Räumliche elektronische Baugruppen 2D-PCB-Software für 3D nutzen

Leiterplatten auf räumlichen Schaltungsträger
MID-Quadrocopter: Die Kunststoffkonstruktion dient gleichzeitig als räumlicher Schaltungsträger.

Leiterbahnen auf einem räumlichen Schaltungsträger zu platzieren erweist sich häufig als sehr aufwändig. Für die ECAD-MCAD-Interaktion gibt es momentan keine optimalen Software-Werkzeuge. Ein pragmatischer Ansatz verknüpft etablierte und kostengünstige ECAD- und MCAD-Programme miteinander.

Wenn eine hohe Integration von mechanischen und elektronischen Funktionen gefordert wird, die Geometrie also funktionale Eigenschaften haben und das Gesamtsystem dazu auch noch klein werden soll, dann bietet sich der Einsatz der MID-Technik (Molded Interconnect Device) an. Hauptmerkmal von MIDs ist das direkte Aufbringen von Leiterbahnen und elektronischen Bauteilen auf der Oberfläche eines 3D-Grundkörpers, der auch eine mechanische Funktion erfüllt. Diese 3D-Grundkörper sind meistens aus einem isolierenden Kunststoff hergestellt und werden zusätzlich als räumlicher Schaltungsträger eingesetzt. Ein weit verbreiteter Prozess zur Erzeugung der Leiterbahnen auf der Kunststoffoberfläche ist die sogenannte Laser-Direkt-Strukturierung (LDS). Dabei werden die dreidimensionalen Leiterbahnstrukturen mit einem Laser auf die Oberfläche geschrieben, der Kunststoff an diesen Stellen aktiviert und anschließend metallisiert.

Mit der Substitution der klassischen flachen Leiterplatte entfällt allerdings auch die etablierte Vorgehensweise beim Entwurf mit den üblichen ECAD-Programmen. Es genügt nicht mehr, dass ein Elektronik-Entwickler einen Schaltplan erarbeitet und dazu ein passendes zweidimensionales Schaltungs-Layout erstellt. Um die Leiterbahnen per Laserstrahl auf einem dreidimensionalen Schaltungsträger schreiben zu können, müssen Daten von 3D-Leiterbahnen erzeugt werden. Doch wie entwirft der Layouter dreidimensionale Leiterbahnstrukturen? Es gibt erste Ansätze für neue CAD-Programme, die genau auf diesen Anwendungsfall spezialisiert sind. Sie ermöglichen ein direktes Platzieren von Leiterzügen auf einem 3D-Schaltungsträger. Basierend auf dem Import der mechanischen Daten des als Schaltungsträger dienenden Körpers und der Netzliste der elektronischen Schaltung kann dann das eigentliche Layout in 3D angefertigt werden. Leider befinden sich diese CAD-Programme noch in einer frühen Entwicklungsphase und erfordern aufgrund der neuen Arbeitsweise eine intensive Einarbeitung. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, konventionelle MCAD-Programme zu verwenden und die Leiterbahnen gemäß den Vorgaben aus dem konventionellen Leiterplattendesign von Hand nachzumalen. Dies ist allerdings sehr mühsam und kann bei der ersten Änderung im Layout der elektronischen Schaltung in Sisyphusarbeit enden. Jeder, der schon einmal Elektronik und Leiterplatten entwickelt hat, weiß, wie aufwändig selbst kleine Änderungen bei flachen Baugruppen werden können.

MID-Entwicklungsprozess

Genau diese zweite, manuelle Methode sollte von der Enders Ingenieure GmbH für einen Kunden effizienter gestaltet werden. Beim auftraggebenden Unternehmen wurde kein spezielles MID-CAD-Programm eingesetzt. Die Elektronikentwicklung arbeitete mit dem ECAD-Programm Eagle von Cadsoft, die Mechanik­entwickler nutzten ProEngineer von PTC als MCAD-Software. Die Elektronikentwickler erstellten ein klassisches 2D-Leiterplatten-Layout und ein Mechanikkonstrukteur portierte die Daten anschließend per Hand in 3D. Er malte sozusagen die Leiterbahnen nach. Nachdem das Projekt jedoch mehr Zeit als geplant verschlang und die noch verfügbare Zeit langsam knapp wurde, konnten die Änderungsschleifen im Entwurfsprozess des räumlichen Schaltungsträgers nicht mehr untergebracht werden.

Für die effizientere Gestaltung des Prozesses zur Erzeugung von 3D-Leiterbahndaten konnte die Enders Ingenieure GmbH auf das Know-how eigener Entwicklungsingenieure aus allen Fachdisziplinen zugreifen und bündeln. In einem fachübergreifenden Workshop erarbeiteten Spezialisten aus der Elektronik gemeinsam mit Experten aus der Mechanik eine Methodik, um 3D-Leiterbahnstrukturen effizienter zu generieren. Eine der wichtigsten Anforderungen war dabei, den neuen Entwurfsprozess auf herkömmlichen CAD-Programmen aus dem Bereich ECAD und MCAD aufzubauen. Damit kann das Wissen und die Erfahrung der Fachleute am effektivsten genutzt werden und für die zukünftige Entwicklung von MIDs muss kein komplett neues CAD-Werkzeug eingeführt werden.

