Leiterplatten-Design Multilayer von Anfang an dreidimensional entwickeln

Autor / Redakteur: Frank Krämer* / Gerd Kucera

Moderne Baugruppen nutzen mehrheitlich Multilayer-Boards, deren Entwurf ein hohes Abstraktionsvermögen des Entwicklers verlangt. Denn sein PCB-Tool bietet in der Regel während des Arbeitens nur die althergebrachte zweidimensionale Ansicht. In Altium Designer 6.8 ist nun die übliche Post-3-D-Darstellung durch dreidimensionale Visualisierung in Echtzeit ersetzt worden. Damit lassen sich z.B. Fertigungsvorgaben kontrollieren, der interne Layer-Stackup direkt einsehen und verfügbarer Platz besser abschätzen.

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( Archiv: Vogel Business Media )

In einer zweidimensionalen Ansicht werden die unterschiedlichen Lagen einer Leiterplatte mit verschiedenen Farben kodiert und als Ebenen übereinander gelegt. Die Umrisse der Bauteile sind dabei auf separaten Lagen dargestellt. Für das Design von einfachen ein- oder zweilagigen Leiterplatten, bei denen die Bauteildimensionen über den grundlegenden Footprint-Bereich hinaus keine große Rolle spielten, war dieser 2-D-Ansatz völlig ausreichend.

Der zweidimensionale Ansatz reicht nicht mehr aus

Die komplexen Designs von heute besitzen nur noch wenig Ähnlichkeit mit ihren Vorgängern und haben sich so weit entwickelt, dass praktisch alle Leiterplatten mehrere Lagen und vertikale elektrische Verbindungen aufweisen. Diese Entwicklung sowie die Notwendigkeit, den von Bauteilen eingenommenen Raum und ihre Positionen aus einer fertigungstechnischen und ästhetischen Perspektive zu betrachten, bedeutet, dass der Entwickler beim PCB-Design dreidimensional arbeitet und die 3-D-Visualisierung abstrakt umsetzt.

Aufbruch in die dritte Dimension der Leiterplatte

Das Fadenkreuz im PCB-Arbeitsbereich zeigt die Schnittkanten für die Schnitte A-A und B-B, die im 3D Visualization Panel zu sehen sind (Archiv: Vogel Business Media)

Um mit zunehmender Design-Komplexität umgehen zu können, wurden immer neue Funktionen entwickelt, die es z.B. erlauben, neben der farblichen Lagenkodierung die Reihenfolge der Darstellung zu ändern, die Transparenz der Lagen anzupassen oder gar ein 3-D-Bild des Boards zu generieren – dies aber nur für die Überprüfung nach dem Design. Im Vergleich zu Mechanik-CAD-Anwendungen ist die Elektronik-CAD-Welt nach wie vor weitgehend zweidimensional, in der „flache“ Leiterplatten aus mehreren „flachen“ Lagen erstellt werden.

In einigen Fällen werden 3-D-Versionen des Designs zur Überprüfung an die MCAD-Umgebung exportiert. Es ist also nicht überraschend, dass ECAD-Systeme bisher im Vergleich zu anderen CAD-Systemen minimale 3-D-Funktionen geboten haben. Dabei ist eine Implementierung von 3-D-Funktionen durch moderne Grafikkarten und Unterstützung von Direct-X sowohl technisch als auch in Bezug auf die Kosten keine zu große Herausforderung. Aktuelle Computerhardware ist meist in der Lage, 3-D-Bilder in Echtzeit darzustellen.

Betrachtung der Platine aus vielen Blickwinkeln heraus

Die Implementierung solcher Funktionen, wie beispielsweise in Altium Designer 6.8, bietet eine Reihe von Möglichkeiten. Zunächst einmal wird die Platine in 3D dargestellt, um das Board aus allen Blickwinkeln betrachten und untersuchen zu können. Dies ist nicht nur auf die Außenansicht der Platine beschränkt, auch das Innenleben der einzelnen Lagen kann detailliert angesehen und untersucht werden. Praktisch bietet dies die Fähigkeit, in Echtzeit um das Board herum und in es hinein zu „fliegen“, und sich dabei komplette Pads, Cut-Outs, Via-Barrels, Overlays und Durchkontaktierungen entweder von der Oberfläche aus oder von innen anzusehen. Durch solch eine realistische Ansicht aller Einzelheiten des Boards kann die Leiterplatte vor der Fertigung genau inspiziert werden. Somit lassen sich Entwurfsfehler einfacher aufspüren und Entscheidungen fundierter treffen.

Unterschiedliche Konfigurationen der 3-D-Ansicht definieren

Durch die Definition sogenannter Component Bodies lassen sich auch ohne explizite 3-D-Modelle räumliche Bauteile erzeugen (Archiv: Vogel Business Media)

Je nach Aufgabe lassen sich verschiedene Konfigurationen für die 3-D-Ansicht speichern. Dabei sind die Farben für Kupfer, Core, Siebdruck und Lötstoppmaske separat einstellbar. Alle physikalischen Elemente des Boards lassen sich auch einzeln aus- bzw einblenden. Will man ins Board hineinschauen, aber z.B. auf die Lötstoppmaske nicht ganz verzichten, ist diese stufenlos in ihrer Transparenz von undurchsichtig bis durchsichtig variierbar. Zur Kontrolle des Siebdrucks lässt sich eine Konfiguration speichern, die diesen in einer besonders auffälligen Farbe darstellt. Wird der Verlauf einer Leiterbahn verfolgt, so kann bei einer Durchkontaktierung über eine Tastenkombination auf die gegenüberliegende Seite das Board gewendet werden. Eine Untersuchung von vergrabenen oder blinden Durchkontaktierungen ist dabei ebenso möglich.

