von Herstellern und Vertreibern sowie die interne Datenbank durchsehen. Dort finden sie viele Seiten an Datenblättern mit Spezifikationen, denn von jeder erforderlichen Komponente gibt es etliche Versionen mit verschiedenen Attributen. Diese müssen miteinander verglichen werden, um die richtige Komponente für das jeweilige Projekt zu finden.

Auch dies ist ein Schritt, der von viel manueller und repetitiver Arbeit geprägt ist. Notwendig ist es trotzdem, denn der Designprozess kann nur fortgeführt werden, wenn die passenden Komponenten mit großer Sorgfalt ausgewählt werden – spätere Änderungen bedeuten viel zusätzliche Arbeit. Der komplette Arbeitsschritt kann von der CELUS Engineering-Plattform automatisiert werden: Die Software vergleicht automatisch die Spezifikationen von Komponenten aus der Datenbank und kann die beste für die jeweiligen Anforderungen auswählen.

2. Zeichnen Sie den Schaltplan Ihres Printed Circuit Boards

Natürlich bedeutet zeichnen in diesem Kontext schon lange nicht mehr Stift und Papier in die Hand zu nehmen, sondern vielmehr eine elektronische Lösung zu verwenden. Die meistverwendete Methode, um einen PCB Schaltplan zu zeichnen, sind CAD-tools, eine PCB Design Software. Mehr über CAD-tools als PCB Design Software können Sie hier nachlesen. Der PCB-Layouter muss nun ein Blockschaltbild erstellen, entweder vom gesamten PCB oder von einzelnen Modulen, die am Ende zu einem vollständigen Printed Circuit Board zusammengesetzt werden können. Ein Blockschaltbild zu erstellen bedeutet im Grunde, geometrische Blöcke im CAD-tool so anordnen, dass sie ein Schema für den Schaltplan darstellen. Die Blöcke repräsentieren die Bauteile, weshalb ihnen die entsprechenden Komponenteneigenschaften zugewiesen werden. Danach müssen die Blöcke miteinander verbunden und schließlich noch die Netzeigenschaften hinzugefügt werden. Nun kann die Kompatibilität der Verbindungen zwischen den integrierten Schaltungen überprüft werden – gibt es Fehlermeldungen bei diesen Schaltungen, muss der Ingenieur diese lösen, indem er nach der Ursache sucht: Das kann ein bestimmtes Teil, eine falsche Platzierung oder eine falsche Verbindung sein. Schließlich haben die Entwickler:innen einen fertigen Schaltplan. CELUS kann die Schaltpläne automatisiert layouten, d.h. die Engineering Plattform ordnet die gewählten Komponenten an, verbindet sie und überprüft alle Bauteile unter Beachtung der Designregeln.

Beispiel eines Schaltplans für ein PCB

5. Simulieren Sie den Schaltplan

Um sicher zu gehen, dass alles korrekt funktioniert, wird als fünfte Phase eine Simulation des PCB-Entwurfs durchgeführt. Dafür muss zuerst der Simulationsumfang definiert, die Simulationsdateien erstellt und, wenig überraschend, die Simulation schließlich durchgeführt werden. Der schwierige Teil besteht darin, die Ergebnisse der Simulation auszuwerten und festzustellen, welche Anpassungen am Design vorgenommen werden müssen.