Die erarbeitete Methodik (Bild 1) besteht aus mehreren Arbeitsschritten, die nacheinander durchzuführen sind. Zuerst wird der Schaltplan der Elektronik entwickelt und die Netzliste erstellt. Damit in einem Folgeschritt das Layout entworfen werden kann, sind zunächst der 3D-Schaltungsträger mechanisch zu konstruieren und die Oberflächen für die Platzierung der Bauteile zu definieren. Die für die Platzierung von Bauteilen und Leiterbahnen reservierten Oberflächen werden im MCAD-Programm extrahiert und exportiert und in die ECAD-Software als Kontur importiert.

Das Schaltungs-Layout wird somit in konventioneller Manier und mit bekannter ECAD-Software erstellt. Der Elektronik-Entwickler hat in dieser Phase aber bereits einige Aspekte und Einschränkungen der MID-Konstruktion zu beachten. So wird das gesamte 2D-Schaltungs-Layout entsprechend den einzelnen Oberflächensegmenten des künftigen 3D-Schaltungsträgers unterteilt. Die Fragmentierung wird dabei durch die importierten Platzierungsflächen aus dem MCAD-Programm vorgegeben. Des Weiteren ist eine Erstellung eines Multilayer-MID aktuell technisch nicht realisierbar. Daher muss das Schaltungs-Layout für ein MID einlagig ausgeführt werden. Dies stellt, je nach Komplexität der Schaltung, eine Herausforderung an die Entflechtungsfähigkeiten des Entwicklers dar. Unvermeidbare Leiterbahnkreuzungen können z.B. mit Null-Ohm-Widerständen realisiert werden.

Der Design Rule Check kann wie gewohnt verwendet werden. Er ist aber entsprechend den Vorgaben der späteren Laser-Strukturierung einzustellen und bietet erst damit eine wertvolle Unterstützung. Für die Laserstrukturierung müssen beispielsweise Leiterbahnen etwas breiter ausgeführt werden als auf einer normalen Leiterplatte, da die erzeugten Metalloberflächen eine raue und unregelmäßige Beschaffenheit aufweisen. Als weiteres Hilfsmittel für den ECAD-MCAD-Layout-Prozess werden in das Layout Passmarken integriert.

Diese dienen später im MCAD-Programm zur einfacheren Ausrichtung der Leiterbahnstrukturen auf der Oberfläche des dreidimensionalen Schaltungsträgers. Ist das Schaltungs-Layout so weit fertiggestellt, dass alle Leiterbahnen definiert und geroutet sind, folgt der nächste Schritt, das Exportieren der Daten. Hierfür wurde ein spezielles Skript-basiertes Verfahren entwickelt. Per Skript gesteuert, arbeitet das ECAD-Programm das partitionierte Layout ab und exportiert die grafischen 2D-Daten der Leiterbahnbegrenzungen. Die exportierten Daten aus dem ECAD werden nun als Skizzen ins MCAD-Programm importiert (Bild 2). Direkt nach dem Import liegen die Daten der Leiterbahnen noch nicht optimal für die weitere Verarbeitung vor und enthalten noch Fragmente, die manuell zu bereinigen sind. Die bereinigten Skizzen der Leiterbahnen werden nun im nächsten Schritt auf die eigentliche Oberfläche des räumlichen Schaltungsträgers projiziert und damit aufgebracht. In einem abschließenden Schritt gilt es noch, die einzelnen Teilflächen des Layout zu verbinden. Dies ist, abhängig von der Komplexität des Grundkörpers und des Schaltungs-Layout, meist mit einigen wenigen Mausklicks getan.

Mit dem beschriebenen Prozess wurde nun ein vollständiges Layout auf den MID-Grundkörper übertragen und so ein räumlicher Schaltungsträger entworfen. Ist eine Anpassung oder Änderung notwendig, wird die Änderung vorne im Prozess eingespielt. D.h. die entsprechende Stelle im Schaltungs-Layout wird zuerst im ECAD-Programm angepasst. Beim anschließenden Datentransfer muss jedoch nicht mehr das vollständige Layout aktualisiert werden. Es ist möglich, nur die veränderten Segmente zu übernehmen. Auf diese Art und Weise können Iterationen relativ einfach durchgeführt werden. Nachdem das Layout der 3D-Leiterbahnstrukturen finalisiert ist, werden die Daten in ein neutrales Datenformat (z.B. STEP oder IGES) exportiert und für eine weitere Verarbeitung im Automaten zur Laserstrukturierung bereitgestellt.