Leiterplattenentwicklung/-fertigung 3D-Modelle von bestückten Leiterplatten generieren

Heute werden oftmals 3D-Modelle der bestückten Leiterplatten benötigt. Um folglich aus 2D-Daten eines PCB-Layout-Programms entsprechende Modelle zu generieren, gibt es spezialisierte Tools.

In den meisten Fällen der Elektronikentwicklung wird vor der Serienfertigung ein Prototyp der Elektronik hergestellt, der zum Test der Funktion, für EMV-Tests und vieles anderes mehr vorgesehen ist. Solche Prototypen produziert beispielsweise Beta Layout. Das mittelständische Unternehmen setzt dazu das sogenannte Pool-Verfahren ein, bei dem verschiedene Layouts auf einem Nutzen hergestellt und die einzelnen Platinen dann getrennt werden. Anschließend wird die Leiterplatte bestückt, so dass ein Prototyp für die Tests zur Verfügung steht.

Das Pool-Verfahren macht die Herstellung der Leiterplatten zwar vergleichsweise einfach und günstig, trotzdem ist ein gewisser Zeit- und Kostenaufwand notwendig. Für den rein mechanischen Test des Prototyps, die sogenannte Kollisionskontrolle, ist aber gar kein funktionierender echter Prototyp notwendig. Stellt man bei der Kollisionskontrolle fest, dass das Board nicht in das Gehäuse passt, muss gegebenenfalls die Elektronik nochmals überarbeitet werden. Folglich steigen die Kosten und man verliert Zeit.

3D-Konstruktion als Lösung

Ein Blick in die mechanische Konstruktion beispielsweise im Maschinenbau zeigt einen möglichen Lösungsweg auf, um unnötige Kosten zu vermeiden und den Entwicklungsprozess zu beschleunigen. Hier arbeiten die meisten modernen CAD-Systeme inzwischen in drei Dimensionen. Ein parametrisches 3D-Modell liegt der gesamten Konstruktion zugrunde. Mit diesen 3D-Modellen lässt sich allerhand anstellen – unter anderem auch eine Kollisionskontrolle. In der mechanischen Konstruktion ist durch die Umstellung auf 3D-CAD die Anzahl der Modelle und Prototypen, die hergestellt werden müssen, deutlich gesunken.

Im Unterschied zur mechanischen Konstruktion sind Layout-Programme für die Erstellung von PCBs in der Regel zweidimensional angelegt. Die dritte Dimension kommt erst durch das Bestücken des Board mit den Bauelementen zustande. In der Layout-Software ist aber häufig nur der Footprint der Bauteile hinterlegt – also die zweidimensionale Darstellung des Bauteils inklusive der Position der Lötpunkte. Die Erstellung eines virtuellen 3D-Modells ist in der Regel nicht vorgesehen. Der Entwickler kann dieses in einer entsprechenden CAD-Software generieren, was aber erhebliches Know-how erfordert und sehr aufwendig ist. Denn jedes einzelne Bauteil muss extra in der CAD-Software erstellt werden. Ideal ist eine Bibliothek mit den genauen Abmessungen sämtlicher Komponenten – doch diese für alle verwendeten Komponenten zu erstellen erfordert auch viel Zeit und Geduld.

In den gängigen Layout-Programmen ist das „Intermediate Data Format“ (IDF) zur Beschreibung bestückter Leiterplatten vorgesehen. Dieses Austauschformat enthält neben den Abmessungen des Board die Positionen und Orientierungen sämtlicher Komponenten sowie die Position von Befestigungslöchern und Ausfräsungen. Eine echte 3D-Information ist aber nicht enthalten, da die dreidimensionalen Abmessungen der meisten Komponenten nicht mit hinterlegt sind.

Mit dem aktuellen Tool IDF-to-3D, das Beta Layout seinen Kunden zur Verfügung stellt, können Anwender dieses Problem einfach lösen. Dazu werden die IDF-Daten, die aus einem beliebigen PCB-Layout-Programm stammen können, zunächst in den IDF Viewer geladen. Dort kann die Platine dann virtuell bestückt werden. Ein großer Teil der Komponenten wird dabei automatisch erkannt und richtig platziert. Die nicht erkannten Bauteile, die in der Ansicht rot markiert werden, kann der Benutzer einfach zuweisen und platzieren. Dazu bietet Beta Layout eine umfangreiche Bauteilbibliothek an. Sollte ein Bauteil einmal nicht in der Bibliothek enthalten sein, kann der Anwender eine STEP-Datei (Standard for the Exchange of Product Model Data) mit der Beschreibung des Bauteils in eine eigene Bibliothek hochladen.

Virtueller und gedruckter 3D-Prototyp

Als Ergebnis liefert die Software zunächst eine dreidimensionale PDF-Datei, die zum Betrachten des virtuellen Prototyps gedacht ist. Für die nächsten Schritte, wie beispielsweise die Kollisionskontrolle, erzeugt das Tool eine Datei im standardisierten STEP-Format. Dieses Format lässt sich von den meisten Programmen, die mit dreidimensionalen Daten arbeiten, lesen. Besonders interessant ist die Möglichkeit, die generierten Daten für einen 3D-Druck zu verwenden.

Auch in diesem Bereich bietet Beta Layout seinen Kunden eine Dienstleistung an, die sich positiv auf die Entwicklungszeit und damit auf die Kosten auswirken kann. Mit einer 3D-Prototyping-Maschine vom Typ Formiga P110 von EOS beispielsweise lassen sich recht präzise Modelle aus Polyamid im Lasersinter-Verfahren herstellen. Mit minimalen Schichtstärken von 0,06 mm (horizontal) bzw. 0,4 mm (vertikal) entstehen auch sehr filigrane Strukturen.

Ein solches gedrucktes 3D-Modell, das direkt online auf der Webpräsenz des Herstellers bestellt werden kann, wird im Prototypen-Stadium verwendet, um beispielsweise zu testen, ob die bestückte Leiterplatte ins Gehäuse passt. Diese Kollisionskontrolle kann geschehen, bevor der Funktionsprototyp hergestellt wird. Probleme, die man in einer solch frühen Phase feststellt, können helfen, hohe Kosten zu vermeiden. Gleichzeitig lässt sich der Entwicklungsprozess dadurch beschleunigen.

Selbst für das beliebte PCB-Layout-Programm Eagle von Cadsoft, das standardmäßig keinen IDF-Export unterstützt, bietet Beta Layout eine Lösung an. Dazu steht auf der Webpräsenz www.cadsoftusa.com ein ULP (User Language Program) zum Download zur Verfügung, das eine entsprechende IDF-Datei generiert und direkt an den IDF Viewer überträgt. Die Komponenten aus der Bauteile-Bibliothek von Eagle werden dabei automatisch den passenden 3D-Elementen zugeordnet.