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Leiterplattenentwicklung Strategischer Ausblick auf das PCB Design

Redakteur: Gerd Kucera

Die Aufgabe eine Leiterplatte zu entflechten bestand früher im „Malen“ nach Zahlen. Heute ist ein Design hochkomplex und die Anforderungen an einen PCB-Entwickler werden in Zukunft weiter ansteigen.

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Bild1: Miniaturisierung von Schaltungen, um eine höhere Leistungsdichte zu erhalten.
Bild1: Miniaturisierung von Schaltungen, um eine höhere Leistungsdichte zu erhalten.
(Bild: FlowCAD)

Prognosen sind eine schwierige Sache. Vor allem, wenn sie die Zukunft betreffen (Mark Twain, 1887). Dennoch gibt es gewisse Dinge, die sich in der Vergangenheit als Trend abzeichneten und wohl auch so in der Zukunft fortschreiten. Eine Art diese Entwicklung vorherzusagen hat Gordon Moore in seinem „Naturgesetz“ proklamiert. Er sagte voraus, dass sich die Anzahl der Transistoren in Schaltungen alle 18 Monate verdoppeln wird. Diese exponentielle Funktion wurde schon oft als veraltet und nicht mehr gültig bezeichnet, aber sie ist bis heute noch ungebrochen. Was bedeutet das? Die Komplexität von Elektronik verdoppelt sich alle ein bis zwei Jahre. Früher war es nur die Anzahl der Transistoren in einem Chip. In Zukunft sollte der Begriff auf die Baugruppe, auf die Design-Regeln und auf die externen Abhängigkeiten (also auf das ganze System) angewendet werden, um die steigende Komplexität zu beschreiben.

Eine Verfeinerung der Strukturen auf dem IC wird aus heutiger Sicht wohl bei 3 nm für den CMOS-Prozess an technologische Grenzen stoßen und damit in einigen Jahren wieder zur Vorhersage über das Ende des Moore‘schen Gesetzes führen. Aber die treibende Kraft in der Elektronik ist weiterhin die Miniaturisierung von Baugruppen, die einhergeht mit dem Druck zur Kosteneinsparung und Verbesserung der Leistungsdichte (Form Factor). Wenn es auf einem Chip nicht mehr weitergeht, dann werden eben andere Wege gesucht und gefunden. Wenn zweidimensionales Silizium nicht mehr reicht, geht es bei den Chip-Herstellern mit TSV (True Silicon Vias) und Stacked Dies in die dritte Dimension im IC-Package, um höhere Leistungsdichten zu erreichen.

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Der Entwicklungsschritt in die dritte Dimension

Für die Leiterplattenentwicklung sieht man die gleichen Trends. Die normale Multilayer-Leiterplatte wurde durch präzisere Fertigungstechniken mit HDI-Technologie optimiert. Bei einer kleiner werdenden Board-Kontur bleibt als nächster Schritt hier auch nur der Schritt in die dritte Dimension. Daher werden Bauteile als Embedded Components in die Leiterplatte integriert und dann Bereiche dieser Platine mit flexiblen Boards verbunden und zu einer Starrflex-Leiterplatte gefaltet (Bild 1).

Das führt sowohl in den Tools zu mehr Funktionalität für 3D-Anwendungen, da im gefalteten Montagezustand keine Kollisionen oder andere Störungen auftreten dürfen. Es steigt die Anzahl und Komplexität der Fertigungsregeln, die als Design Rule Check (DRC) für die unterschiedlichen Technologien verwaltet und überprüft werden müssen. Mit steigender Miniaturisierung steigt also die Anzahl der Design-Regeln im PCB-Tool. Eine übersichtliche und standardisierte Regelzuordnung und ein Review von Regeln im Constraint Manager sind somit sehr wichtig.

Die Zusammenarbeit von Elektronik-Entwicklern mit anderen Disziplinen der Produktentwicklung steigt mit zunehmender Miniaturisierung. Die gefalteten Leiterplatten müssen mit kleiner werdenden Toleranzen im mechanischen Gehäuse platziert werden. Die bisher üblichen Schnittstellen (DXF und IDF) haben zu viele Limitierungen, sodass es in der Zukunft hier neue Integrationen zwischen PCB- und mechanischen CAD-Werkzeugen geben wird. Die neuen Formate IDX und IDF++ reichen noch nicht aus, insbesondere da die Leiterplatten vermehrt als Starrflex gefertigt werden, um sie später gefaltet und gebogen einzubauen. Die neuen Formate müssen den unkomplizierten Austausch mit kleinen Datenmengen erlauben und sowohl im PCB als auch im mCAD-Tool integriert sein.

Da sich PCB-Tools mit Ihrer Verarbeitung der Daten mit 2D-Abwicklungen als besonders effizient erwiesen haben, werden sich in Zukunft parallel zur 2D-Verarbeitung auch 3D-Lösungen etablieren, in denen das Design dreidimensional in der späteren gefalteten Ansicht dargestellt wird. Auch andere Disziplinen im Umfeld der Entwicklung müssen kontaktiert und in den Entwicklungsprozess der Elektronik einbezogen werden. Dazu gehören Simulationen von thermischen und elektromagnetischen Effekten. Hierzu ist nicht nur die Ein- und Abstrahlung von außen zu berechnen, sondern es kann auch Wärme- bzw. elektromagnetische Strahlung von Bauteilen auf benachbarte Schaltungsteile geben, wenn die Leiterplatte gefaltet ist und sich Schaltungsteile im Bauraum gegenüberliegen.

