Nutzen & Risiken beim PCB-Design durch externe Dienstleister

Autor / Redakteur: Dirk Müller * / Gerd Kucera

Nicht nur Fachkräftemangel und Kapazitätsspitzen beflügeln den Markt der PCB-Dienstleister. Was ist bei der Design-Vergabe an Externe zu beachten? Wann ist die Vergabe sinnvoll? Welche Risiken gibt es?

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Bild 1: Die Anforderungen an das fertigungsgerechte Layout einer Leiterplatte steigen mit der Lagenzahl, den Design-Regeln, Stromstärken und Signalfrequenzen.
Bild 1: Die Anforderungen an das fertigungsgerechte Layout einer Leiterplatte steigen mit der Lagenzahl, den Design-Regeln, Stromstärken und Signalfrequenzen.
(Bild: FlowCAD)

In der Elektronikentwicklung werden oft nicht alle Arbeitsschritte im eigenen Unternehmen ausgeführt. Das hat vielfältige Ursachen und die Bandbreite der Anforderungen ist groß. Es gibt beispielsweise Firmen, die nur selten eine Leiterplatte entwickeln und hausintern weder über Tools noch spezielles Knowhow verfügen. Sie beauftragen mit einem handschriftlich gezeichneten Stromlaufplan das komplette Design extern.

Es gibt auch Anwendungsfälle, bei denen mit steigender Komplexität der elektronischen Baugruppen die Unterstützung durch externe Spezialisten sinnvoll ist. Dabei handelt es sich oft um Einzelprojekte mit speziellen Anforderungen oder den Einstieg in eine neue Technologie. Aber nicht nur für Spezialaufgaben werden Dienstleister beauftragt; auch wenn es zu internen personellen Engpässen kommt werden Arbeitspakete ausgelagert. Die Gründe für personelle Engpässe können Urlaub, Elternzeit, Krankheit oder Kündigung von Mitarbeitern sein, aber auch eine zeitlich begrenzte Häufung von Projekten zu einem besonderen Termin.

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Externe Layout-Dienstleister ergänzen die Teams bei den Firmen für unterschiedliche Aufgaben. Der Einsatz ist meist projektbezogen und zeitlich begrenzt. Es gibt aber auch Aufgaben, wie die Pflege der Bauteilbibliothek, die kontinuierlich mit ein bis zwei Arbeitstagen pro Monat ausgelagert werden.

Layout-Anforderungen und ausgelagerte Arbeitspakete

Die Anforderungen an ein fertigungsgerechtes Layout einer Leiterplatte steigen mit der Lagenzahl, den Design-Regeln, den Stromstärken und Signalfrequenzen. Das Entwerfen einer Leiterplatte erfordert dazu nicht nur Kenntnisse von den PCB Layout Tools wie Allegro PCB Designer, sondern verlangt auch viel Erfahrung hinsichtlich der PCB-Fertigungsprozesse. Design-Regeln zu den verschiedenen Fertigungstechniken können heute zwar in moderne Layout-Software als DFM-Vorgaben eingelesen werden. Dennoch muss der Layouter wissen, wie der als DRC-Verletzung angezeigte Fehler zu korrigieren ist. Dazu gehört auch die Kenntnis von notwendigen, branchenspezifischen Vorschriften, damit ein zuverlässiges Design entsteht. Diese Tätigkeitsbeschreibung gilt für interne wie auch externe Layouter.

Die Art der ausgelagerten Arbeitspakete ist unterschiedlich und abhängig davon, wie die Schnittstellen definiert werden. Häufig erstellt der Auftraggeber seinen Stromlaufplan selbst und übergibt diesen mit elektrischen Design-Vorgaben und den mechanischen Anforderungen, um eine Leiterplatte erstellen zu lassen. Der Layouter hat dann Zugriff auf die interne Bauteilbibliothek von verifizierten Footprints und erstellt im Bedarfsfall auch neue Komponenten in der Bibliothek entsprechend den Vorschriften.

Dienstleister unterscheiden sich in der Phase des Placements der wesentlichen Komponenten. Diese Phase ist von dynamischer Kommunikation geprägt. Die Entwickler und Projektleiter müssen zusammen mit dem Layout-Dienstleister Kompromisse besprechen, um eine optimale Lösung für die Leiterplatte zu finden. Solche Absprachen finden meist bei einer Projektübergabe statt und werden dann mit Telefonaten und Webmeetings fortlaufend weitergeführt. Als zielführend hat sich eine permanente Transparenz für den Entwickler herausgestellt. Der Entwickler kann die Fortschritte des Designs mit Layout-Viewern oder PDFs mitverfolgen, und neue Anforderungen können sofort besprochen und definiert werden.

Üblich ist es auch, die Arbeitspakete durch regelmäßige Reviews abzugleichen. Meist ändert sich der Stromlaufplan noch während der Layout-Phase und es muss sichergestellt werden, dass alle Änderungen mit dem Layout synchronisiert bleiben. Klare verständliche Kommunikation stellt sicher, dass über alle undokumentierten Design-Absichten das gleiche Verständnis besteht.