6. Spezifizieren Sie das Board Stackup und die Technologie

Nachdem an dieser Stelle ein detaillierter Plan für die Anforderungen an die Leiterplatte vorliegt und nach diesen eine erste Version erstellt ist, muss in diesem Schritt die Produktion der Leiterplatte geplant werden. Ein Stackup ist ein Querschnitt der Leiterplatte, die entworfen werden soll. Darin wird genau definiert, wie viele Lagen auf dem PCB benötigt werden und wie dick diese sein müssen. Zu diesem Zweck vergleichen die Ingenieur:innen verschiedene Herstellungstechnologien und versuchen so den besten Kompromiss für das Stackup zu finden. Die Chancen für einen besseren Aufbauindex steigen dabei durch ein größeres Suchvolumen. Einerseits bedeutet das einen gewissen Mehraufwand, andererseits kann es aber auch spätere Änderungen durch Optimierung reduzieren. Außerdem muss man verschiedene Fertigungstechnologien miteinander vergleichen. Die Einführung von Konstruktionsregeln, die auf die Wissensdatenbank abgestimmt sind, kann den Aufwand reduzieren. Wenn die am besten geeignete Fertigungstechnologie ausgewählt wurde, weiß der Elektronikentwickler schließlich, wie viele Lagen er für das Leiterplattendesign entwerfen muss.

Die Leiterplatte besteht hauptsächlich aus: Lötstoppmaske (ein isolierendes Material, um Kurzschlüsse zu verhindern), Kupfer (Ableitung der Leiterbahnen), Prepreg (hält die Lagen zusammen) und der Kern (spezielles Glasfasergewebe, genannt FR4).

Aufbau einer PCB mit Schichten der verschiedenen Materialien

7. Designprozess: Ordnen Sie die Komponenten ideal an

Nun, da alle Fragen des PCB-Aufbaus geklärt sind, kann der eigentliche Designprozess starten. Um die Komponenten richtig auf der Platte anzuordnen, wird vorher ein Blockschaltbild erstellt und die jeweiligen Spezifikationen zu den Komponenten hinzugefügt. Dabei werden die Schaltpläne mit einbezogen und alles, was vorher definiert wurde, für die finale Leiterplatte angewendet. Der signifikante Unterschied zwischen einem Schaltplan und dem Design für ein PCB besteht im Wesentlichen darin, dass beim Design besondere Vorgaben bezüglich Form und Größe der Platte und die durchs Stackup vorgegebene Anzahl an Lagen eingehalten werden müssen. Auf diesen Lagen müssen dann jeweils die Module oder Komponenten angeordnet werden. Dazu vergleicht der Ingenieur verschiedene Anordnungen und deren Vor- und Nachteile. Mehr Platz auf dem Board bedeutet, dass dies wesentlich einfacher zu designen ist, aber aber eben auch höhere Herstellungskosten. Es ist also sehr anspruchsvoll, den richtigen Kompromiss zwischen möglichst wenig Platzbedarf und sinnvoller Anordnung zu finden. Dies kann durch die CELUS Engineering-Plattform vollständig automatisiert werden.

8. Designprozess: Verbinden Sie die Komponenten

Nachdem alle Elemente auf dem Board angeordnet sind, müssen die Komponenten in der nächsten Phase miteinander verbunden werden. Im Routing-Prozess wird zunächst eine Routing-Strategie als Grundlage ausgewählt, danach ist die state-of-the-art Methode Trial-and-Error. Das bedeutet es kann viele Iterationen für das Routing geben. Manchmal ist es gar nicht möglich, ein korrektes Routing mit einer bestimmten Komponentenanordnung zu vollenden. Dann muss der:die Entwickler:in Teile des Designs nachbearbeiten und das Routing von neuem beginnen. Eine Schwierigkeit ist dabei die Vermeidung von Kurzschlüssen, denn sind die Kupferleitungen zu nah beieinander kann die Spannung überspringen und ein Kurzschluss entsteht. CELUS kann das Routing vollautomatisch durchführen.

PCB design (see picture of the schematics in phase 4)
PCB-Design (passend zum Schaltplan in Schritt 4)

9. Prüfung

In dieser Phase überprüfen die Elektronikentwickler:innen das gesamte Design und verifizieren die Designregeln. Zusätzlich müssen sie die Leiterbahnlängen, die Impedanz, den Widerstand und vieles mehr berechnen und mit den Zielwerten vergleichen. Stimmen sie nicht überein, müssen Anpassungen vorgenommen werden. Die CELUS Engineering-Plattform kann allen benötigten Output als Anforderungsliste erstellen.

