Constraint Management Tipps zum Design und zur Fertigung von Leiterplatten

Autor / Redakteur: Dirk Müller * / Gerd Kucera

Jedes neue Elektronik-Design hat spezifische Anforderungen an Stromdichte, Spannungen, Impedanzen, schnelle Signale und mechanische Einbaubedingungen. Ist das Design regelkonform und produzierbar?

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Bild 1: Constraint Manager mit unterschiedlichen Kategorien für Regeln und DRC-Verletzungen (rot).
Bild 1: Constraint Manager mit unterschiedlichen Kategorien für Regeln und DRC-Verletzungen (rot).
(Bild: FlowCAD)

Nachdem das erste Konzept für die Schaltung im Stromlaufplan oder als Blockdiagramm erstellt wurde, sind zusammen mit dem PCB-Designer erste Überlegungen zur Leiterplatte zu machen. Das Erstellen des Board-Outline (der Leiterplatten-Kontur) übernimmt ein mechanisches CAD-System, dann folgen Überlegungen zum Lagenaufbau. Wie viele Lagen werden benötigt und welche technischen Anforderungen gibt es?

Mit dem Design-Werkzeug PCB Editor von OrCAD oder Allegro lassen sich Lagenaufbauten zusammenstellen und dabei entsprechende Parameter als Regel festlegen. So kann spezifiziert werden, dass auf Signalen oder differentiellen Paaren auf einigen Lagen eine Impedanz vorgegeben wird. Auch ist auf Versorgungslagen ein dickeres Kupfer für höhere Ströme wählbar.

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Nach diesen Überlegungen zum Lagenaufbau erhält der Leiterplatten-Hersteller vom Schaltungsentwickler/PCB-Designer ein IPC-2581-File und liest diese Daten in seine Software ein. IPC-2581 ist ein Standard zur CAM-Datenübertragung, das Hersteller und Zulieferer der Elektronikindustrie unterstützen.

Das herstellerunabhängige Datenformat IPC-2581 sorgt für den unternehmens- und prozessübergreifenden CAD-Flow vom Leiterplatten-Tool bis zur Fertigung mit nur einem einzigen Datenformat. Der Leiterplatten-Hersteller schlägt daraufhin einen konkreten Lagenaufbau vor, der technisch möglich und kostengerecht ist. Hierbei werden die unterschiedlichen Materialdicken und Eigenschaften des FR4 und des Kupfers als IPC-2581-Datei zurückgeschrieben.

Ist der Lagenaufbau definiert, dann kann das PCB-Layout beginnen. Nunmehr sind die Design-Regeln für die Leiterplatten-Fertigung zu beachten. Wer nach PCB Design Rules im Internet sucht wird etliche Fertigungsrichtlinien finden, die sich zum Teil widersprechen.

Der Widerspruch kommt durch unterschiedliche Maschinen und Fertigungsprozesse bei den Herstellern zustande. Daher ist es empfehlenswert, stets die Richtlinien des ausgesuchten Herstellers zu verwenden, der auch den Stackup berechnet hat.

PCB-Tools wie OrCAD und Allegro erlauben das Einlesen von Regelsätzen für bestimmte Technologien. So können Regeln, die sich in vorherigen Entwicklungen bewährt haben, als Regelsatz exportiert und in späteren Entwürfen wiederverwendet werden. Das vereinfacht nicht nur die Regelvergabe deutlich, sondern sichert auch eine Konstanz und Durchgängigkeit der Qualität bei allen erstellten Designs.

Ein Regelsatz für eine SerDes-Schnittstelle kann neben den Impedanzwerten auch Angaben über minimale und maximale Längen der einzelnen Signale einbeziehen, um die Setup- und Hold-Zeiten einzuhalten. Differentielle Paare lassen sich mit einem maximalen Phasenversatz zwischen dem positiven und negativen Signal definieren, damit die EMV-Störeinflüsse, wie in der Norm vorgeschrieben, begrenzt sind.

Es lassen sich auch die Anzahl der Durchkontaktierungen und Lagenwechsel limitieren. Dieser Regelsatz adaptiert sich dann an den vorhandenen Lagenaufbau.