Zuerst werden der Lagenaufbau, die Leiterplattenkontur und die Platzierung der unveränderbaren Elemente wie Stecker und Befestigungsbohrungen festgelegt. Anschließend kann der Layouter mit der Planung der Bauteilplatzierung und einer Routing-Abschätzung beginnen. Hier sollte wieder ein regelmäßiger Abgleich der Fortschritte im Design über einen Viewer auf den Design-Daten oder mit PDFs erfolgen. Diese Reviews können in persönlichen Treffen oder über das Internet mit Webmeetings stattfinden. Wichtig ist aber, dass sich beide Seiten verstehen.

Ein Layouter in der gleichen Zeitzone, der die gleiche Sprache spricht und entsprechende Branchenkenntnisse besitzt, führt nachweislich zu weniger Missverständnissen. Je weiter weg der Layouter sitzt (z.B. in Osteuropa oder Asien), desto unterschiedlicher sind die Sprachen, Mentalitäten und Erfahrungen und die Anzahl der Missverständnisse steigt. Diese Missverständnisse in der Kommunikation führen zu mehr abgerechneten Tagen und Verzögerungen bei der Fertigstellung. Der Kostenunterschied pro Stunde für einen lokalen Layouter relativiert sich schnell. Wenn die Kommunikation nicht reibungslos funktioniert, können die Projektkosten wegen eines vermeintlich günstigen Layouters höher ausfallen als durch die Kosten für einen erfahrenen, teureren Layouter.

Bevor ein Layout fertiggestellt ist, muss die Art des Leiterplattentests berücksichtigt werden. Zu einem PCB-Layout gehören auch Testpunkte, die im Layout einzuplanen sind. Wie eine Leiterplatte getestet wird, hängt nicht nur von der Geräteausstattung des Leiterplattenfertigers ab, sondern auch vom Platz auf der Leiterkarte sowie von elektrischen Einflüssen. Hier kommuniziert der Dienstleister gegebenenfalls mit dem Auftraggeber wie auch mit der späteren Fertigung.

Fertigungsunterlagen, Messung und Simulation

Am Ende der Design-Phase werden die definierten Fertigungsunterlagen wie IPC-2581, Gerber, Stücklisten, Bohr- und Fräsdaten und anderes mehr aufbereitet. Die Unterlagen können in Paketen mit unterschiedlichem Inhalt für die Leiterplattenfertigung, Bestückung, den Test und eine interne Archivierung zusammengestellt werden.

Messungen finden meist im eigenen Labor der Entwickler statt. Messungen in der EMV-Kammer sind ein klassisches Beispiel für externe Dienstleistung. Nur die wenigsten Firmen verfügen hausintern über eine zertifizierte EMV-Kammer. Daher werden solche Messungen bei spezialisierten Dienstleistern durchgeführt. Der Nachteil von Messungen an Prototypen ist, dass spät erkannte Fehler zu einem Redesign und damit zu hohen Kosten und Verzögerungen führen. Daher versuchen viele Firmen schon frühzeitig Teile der Schaltung zu simulieren und so ein späteres Redesign zu vermeiden. Genauso wie das Messen erfordert auch das Simulieren ein gewisses Knowhow. Wer nicht weiß, wie eine Simulation aufzusetzen ist und wie die Ergebnisse zu interpretieren sind, der bekommt folgerichtig falsche Ergebnisse. Hier kommen wieder PCB-Dienstleister ins Spiel.

Wenn Firmen mit der Simulation beginnen, hatten sie meist ein Problem mit einem Prototyp und wollen ihre Arbeitsweise optimieren. Sie haben aber weder Erfahrung mit Simulationen noch die entsprechenden Tools. Um Erfahrungen im Bereich Simulation aufzubauen, werden häufig die ersten Simulationen mit externen Spezialisten durchgeführt, die dann die internen Entwickler an den echten Designs trainieren.

Es ist zweckmäßig, dass interne Entwickler und externen Simulationsexperten gemeinsam simulieren, da sowohl das Fachwissen über die Schaltung und die Kenntnis über die Simulationswerkzeuge erforderlich ist. Das Training on the job beschleunigt die Lernkurve für die internen Mitarbeiter bei dieser neuen Methodik und bringt schon frühzeitig eine Korrelation zwischen der Simulation und Messungen. Wenn das nötige Knowhow aufgebaut ist, werden die Tools beschafft und Simulationen intern durchgeführt oder einzelne Projekte extern vergeben.

Eigene Software und Geheimhaltungsvereinbarung

Werden Layouts oder Simulationen intern durchgeführt, muss sowohl in Tools als auch die Ausbildung der Mitarbeiter investiert werden. Bei externen Dienstleistern dagegen stehen die Mitarbeiter ausgebildet und mit eigenen Tools für das Projekt zur Verfügung. Ab wann sich eine Investition in eigenes Layout lohnt ist von Auftrag zu Auftrag unterschiedlich.