3-D-Visualisierung nicht als Post-Prozess, sondern live

All dies erfolgt nicht als Post-Prozess zum Design, sondern live im ganz normalen Arbeitsbereich. Ein einfacher Tastendruck wechselt zwischen der herkömmlichen 2-D-Ansicht zur Live-Ansicht in 3-D und wieder zurück. Um im 3-D-Modus navigieren zu können, enthält Altium Designer 6.8 neben neuen Zoom- und Pan-Konfigurationen eine 3-D-Sphere-Funktion, mit der die Drehrichtung und Rotation des Boards in 3-D kontrollierbar ist.

Zusätzliche Ansichten im Fenster parallel zum Arbeitsbereich

Ein Component Body ist über Daten zur lichten Höhe, der Gesamthöhe und zur Farbe spezifiziert. Die Form ist nahezu beliebig. (Archiv: Vogel Business Media)

Neben der 3-D-Darstellung im Arbeitsbereich kann zusätzlich ein separates Fenster geöffnet werden (das 3D Visualization Panel), sodass dann parallel zum Arbeitsbereich zwei Schnittbilder der Platine und eine weitere 3-D-Ansicht vorliegen. Die Lage der Schnitte wird im Arbeitsbereich angezeigt. Damit hat der Layouter beim Platzieren von Verbindungsleitungen oder Vias im Board eine direkte visuelle Unterstützung. Ist noch genügend Platz für eine Durchkontaktierung? Lässt sich noch eine vergrabene oder blinde Durchkontaktierung einfügen? Diese Fragen sind über dieses 3-D-Panel viel einfacher zu beantworten.

Die bestückte Platine als virtuelle Realität auf dem Bildschirm

Zur Navigation gibt es neben neuen Zoom- und Pan-Konfigurationen eine 3-D-Sphere-Funktion, mit der die Drehrichtung und Rotation des 3-D-Boards steuerbar ist (Archiv: Vogel Business Media)

Zur Analyse und Beurteilung der späteren, fertig bestückten Baugruppe kann Altium Designer 6.8 sie in Echtzeit im Arbeitsbereich bzw. im 3D Visualisation Panel darstellen. Hierzu wird in einer 3-D-Konfiguration zunächst einmal die Darstellung der Bauteile aktiviert. Zur Darstellung des Bauteils gibt es zwei Möglichkeiten. Ohne Zuhilfenahme eines separaten 3-D-Tools, mit dem Modelle für Bauteile in verschiedenen Formaten erstellt werden, definiert man nun direkt in der Bibliothek oder auch im Design selbst sogenannte Component Bodies. Ein Component Body ist über Daten zur lichten Höhe, der Gesamthöhe und zur Farbe spezifiziert. Die Form ist nahezu beliebig, zu deren Definition können bereits existierende Formen des Footprints benutzt werden, sodass ein manuelles Zeichnen entfällt.

Detailliertere Darstellungen entstehen durch Verwendung von 3-D-Modellen, die im Step-Format importiert und für die 3-D-Ansicht verwendet werden. Verschiedene Funktionen und der Einsatz von Referenzpunkten erleichtern dabei die präzise Positionierung und Ausrichtung des Modells, sei es direkt im Design oder schon vorab in der Bibliothek.

300 weitere Verbesserungen und Funktionen in der Version 6.8

Neben den Funktionen zur Entflechtung und Verifikation eines Boards in einer Live-3-D-Ansicht ist natürlich die klassische Verarbeitung im Post-Prozess möglich. Über eine entsprechende Modellierung der Bauteile im Step- oder IGES- Format können deren 3-D-Eigenschaften beschrieben werden, üblicherweise in der Bibliothek. Vom fertigen Board kann dann ein Step- bzw. IGES-Modell für die komplette Baugruppe exportiert werden. Danach ist in einem MCAD-System die Kollisionsprüfung mit dem Gehäuse durchführbar. Vorab lassen sich über Import von Platinenumrandung oder Bereichen mit Höhenrestriktionen entsprechende Regeln für das Layout definieren.

Die 3-D-Visualisierung ist ein wesentlicher Bestandteil von Altium Designer 6.8, dass als Service Pack den Altium-Designer-Anwendern kostenlos zur Verfügung steht. Daneben gibt es aber eine Reihe weiterer Funktionen und Verbesserungen, insgesamt 300. Dazu zählen im Schaltplan Elemente wie Device Sheets (sichere und kontrollierte Wiederverwendung bereits bewährter Schaltungsteile) und Signal Harness (Bündelung verschiedener Signale oder Busse zur übersichtlicheren Darstellung von Designs). Und nicht zu letzt ist die Funktion der interaktiven Längenanpassung laufzeitkritischer Netze nun auch für Differentialpaare anwendbar.

*Frank Krämer ist Manager, Support & Application bei der Altium Europe GmbH, Karlsruhe.

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