PCB-Design - Von der Elektronikentwicklung bis zur Produktion, alles dreht sich um die Leiterplatte

Die (meist) grüne, kupferbeschichtete Platine ist eine zentrale Komponente in einem elektronischen Produkt und nicht aus der Elektronikindustrie wegzudenken. Andreas Höhn, Fachbereichsleiter PCB-Design & Labor Elektronikentwicklung, beschreibt die Schnittstellenrolle eines PCB-Designers und beleuchtet den zentralen Beitrag, der eine Leiterplatte an ein erfolgreiches Endprodukt hat. 

Die Leiterplatte ist das Herzstück in der Welt der Hardware von Elektronik. Damit diese hergestellt werden kann, braucht es ein funktionierendes PCB-Design, welches mit modernsten Tools gelayoutet wird. Gehäuseplatzverhältnisse, EMV-Störungen, Signalintegrität, Lagenaufbau, Routing, Produktionstauglichkeit und weitere Themen sind die grossen Herausforderungen, die bezwungen werden müssen. 

Technische Trendbereiche wie IoT mit vielzähligen Schnittstellen und hohen Datendurchsätzen, sowie Wireless Connectivity sind in der Elektronikindustrie omnipräsent. Mit ihnen haben sich auch die Anforderungen an Produkte in den letzten Jahren stark verändert.

Leiterplatten im Wandel der Zeit

Früher bestand ein PCB-Layout aus THT-Bauteilen, Leiterbahnen und wenigen Durchkontaktierungen, die mit einem einfachen Layoutprogramm erstellt werden konnte. Alternativ wurde das Layout sogar mit schwarzem Klebeband von Hand abgeklebt und die Leiterplatte «im Keller» belichtet und geätzt. Das Layout wurde nur in 2D erstellt.

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PCB-Layout

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PCB-Layout

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In der heutigen Zeit ist das Erstellen eines Layouts in vielerlei Hinsicht komplexer, es werden nicht mehr nur Bauteile platziert und Leiterbahnen gezogen. Denn auch die Anforderungen an ein elektronisches Gerät haben sich mit der Zeit verändert und mit ihnen die Anforderungen an ein PCB-Layout und gleichermassen an den PCB-Designer in der Umsetzung. 

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  • Im Bereich Leistungselektronik werden immer grössere Ströme auf kleineren Leiterplatten realisiert. 
  • Die Grösse und Platzverhältnisse der Leiterplatte in einem Gehäuse werden immer knapper.
  • Im Bereich von Sensorik und Kommunikationstechnologie werden die Signale immer schneller und/oder es wird eine Funkantenne direkt auf der Leiterplatte realisiert. Das Layout muss nach Lehren und Wissen des sogenanntem «high speed design» erstellt werden.
  • Die Vielfalt der Layouts in den spezifischen Fachbereichen ist sehr gewachsen, wie auch die Vielfalt der unterschiedlichen möglichen Leiterplatten Technologien. Sei es das Standard FR4 oder aber speziellere FR4, StarrFlex, Flex oder sogar bedruckte Kunststoffteile mit Kupfer und bestückten Bauteilen, die die Welt des PCB-Designers immer interessanter und vielfältiger macht. 
  • Heutzutage gibt es die Möglichkeit das Layout im Layoutprogramm auch in 3D darzustellen. Ebenfalls können die Bauteile, Leiterbahnen, etc., direkt in der 3D-Ansicht verschoben und sogar ins Gehäuse (Stepmodel) integriert werden. Dadurch können allfällige Kollisionen zu Bauteilen untereinander oder sogar mit dem Gehäuse frühzeitig erkannt werden.

Fachwissen und interdisziplinäre Zusammenarbeit

Zusammen mit den Anforderungen an ein PCB-Layout hat sich auch die Rolle des PCB-Designers verändert – sie ist komplex, interessant und vielfältig. Anspruchsvolle Layoutprogramme, vielschichtige Elektronik-Hardware und Trendthemen, die sich rasant entwickeln, setzen grosses Fachwissen voraus. Weiterbildung gehört somit zum Kernauftrag.