Hunderte Regeln erschweren den Überblick

Für eine Leiterplatte kommen schnell viele hundert Design-Regeln zusammen. Da stellt sich die Frage, wie der Überblick über die Regeln bewahrt wird. Fast alle PCB-Tools verfügen über einen Constraint Manager zur Regeleingabe und deren Verwaltung.

Ein Constraint Manager sieht auf den ersten Blick aus wie ein einfaches Excel-Blatt, doch steckt in ihm eine Fülle von Funktionen. Er ist immer mit dem PCB-Layout und der Netzliste des Designs verbunden. Über eine hierarchische Darstellung kann jede elektrische Verbindung der Netzliste dargestellt werden. So lassen sich die Regeln schnell zuweisen.

Dadurch kann dem ganzen Design oder einem kompletten Bus ein Wert für die Leiterbahnbreite oder den Abstand zwischen zwei Signalen vorgegeben werden. Wenn es innerhalb des Busses, beispielsweise zwischen Adress- und Datenbus sowie dem Clock-Signal einen anderen Abstand geben soll, kann in der Hierarche weiter unten zuvor definierter Wert gezielt überschrieben werden. Überschriebene Werte sind farblich gekennzeichnet, damit sie in einem Design-Review nachvollziehbar bleiben.

Der zweite wesentliche Vorteil eines Constraint Managers ist die direkte Verbindung zu den Online Checks. Im PCB Editor kann ein Design Rule Check automatisch prüfen, ob alle Design-Regeln eingehalten wurden; im Falle eines Regelverstoßes wird ein DRC-Marker im PCB Editor angezeigt und im Constraint Manager der Fehler rot hervorgehoben. So können im Constraint Manager auch die Details zu dem Fehler leicht verständlich nachvollzogen werden.

Ist der maximale Wert für eine Leitungslänge definiert, wird im Feld daneben die echte Länge der Leitung im Layout angezeigt. Der Wert ist im Fehlerfall rot, jedoch grün, wenn der Wert korrekt eingehalten wird.

Die Software geht noch einen Schritt weiter und zeigt Warnungen auch für ungeroutete Leitungen an; Constraint Manager und DRC-Prüfung erkennen, wenn beispielsweise die Platzierung von Bauteilen schon zu weit auseinander liegt und beim Verlegen der Leitung der maximale Wert nicht eingehalten werden kann. Somit bekommt der PCB-Designer bereits beim Platzieren eine Fehlermeldung, wenn Abstände zwischen zwei Bauteilen zu groß sind und ihn damit vor eine unlösbare Aufgabe stellen würden.

Der Vorteil des Constraint Managers ist es, dass viele typische Regeln schon vordefiniert sind. In dem „Excel-Blatt“ sind die Felder dafür einheitlich benannt. So können Werte für Abstände zwischen Durchkontaktierungen untereinander oder zu Leitungen oder der PCB-Kontur in einem weiteren Regelsatz definiert werden. Diese vordefinierten Felder ermöglichen es Regelsätze einzusetzen, die sich flexibel an die verschiedenen Lagenaufbauten anpassen und somit ein Regelsatz auf zwei-, vier-, sechs- oder mehrlagige Leiterplatten anwendbar ist.

Eigene Formeln für Design-Regeln vermeiden

Das Ziel des Constraint Managers ist es, eigene Formeln für Design-Regeln zu vermeiden. Es ist zwar möglich sich selbst Formeln für Design-Regeln zu definieren, aber diese Vorgehensweise hat einen großen Nachteil. Selber definierte Formeln sind unübersichtlich und meist nicht selbsterklärend.

Sie prüfen zwar das Gewünschte, aber zu einem späteren Zeitpunkt oder für Dritte ist es schwer den Sinn der Formel zu erkennen. Darum wird im Constraint Manager versucht, alle Constraints, die zu den gängigen Technologien erforderlich sind, in vordefinierten Feldern abzubilden. So lassen sich alle Eigenschaften für DDR2-, DDR3- oder PCI-Express-Schnittstellen definieren.

Für Hochstromanwendungen gibt es vorgeschriebene Sicherheitsabstände, die je nach Spannungsklasse einzuhalten sind. Um in einer Stromversorgung die Spannung trotz Spannungsabfall auf der Leiterplatte sicherzustellen, werden Sense-Leitungen verlegt, die auf dem Rückweg vom Verbraucher zur Quelle eigene Abstandsregeln zum selben Netz haben.

