Leiterplattenlayout Vom Zeichner zum Projektmanager

PCB-Designer Sol Tatlow an seinem Arbeitsplatz bei Prodesign

Steigende technische und wirtschaftliche Anforderungen rücken das Leiterplattendesign mehr und mehr an eine zentrale Position in der Produktentwicklung. Hier fallen Entscheidungen über Qualität und Kosten des späteren Produktes.

Elektronik: Herr Tatlow, Sie sind Senior Layouter bei der Pro Design Electronic GmbH, einem Unternehmen, das sich vom Leiterplatten-CAD-Softwarevertrieb zum Auftragsfertiger entwickelt hat. Wie sehr hat sich in dieser Zeit das Berufsbild des Layouters verändert?

Sol Tatlow: Gewaltig. Die Veränderung vollzog sich in großen Schritten vom "Technischen Zeichner" zum "Elektronik-Allrounder", der immer tiefere Kenntnisse der Elektronik, der Hard- und Software-Entwicklung und -- unabdingbar -- sogar in der Leiterplatten-Technik besitzen muss. Ganz zu schweigen von den zahlreichen Layout-Tools und 3D-Mechanik-Tools, die beherrscht werden müssen. Der Layouter ist zum "Knoten" zwischen Kunde/Entwicklung und Fertigung geworden: Er muss den Wunsch, also das "Was" in ein produzierbares "Wie" umsetzen und darf dabei die wesentlichen Parameter Zeit (time to market), Qualität (zero error) und Kosten (design to cost) nicht außer Acht lassen. Ein gut eingespielter Informationsaustausch zwischen Entwicklung, Layout, PCB-Hersteller und Fertigung sowie exzellente Marktkenntnisse über Leiterplatten, Bauteile und Prozesse sind heute der Schlüssel zum Erfolg.

Als Layouter bei einem Auftragsfertiger haben Sie es mit vielen Kunden zu tun. Damit wechseln auf der einen Seite die kundenspezifischen Anforderungen an die Baugruppe und auf der anderen Seite die Qualität der zur Verfügung gestellten Daten. Wie gehen Sie mit diesen ständig wechselnden Aufgabenstellungen um?

Tatlow: Pro Design ist ja nicht nur Auftragsfertiger, sondern wir entwickeln neben eigenen Produkten auch Produkte und Systeme für unsere Kunden, quasi von deren Idee zum zertifizierten und geprüften Produkt oder System. Streng genommen unterscheiden wir Layouter demnach zunächst nach externen und internen Auftraggebern, danach nach Kunden, die ganz konkrete Vorstellungen bezüglich der Herstellung ihrer Baugruppen haben, und solchen, die die Leiterplattenspezifikationen in Zusammenarbeit mit uns erarbeiten bzw. sich ganz auf uns Spezialisten verlassen.

Bei den Kunden mit Beratungsbedarf spielt der Einsatzbereich der bestellten Leiterplatten eine gravierende Rolle. Wenn es um Prototypen oder kleinere Stückzahlen geht, haben wir Layouter meistens mehr Freiheiten für eigene Entscheidungen als bei höheren Stückzahlen. Wir müssen unter anderem folgende Faktoren beachten:

  1. Preislimit - z.B. eine begrenzte Anzahl an Kupferlagen, was höheren Layoutaufwand bedeutet.
  2. Formfaktor - wenn z.B. viele Bauteile ganz dicht auf eine begrenzte Leiterplattenfläche platziert werden sollen, bedeutet das ebenfalls höheren Layoutaufwand.
  3. Bauteilverfügbarkeit - wenn Bauteile schwer verfügbar oder abgekündigt sind, muss der Layouter dem Kunden Bescheid sagen, damit der ein Alternativbauteil sucht; nach Möglichkeit in einer frühen Layoutphase, um den Änderungsaufwand klein zu halten.
  4. CE-, UL- und sonstige Zertifizierungen - für Seriengeräte wird auch oft eine Zertifizierung gewünscht, was die Anforderungen an das Layout aus mehreren Gründen weiter verschärfen kann.

Nun zur Qualität der zur Verfügung gestellten Daten. Hier sind uns die internen Auftraggeber und die Kunden, deren Ideen wir umsetzen dürfen, natürlich am liebsten. Die Unterlagen sind bekannt, weil formularisiert, die verwendeten Tools sind kompatibel, die Prozesse eingespielt und die Dokumentation ist vollständig.

Bei externen Auftraggebern muss dagegen zunächst Klarheit bezüglich Datenformat, Designrules und Bauteilauswahl/Gehäuseform geschaffen werden. Ohne dabei jetzt näher auf die Probleme und deren Lösung einzugehen, bedeutet dies fast immer Zeitverzug, den wir Layouter dann wieder auffangen müssen. Am besten lässt sich das an den eingesetzten Tools verdeutlichen. Keine Probleme entstehen, wenn der Kunde das gleiche Design-Tool benutzt oder der Datenimport serienmäßig möglich ist. Komplexer wird es, wenn zuerst ein Umsetzungsprogramm verwendet oder gar geschrieben und getestet werden muss. Aber dies haben wir im Griff. Nicht nur, daß wir sehr viele Design-Tools selbst im Einsatz haben, wir bieten auch für alle anderen Design-Tools entsprechende Schnittstellen an.