Der Erfolgsfaktor für eine erfolgreiche Produktentwicklung ist enge Zusammenarbeit und konstruktiver Austausch mit verschiedenen internen und externen Fachabteilungen.


Klicken Sie die orangen Punkte an, um eine Übersicht über die Schnittstellen zu den einzelnen Fachbereichen zu erhalten.

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Elektronikentwicklung

Die enge Zusammenarbeit mit der Elektronikentwicklung ist der erste Meilenstein beim Erstellen eines Layouts. Hier sollen schon von Anfang an Themen wie EMV, Temperaturbeständigkeit, Ströme, Platzierung, Technologie etc. berücksichtigt werden. Ebenso die richtige Wahl der Bauteile, und allenfalls bereits eine Beschaffungslösung für die wichtigsten Bauteile. Für die Muster- oder Prototypenerstellung unterstützt der PCB-Designer die Leiterplattenbestückung und Beschaffung von Bauteilen.

Gehäusekonstruktion

Die Grösse und Platzverhältnisse der Leiterplatte in einem Gehäuse verlangen eine enge Absprache zwischen Gehäusekonstruktion und PCB-Designer, die ewige «Huhn-Ei»-Diskussion zwischen schönem Design des Gehäuses und dem Innenleben des Endprodukts soll hier vermieden werden. Meist hilft vorab der Meilenstein Platzabschätzung. Ist das Gehäuse bereits vorgegeben, kann es teils schwierig werden, ein funktionierendes Layout zu erstellen, häufig lösen Millimeteränderungen im Design oder kleine Umplatzierungen von Tastern ein Problem. Durch einen regelmässigen fachspezifischen Austausch können genau diese Probleme gemeinsam bereits im Ansatz gelöst werden. 

Prüfmittelbau

Damit die bestückte Leiterplatte auch getestet werden kann, braucht es ein Testgerät. Bei STEINEL haben wir eine eigene InCircuitTest-Abteilung und eine Funktionstest-Abteilung. Für den Bau eines Prüfmittels ist zwingend die Zusammenarbeit zwischen PCB-Designer und Prüfmittelabteilung nötig. Die Platzierung der Testpunkte, Fanglöcher, etc. auf dem Layout müssen mit dem Prüfmittel abgestimmt werden. Dieser Schritt der Abstimmung sollte so früh wie möglich geschehen.

Einkauf

Im Bereich der Leiterplattenbeschaffung unterstützt der PCB-Designer den Einkauf bei technischen Aspekten bei der Wahl von Leiterplatte und PCB-Hersteller, denn in Bezug auf die Qualität unterscheiden sich die Hersteller teilweise enorm. Den richtigen PCB-Hersteller für ein Produkt zu finden ist nicht ganz einfach und bei gewissen Layouts sind einstmals komplexere Spezifikationen einer Leiterplatte zum Standard geworden. Technische Rückfragen des Herstellers werden meistens direkt vom PCB-Designer beantwortet und Machbarkeiten der Leiterplattenproduktion bezogen auf das komplexe Layout werden mit dem Hersteller diskutiert. 

Technisches Büro

Der PCB-Designer arbeitet in Bezug auf diversen Themen mit dem technischen Büro zusammen. Sei dies bei der Erarbeitung eines Angebots für einen Kunden, wobei beispielsweise die Produktionsnutzengrösse geschätzt wird, um daraus die Durchlaufzeit zu berechnen, die Prüfung einer SAP-Stückliste für die Bestückung und Montage der Leiterplatte, oder die Pflege von bestehenden Produkten. 

Projektmanagement

Die enge Zusammenarbeit mit dem Projektmanager ermöglicht es, den Terminplan einzuhalten, und dass dieser nicht wegen einer zu spät angelieferten Leiterplatte aus den Fugen gerät. Ebenso wird der PCB-Designer in der Serienbetreuung in die Kommunikation zum Kunden zugezogen, wenn gewisse Änderungen im Layout vorgesehen sind, oder Lösungsvorschläge gefragt sind, wie das Design des Produkts günstiger, einfacher oder komfortabler für die Produktion umgesetzt werden kann.