Da der Spannungsabfall durch den Leitungswiderstand gemessen wird, darf der Wert nicht durch eine elektrische Verbindung vorher verändert werden. Auch lassen sich für höhere Ströme Via-Pattern definieren, damit zum Beispiel immer drei Durchkontaktierungen eines Typs verwendet werden müssen, um die Stromtragfähigkeit zu gewährleisten.

Methodisches Wiederverwenden von Regeln

Die Kombination aus Constraint Manager und Online Design Rule Checks ist schnell und effizient für umfangreiche Fertigungsregeln anwendbar. Zur Übersichtlichkeit können CSet-Regelsätze (Constraint Sets) definiert und in einer Bibliothek abgelegt werden. So muss man sich nur einmal beim Erstellen des Regelsatzes Gedanken machen, wie sich die unterschiedlichen Fertigungsanforderungen als Design-Regel umsetzen lassen.

Beim Anwenden des Regelsatzes werden die Regeln automatisch auf die Signal- und Versorgungslagen zugeordnet. Sollen Angebote von mehreren Leiterplatten-Fertigern eingeholt werden, dann lassen sich die Regelsätze je nach Anbieter austauschen und es wird angezeigt, ob das Design bei allen Anbietern die Fertigungsvorschriften einhält.

Der große Anspruch an ein PCB-Tool ist es, die Abstandsregeln für neue Technologien übersichtlich und für jeden verständlich zu definieren und zu verwalten. Normale Abstandsregeln werden einfach im Constraint Manager eingegeben.

Was macht man aber bei Starrflex oder Leiterplatten mit Embedded Components? Hier gibt es von verschiedenen Herstellern ganz unterschiedliche Fertigungsprozesse und entsprechend komplexe Regeln, die noch nicht standardisiert sind. Für solche Fälle ist ein flexibles System erforderlich, in dem alles gegen alles mit einer Abstandsregel belegt ist.

Eine dynamische Filterung schafft Übersicht

Zur Eingabe dieser nicht vordefinierten Abstandsregeln gibt es einen zweistufigen Flow. Über eine sehr große Matrix mit dynamischen Filtern sind die entsprechenden Objekt-Paare schnell selektierbar.

Die dynamische Filterung erzeugt beispielsweise bei „Adhesive“ in der Spalte links und „Solder“ in der Zeile oben eine viel kleinere Matrix aus allen Klebe- und Lötflächen zueinander an. Durch ein Häkchen wird im Block darunter ein individueller Regelsatz für diese Kombination erzeugt.

Die Matrix zeigt alle definierten und verwendeten Objekte im Design an, sodass es keine Einschränkungen bei dieser Methode gibt und dennoch die Regeln schnell erfasst und übersichtlich verwaltet werden können.

Mit dieser Methode lassen sich also auch Regeln für Regionen definieren, in denen sich Bereiche mit besonderen Regeln überlappen müssen. Dies ist der Fall, wenn der Bereich einer starrflexiblen Leiterplatte zu definieren ist, an dem der Übergang von starr auf flexibel stattfindet. Hier dürfen keine Durchkontaktierungen existieren und die Leiterbahnen müssen eine Mindestbreite haben.

Weitere Regeln, die sich über diese Advanced Rules ergeben, sind beispielsweise die Bereiche für den Lötstopplack auf Innenlagen, wenn Embedded Komponenten innerhalb der Leiterplatte verbaut werden müssen.

Eine organisierte Verwaltung und standardisierte Eingabe sowie Darstellung helfen dem Entwickler-Team alle Regeln so zu erfassen, dass sie selbst nach Jahren vom selben Team problemlos verstanden und nachvollzogen werden können. Aber viel wichtiger ist die eindeutige Design-Regelvergabe auch für die Mitarbeiter im CAM-Bereich der Leiterplattenfertigung.

Nur wenn die Regeln eindeutig sind, kann der CAM-Mitarbeiter diese bei der Datenaufbereitung richtig berücksichtigen, sodass die produzierten Leiterplatten der Design-Absicht des Entwicklers entsprechen.

* Dirk Müller ist Geschäftsführer der FlowCAD EDA-Software Vertriebs GmbH, Feldkirchen.

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