Neben dem klassischen FR4 tummeln sich auch noch andere Substrate -- starre und flexible, Keramik, Glas, Metallkern etc. Wie behält man hier den Überblick?

Tatlow: Bei neuen Substraten oder Techniken sind wir Mitglied in einer eigenen "Task-Force" u.a. mit der Aufgabe, eben die Weiterverarbeitungsmöglichkeiten zu analysieren und mögliche Problemstellungen zu erkennen und zu vermeiden. Darüber hinaus nutzen wir gerne die Hausmessen unserer PCB-Lieferanten, um uns über die neuesten Trends zu informieren. Sonst finden Sie uns oft auf einschlägigen Kursen und Seminaren, wo wir unser Wissen hinsichtlich Bestückungstrends vervollständigen.

Wie oft sind Sie in der eigenen Fertigung? Wie funktioniert die Rückkoppelung?

Tatlow: Das ist eine unserer Stärken, dass wir Layouter die ersten Prototypen quasi durch unser Haus begleiten können - manchmal bedeutet dies mehrmals am Tag einen Besuch in der Fertigung. Wir holen uns das Feedback aber nicht nur aus der eigenen Fertigung oder in den Teamsitzungen mit den Entwicklern, sondern wir Layouter sind auch im Wareneingangs-Prozess von Leiterplatten aktiv beteiligt - alle diese Informationen sind wie Puzzle-Teile, die von uns Layoutern zu einem Ganzen zusammengefügt werden.

Mit dem ersten Layout ist Ihre Arbeit aber sicher noch nicht beendet. Neben einer Designoptimierung aus Fertigungssicht, der klassischen Produktpflege - Beseitigen von Schwachstellen - müssen Sie doch auch reagieren, wenn Bauteile oder Gehäuseformen nicht mehr hergestellt werden?

Tatlow: Ja, das ist ein immer wiederkehrendes Thema im Layout. Kunden, die einmal eine Baugruppe erfolgreich mit uns entwickelt haben, machen dann auch die Produktpflege bei uns. Natürlich gibt es auch immer wieder den Fall, dass ein Redesign bei uns gemacht wird, obwohl das ursprüngliche Design bei einem anderen Dienstleister bzw. beim Auftraggeber selbst gelaufen ist.

Abkündigungen von Bauteilen sind in der Regel sehr, sehr kostspielig und generell fehleranfällig. Pro Design hat jedoch ein effektives "Abkündigungsmanagement" - d.h., wir verfolgen die Abkündigungen und erarbeiten dann sofort mit unserem Auftraggeber ein Substitutions- und/oder Bevorratungskonzept.

Arbeiten Sie im Team - z.B. ein "HF-Spezialist" und ein "Digital-Spezialist" - an einem Layout oder macht ein Layouter generell ein Layout allein?

Tatlow: Aufgrund der unterschiedlichen kundenspezifischen Anforderungen entwickelt jeder Layouter im Laufe der Zeit für sich Schwerpunkte auf einem bestimmten Gebiet. Ob wir impedanzkontrollierte Leiterplatten, Hochstromanwendungen für den Automobilbereich, flexible Leiterplatten für den Medizinbereich oder High-Speed-Layouts entwickeln, jeder Einsatzbereich erfordert ein spezielles Wissen über optimale Basismaterialien, Strukturen, Vorschriften und Leiterplattenaufbauten. Weil es für unsere Kunden jedoch von Vorteil ist, nur einen Ansprechpartner zu haben, verfolgen wir die Devise "ein Layouter - ein Layout" und holen Spezialwissen bei Bedarf von den anderen Teammitgliedern dazu. Fundierte Kenntnisse über Signalintegrität sind in jedem Fall unerlässlich.

Welches Layout war für Sie bisher die größte Herausforderung?

Tatlow: Ein einzelnes Beispiel aus meinen fast 20 Jahren als Layouter herauszupicken, ist nicht leicht. Die Spanne beginnt bei sehr einfachen Layouts, die aber wegen ihrer hohen Stückzahlen bis ins kleinste Detail fertigungs- und kostenoptimiert werden mussten, weil es beim Preis um Cent-Beträge ging. Jeder Quadratmillimeter Boardfläche zählte. Und trotzdem durften keine Kompromisse bei der EMV- und Sicherheitszertifizierung gemacht werden. Am anderen Ende stehen Boards mit mehr als 60 000 Komponenten-Pins, über 30 Lagen und Frequenzen im zweistelligen GHz-Bereich. Wo die Schwierigkeiten mehr im elektronischen und fertigungstechnischen Bereich lagen, ohne die Kosten des zu fertigenden PCB und - sehr wichtig - die "Second Source" zu vernachlässigen. Dazwischen Layouts mit kompakter Größe, erhöhter Robustheit, sehr kleinen Bauteilen, teilweise komplexen 3D-Anforderungen, besonderen mechanischen Ansprüchen und andere, die bezüglich Formfaktor, optischem Aussehen und hinsichtlich des späteren Einsatzbereichs den Layouter fordern. Aktuell arbeiten wir z.B. an einem Layout für ein portables Gerät, das alle diese Kriterien im höchsten Maße in sich vereint. Ein Trend ist aber unverkennbar: Das nächste Layout ist immer noch komplexer!