CAD/CAE
3D-Schaltungsträger - ganz einfach
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Bauteile in der Leiterplatte
Wenn mehr Funktionen in kleinere Geräte, z.B. Mobiltelefone und mobile Spielekonsolen, integriert werden müssen, dann reichen die bisher genannten Verfahren nicht aus. In Zukunft werden elektrische Bauteile in den Lagenaufbau einer Leiterplatte integriert, so dass eine dritte und vierte Bestückungsebene entsteht. Bisher wurden auf Innenlagen lediglich passive Bauteile realisiert - z.B. gedruckte Widerstände, strukturierte (geätzte) Spulen. Neue Fertigungsverfahren ermöglichen es heute, auch aktive Bauelemente im Inneren der Leiterplatte zu platzieren (Bild 4). Die Multilayer-Leiterplatte wird in mehreren Schritten erstellt: Innenlagen werden vor dem Verpressen bestückt und getestet.
Herkömmliche PCB-Layout-Software kann keine Bauteile in den Innenlagen platzieren und alle erforderlichen Designregel überprüfen. Die führenden PCB-Software-Hersteller bieten aber bereits Funktionen für das Einbetten von Bauteilen, z.B. Designregeln für Aussparungen und Abstände zu benachbarten Innenlagen.
Erforderliche Design-Software
Prinzipiell ist für die Entwicklung von 3D-Schaltungsträgern, unabhängig vom Typ, keine spezielle CAD-Software erforderlich. Jedoch ist der Schaltungsträgerentwurf in traditionellen mCAD- und eCAD-Systemen sehr zeitaufwendig und fehleranfällig, wenn die entsprechende Technik und Konstruktionsweise nicht vom CAD-System unterstützt wird. Das manuelle Zusammenführen beider CAD-Systeme wird dann bereits bei kleinen Schaltungen schnell fehlerträchtig und ineffizient. Bei gestapelten Leiterplatten z.B. stellt sich das Problem, dass Konstruktionsregeln über zwei Projekte verteilt und aufeinander abgestimmt sein müssen. Eine vorherige Festlegung schränkt aber die Freiheit beim Layout stark ein und behindert die Optimierung während des Layouts. Sinnvoll und sehr hilfreich ist in solchen Fällen ein Constraint Manager, der aus fremden Projekten Werte übernehmen kann.
Bei starr-flexiblen Leiterplatten führen die im Lagenaufbau nicht mittig integrierte flexible Folie und die daraus resultierende „neutrale Faser“ beim Biegen zu Abweichungen, die in der 2D-Abwicklung Winkelfehler und Fehlplatzierungen verursachen, wenn sie nicht entsprechend korrigiert werden. Spezielle 3D-CAD-Programme wie das Starr-Flex-Designprogramm Nextra korrigieren solche Fehler automatisch. Das 3D-CAD-Programm kennt den Lagenaufbau und berücksichtigt die neutrale Faser sowie das Biegeverhalten von PCB-Folie, auch bei nachträglichen Änderungen am Lagenaufbau.
Der Entwurf von 3D-Schaltungsträgern bedeutet aber nicht, dass der etablierte Entwicklungs- und Konstruktionsprozess für elektronische Schaltungen und Leiterplatten, mechanische Komponenten und Gehäuse über den Haufen geworfen wird. Der vorhandene CAD-Arbeitsablauf sollte vielmehr als Basis genutzt werden, um z.B. den Stromlaufplan zu erstellen. Diese Programme sind an eine Bauteilverwaltung oder ein PLM-System angeschlossen und an viele Prozesse im Unternehmen angebunden. Die zusätzlichen 3D-CAD-Tools sollten auf diesen Daten aufsetzen und für eine Optimierung genutzt werden. Wenn sich die bisher genutzte CAD-Software zur Konstruktion von 3D-Schaltungen nicht eignet, ist die 3D-Kon-struktion „von Hand“ keine sehr sinnvolle Methode. Ist die Zahl der 3D-Schaltungen, die entwickelt und konstruiert werden müssen, hoch genug, dann sollte auf ein anderes CAD-Programm umgestiegen werden. Ist die Anzahl der zu entwickelnden 3D-Schaltungen dagegen eher gering, sollte die Konstruktion an externe Spezia-listen vergeben werden.
Der Schritt in die dritte Dimension wird häufig aus Platzgründen erforderlich. Folglich muss das mechanische Umfeld betrachtet werden, z.B. das Gehäuse. Die bisher verwendeten Datei-Formate DXF und IDF sind für den Datenaustausch zwischen mCAD- und eCAD-Software ungeeignet. Aus diesem Grund gibt es eine Initiative der CAD-Prorgammhersteller Cadence, Mentor und PTC mit einem neuen Format (IDx), alle relevanten Daten und anschließend nur die Differenzen zu übertragen. So bleiben die Dateigrößen für 3D-Projekte noch akzeptabel. Das neue Dateiformat steht bereits zur Verfügung und wird von den beteiligten Firmen unterstützt.
Bei allen Miniaturisierungen und Steigerungen des Funktionsumfangs kommt es aufgrund der höheren Leistungsdichte auch zu höheren Temperaturen. Ob diese Temperaturerhöhung kritisch für den Betrieb ist, kann durch thermische Simulationsprogramme wie 6Sigma von AlphaNumerics [2] vorhergesagt werden. Wichtig ist auch hier, dass ein 3D-Layout mit Informationen über den Lagenaufbau eingelesen werden kann..
Links
[1] www.mecadtron.com
[2] www.alphanumerics.de
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| Dipl.-Ing. Dirk Müller |
| studierte Elektrotechnik mit der Vertiefungsrichtung Technische Informatik/Rechnerstrukturen und arbeitete fast zehn Jahre bei einem Hersteller für Embedded-Controller von Industriedrucksystemen. Seit 2001 ist er als Geschäftsführer bei FlowCAD für den Vertrieb von Cadence-PCB-Software in Zentraleuropa verantwortlich. |
dirk.mueller@flowcad.de
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