Die steigende Leistungsfähigkeit von Produkten führt dazu, dass die Versorgungsspannungen immer kleiner werden. Aus den 5 V der ersten TTL-Logik sind heute Spannungswerte von 1 V die Regel. So können bei gleicher Anstiegszeit mehr Daten übertragen werden, ohne die Signalintegrität zu gefährden. Dies führt aber als Nebeneffekt dazu, dass die Toleranzen der Spannungsversorgung ebenfalls sinken und mehr Vorsicht bei der Auslegung der Stromversorgungssysteme sowie der Abblockkondensatoren getroffen werden muss.

Die Optimierung des Power Delivery Networks (PDN) soll ausreichend stabil sein, jedoch mit möglichst wenigen Kondensatoren auskommen, damit die Verlustleistung der Schaltung gering bleibt. Nur so lassen sich Energie-Standards für mobile Anwendungen einhalten und gleichzeitig die Eigenerwärmung reduzieren. Die PI-Simulation (Power Integrity) in diesem Bereich gewinnt daher verstärkt an Bedeutung.

Je höher die Stückzahl oder der Herstellungspreis der produzierten Produkte ist, desto mehr wird auch die Frage der Zuverlässigkeitsberechnung (MTBF und FMEA) auf die Bauteilauswahl und Schaltungstechnik zukommen. Und natürlich müssen dabei diverse Umweltstandards (Compliance) wie RoHS eingehalten werden. Die unterschiedlichen Entwicklungswerkzeuge müssen miteinander mehr Daten austauschen und die interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Experten in anderen Abteilungen oder anderen Firmen ermöglichen.

Es wird mehr standardisierte Schnittstellen in den Tools für den Import und Export von speziellen Daten geben, die dabei die Datenmenge möglichst klein halten und wenig eigenes Knowhow verraten. Aber es wird auch Schnittstellen zu übergeordneten PLM- und ERP-Schnittstellen geben, um die Daten zentral zu speichern und zu verteilen. Bisher existieren dazu viele proprietäre Lösungen. Der Marktdruck aber verlangt geeignete Standards; Formate wie IPC2581 werden dann von allen Software-Anbietern unterstützt.

Bei den zu entwickelnden Produkten gibt es auch Trends, die sich auf die Elektronik abbilden lassen. Geräte werden immer häufiger vernetzt: Autos untereinander, Smartphones mit Kühlschränken, Waschmaschinen und Supermarktkassen. Die drahtlosen Schnittstellen (beispielsweise Bluetooth, NFC, WiFi) sind aber hinsichtlich Datendurchsatz und Sicherheit dazu nicht ausreichend. Deshalb entstehen hierzu in nächster Zeit immer wieder neue Standards, die dann schnell in Designs zu übernehmen sind.

In der IC-Entwicklung gibt es bereits IP-Anbieter, die gewisse Schaltungsteile entworfen haben und an andere Unternehmen ihr Knowhow (Interlectual Property) lizensieren. Für Leiterplatten dürfte es ebenso in diese Richtung gehen, sodass man komplexe Schaltungsteile oder Kupferstrukturen für Antennen in ein Design importiert. Ob dieses Wissen über bewährte Schaltungsteile dann lizensiert oder von den Chip-Herstellern als Musterschaltung oder Referenz-Design kostenlos bereitgestellt wird, um die eigenen Bauteile in Stückzahlen zu verkaufen, bleibt abzuwarten.

Die Anzahl der Referenz-Designs für komplexere Aufgaben, beispielsweise spezialisierte Chips für IoT, Schnittstellen, Sensoren oder Grafikkarten, steigt bereits. Das heißt, die Schaltpläne werden in Zukunft modularer und bestehen aus eigenen Schaltungsteilen und integrierten, fremden Schaltungsblöcken. Schaltpläne zeigen sich künftig auch komplexer, da sie nicht nur eine Baugruppe beschreiben, sondern das gesamte elektrische System dokumentieren und auf verschiedene Leiterplatten partitionieren.

Früher unterschied man zwischen Analog- und Digitaltechnik in der Elektronik. Die neusten Entwicklungen heute sind bereits so schnelle digitale Schaltungen, dass die Kenntnisse aus der Nachrichtentechnik erforderlich sind, um die Effekte unter Kontrolle zu bringen. In Zukunft wird es selbst bei den analogen Sensoren so viele digitale Daten geben, dass man sowohl im analogen als auch im digitalen Bereich von Mixed-Signal-Schaltungen sprechen kann.

Nicht allein durch das im Artikel Beschriebene ist die Leiterplatten-Entflechtung zu einer hochkomplexe Disziplin im Elektronikentwurf geworden; neue Gerätefunktionen und besondere Wünsche der Konsumenten lassen die Anforderungen an einen Leiterplatten-Designer nachhaltig steigen – die Zukunft bleibt damit spannend.

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