Wareneingang

Damit sichergesellt werden kann, ob eingegangene Leiterplatten auch richtig geliefert wurden, unterstützt der PCB-Designer die Abteilung Wareneingang bei der Überprüfung der Richtigkeit und Qualität der gelieferten Leiterplatten. 

Produktion

Die frühe Zusammenarbeit bei der Entwicklung eines PCB-Layouts mit der Produktion ist absolut zentral, unabhängig davon, ob die Leiterplatte später in der SMD- oder THT-Produktion verarbeitet wird. Die umgesetzten Designs müssen in erster Linie produzierbar sein. Daher ist es von hoher Wichtigkeit mit der Produktion die Möglichkeiten eines Bestückungsautomaten, Lötbarkeit des Bauteils, Qualität der Leiterplatte, Abstände von Bauteilen und vieles mehr zu diskutieren. Für die spätere Serienproduktion liefert der PCB-Designer die nötigen Daten für die Bestückungsautomaten, SPI, AOI und die Handbestückung.

Elektronik Labor

Die Elektronikentwicklung braucht meist am Anfang sehr schnell eine Musterleiterplatte, um die entwickelte Schaltung zu testen. Um diesen Prozess zu beschleunigen, werden Prototypen bei STEINEL inhouse in kleinen Stückzahlen bestückt und im hauseigenen EMV-Labor getestet. Das Elektronik Labor und der PCB-Designer arbeiten zusammen an Lösungen und Optimierungen für ein funktionstüchtiges, produzierbares Leiterplattendesign.

Qualitätswesen

Gibt es Produktionsprobleme auf Basis Leiterplatte oder Bestückung von Elektronik-Komponenten ist der PCB-Designer in den gemeinsamen Lösungsfindungsprozess zwischen den Fachbereichen involviert. Auch bei der Analyse von falsch angelieferten Leiterplatten unterstützt der PCB-Designer die Qualitätsabteilung fachspezifisch.

Vertrieb

Durch die Zusammenarbeit zwischen Vertrieb und PCB-Designer können etwaige speziellen Kundenwünsche im Voraus beurteilt werden und somit gewisse Missverständnisse für die Erstellung eines Richtangebots unterbunden werden. Der PCB-Designer leistet auch hier technische Unterstützung bei leiterplattenspezifischen Fragen.  

Kunden

Meist werden offene Fragen seitens Kunde über die kundennahen Ansprechpersonen im Bereich Vertrieb, Projektmanagement oder technisches Büro beantwortet. Gehen die Fragen technisch tiefer, steht die Elektronikentwicklung und der PCB-Designer zur Verfügung, um direkt mit dem Kunden die offenen Punkte zu klären. In gewissen Projekten arbeitet der PCB-Designer sogar sehr intensiv mit dem Kunden zusammen.

Die vielen Schnittstellen zeigen auf: Bei STEINEL ist der PCB-Designer bei STEINEL nicht «nur» Layouter, sondern auch Teamplayer, Lösungsfinder, Koordinator, Überprüfer, Zuhörer, und Unterstützer für die verschiedenen Fachbereichen. Damit entsteht ein erfolgreiches Produkt.

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«Unsere kundenspezifischen OEM-Produkte und Projekte fordern mich immer wieder heraus und machen meinen Job abwechslungsreich, denn es ist meine Aufgabe alle Regeln und Normen pflichtbewusst umzusetzen und ein funktionierendes PCB-Design zu erstellen, damit die Leiterplatte produktionstauglich wird und das Produkt zum Erfolg führt - und das in einer Schnittstellenfunktion.» 

Andreas Höhn, Fachbereichsleiter PCB-Design & Labor Elektronikentwicklung bei STEINEL Solutions AG