Für den Review, bei dem die Design-Regeln kontrolliert und der Design-Fortschritt geprüft wird, sollte der Auftraggeber die kostenlosen Viewer verwenden. Der nächste Schritt wäre die kleinste Ausbaustufe einer skalierbaren Layout Software zu erwerben, mit der der Entwickler selbst Design-Regeln vergeben kann und kritische Platzierungen vornimmt. Ein Dienstleister kann dann z.B. komplexe High-Speed Designs in der leistungsstärkeren Ausbaustufe des Tools umsetzen. Auf alle Fälle sollten nach dem Design die kompletten Design-Daten an den Auftraggeber ausgehändigt werden, damit nachfolgende Entwicklungen auf dem vorhandenen Design aufsetzen können.

Erfahrene PCB Layouter können entweder beim Kunden vor Ort das Layout umsetzen oder sie bekommen die Daten und Anforderungen übergeben und layouten dann im Büro des Dienstleisters. Welches Modell verwendet wird, ist abhängig von den Kosten, den Sicherheitsanforderungen und wie oft das Team aus internen und externen Mitarbeitern schon zusammengearbeitet hat.

Ein Non Disclosure Agreement (NDA) ist bei externen Dienstleistungen heute Standard. Historisch betrachtet kommen die Geheimhaltungsvereinbarungen aus den angelsächsischen Regionen der Welt, da dort viel mehr über einzelne Verträge geregelt ist. In Deutschland gibt es einen guten Gesetzesrahmen, der das meiste aus diesen Vereinbarungen bereits regelt. Dennoch sind Geheimhaltungsvereinbarungen sehr beliebt, denn sie stellen für alle Beteiligten zusammenfassend klar, dass es sich hier um schützenswertes Knowhow handelt und dieses Intellectual Property (IP, geistiges Eigentum) nicht an Dritte weitergegeben werden darf. Mit dieser juristischen Sensibilisierung geht dann auch meist ein gesicherter oder verschlüsselter Datenaustausch einher.

Dennoch ist ein Vertrag nur so viel wert, wie er sich letztendlich durchsetzen lässt. Ein Vergehen in fernen Ländern rechtlich zu ahnden ist weitaus schwieriger als bei einem Dienstleister vor Ort in Deutschland. Allein daraus resultiert auch die unterschiedliche Sicherheit der Daten bei Dienstleistern in verschiedenen Regionen.

Wenn ein Auftraggeber sensible oder sehr innovative Projekte bearbeitet, kommt es auch vor, dass ein Leiterplatten-Dienstleister nur vor Ort beim Kunden in einer gesicherten IT-Infrastruktur arbeiten darf. Dann stellt der Auftraggeber auch die entsprechenden Tools, damit keine Daten übertragen werden müssen.

Komplexer Datenaustausch und Kosten der Auslagerung

Die Angaben, die für ein Layout benötigt werden, sind meist den jeweiligen Datenblättern, Excel- oder Word-Dateien und erfassten Stromlaufplänen entnommen. Meist sind diese Daten so umfangreich, dass sie sich nicht problemlos per E-Mail verschicken lassen. Dies trifft auch für die Layout-Datei einer Leiterplatte zu, wenn Werte für Reviews ausgetauscht werden sollen.

Von sensibleren Informationen können entweder nur PDF-Ansichten oder Bildausschnitte verschickt werden; oder die Übertragung findet verschlüsselt mit PGP (Pretty Good Privacy) statt. PGP kann hier für eine sichere Kommunikation verwendet werden und nutzt asymmetrische Verschlüsselungsverfahren mit öffentlichen und privaten Schlüsseln.

Die anfallenden Tagessätze für Dienstleistungen variieren je nach Art der ausgelagerten Arbeitspakete. Neben der reinen Arbeitszeit des Mitarbeiters fließen auch Kosten für entsprechende Tools oder für Reisen in die Kalkulation mit ein. Zur Bewertung der Gesamtkosten sind noch weitere, hier nicht genannte, Posten zu berücksichtigen. Ergo: Erfahrene Layouter, die in der gleichen Sprache kommunizieren wie die internen Mitarbeiter, sind effizienter und setzen die Arbeitspakete in kürzerer Zeit um. Nicht so einfach messbar ist, inwieweit der externe Mitarbeiter mitdenkt und frühzeitig auf kritische Bereiche hinweist, um sie mit den internen Mitarbeitern zu besprechen und mögliche Probleme zu lösen. Die Qualität dieser Kommunikation entscheidet auch, ob es zu zusätzlichen Prototypen und Redesigns kommt. Eine Effektivität dieser Kommunikation lässt sich nur schwer bewerten, da vermiedene Fehler praktisch nicht erfassbar sind.

* Dirk Müller ist Geschäftsführer bei FlowCAD, Feldkirchen.

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