10. Die Fertigung vorbereiten

Endlich! Die letzte Phase vor der fertigen PCB! (Okay, fast.) Wenn alles planmäßig funktioniert und die Anforderungen erfüllt werden, kann die Leiterplatte gefertigt werden. Dafür müssen die Entwickler:innen vorher die CAM-Konfigurationen einrichten, die benötigten Fertigungsdateien erzeugen und schließlich die Datenblätter für das Board erstellen. CELUS löst dies vollautomatisch.

Überblick des Prozesses ohne und mit CELUS

PCB Development Cycle as manual process

PCB Development Cycle with Celus

Bis die Leiterplatte fertig ist, dauert es meist mindestens drei Iterationen des beschriebenen Prozesses. Denn zunächst werden verschiedene Prototypen und eine Nullserie gefertigt, um absolut sicher zu sein, dass keine Fehler im Design für die Serienproduktion sind. Je früher die neue Iteration für die Korrektur beginnen muss, desto höher sind die Kosten für die Änderungen, sowohl in Geld als auch in Zeit gemessen.

Vergleicht man all das mit den Entwicklungszyklen in der Softwareentwicklung, ergeben sich interessante Unterschiede. Vor einem Jahrzehnt war der übliche Prozess für die Entwicklung von Software die Verwendung des Wasserfallmodells und der durchschnittliche Lebenszyklus der entwickelten Software dauerte bis zu zwei Jahre. Das gesamte Entwicklungsteam saß zusammen und diskutierte den Fortschritt mit dem Projektteam. Das hat sich verändert: Heutzutage verwendet die Mehrheit der Software-Entwickler ein agiles Modell und geht das Projekt in kleinen Teilen an. Diese Anpassung an kürzere Entwicklungszeiträume fehlt bisher in der Elektronikindustrie.

Über die PCB Fertigung

Der Herstellungsprozess ist sehr kompliziert, wird aber im Folgenden vereinfacht dargestellt. Das Basismaterial einer Leiterplatte ist Glasfaser. Darauf wird eine Kupferfolie laminiert. Aus dieser Kupferschicht werden die Leiterbahnen erstellt. Um das Kupfer zwischen den Schichten aufzulösen und eine Schaltung zu erhalten, werden Chemikalien verwendet. So werden die Komponenten durch Kupferleitungen miteinander verbunden. Um Kurzschlüsse zu verhindern und die Kupferleitungen voneinander zu isolieren, wird eine weitere Schicht aufgetragen: die Lötmaske. Sie ist meistens grün – das ist auch die grüne Farbe, die man im Kopf hat, wenn man an PCBs denkt. Zum Schluss werden weiße Beschriftungen und Markierungen auf vielen Leiterplatten durch Siebdruck aufgetragen. Sie haben keinen technischen Zweck, machen es aber viel einfacher für Außenstehende, die Leiterplatte verstehen und sich darauf orientieren zu können. Insbesondere wenn es um Fehlererkennung geht, können solche Markierungen sehr hilfreich sein.


Assemblage of one side of the PCB
Schichten eines einlagigen PCBs

Als letzte Phase müssen das Bauteil oder die Module auf dem Board befestigt werden. Eine sehr beliebte Methode, die seit den 1960er Jahren häufig angewendet wurde, ist die through-hole-Technologie, bei der die Komponenten mit Drähten durch Löcher im Board befestigt werden. Die einer anderen Methode, surface-mount-Methode genannt, werden die Bauteile mit kleinen Lötstellen direkt auf das Board gelötet. Heutzutage ist dies die praktizierte Methode, hauptsächlich, weil fast alle PCBs mehrlagig sind. Mehrlagige Leiterplatten müssen zwar den gleichen Prozess wie einlagige Leiterplatten durchlaufen, sind aber wesentlich komplizierter zu layouten und fertigen. Doch auch bei ihnen gilt: Abhängig von den Testergebnissen nach der Herstellung muss der Prozess von Anfang an oder von einem fortgeschrittenen Punkt erneut durchexerziert werden.

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