Die Zukunft des PCB-Designs

CAD CAM

Design – Gedruckte Schaltungen, Printed Circuit Boards (PCB), sind ein wichtiger Eckpfeiler der Elektronik-Entwicklung. Doch dieser Bereich ist ständigen Veränderungen ausgesetzt, um künftige Anforderungen zu erfüllen.

09. Mai 2017

Mark Twain sagte einst: »Prognosen sind eine schwierige Sache. Vor allem, wenn sie die Zukunft betreffen.« Dennoch gibt es Dinge, die Trend sind und es auch bleiben werden – getreu dem Gesetz von Gordon Moore, nachdem sich die Anzahl der Transistoren in Schaltungen alle 18 Monate verdoppeln wird. Konkret bedeutet das, dass sich die Komplexität von Elektronik alle ein bis zwei Jahre verdoppelt. Früher bezog sich das nur auf die Anzahl der Transistoren in einem Chip. In Zukunft sollte der Begriff auf das ganze System angewendet werden.

Eine Verfeinerung der Strukturen wird aus heutiger Sicht bei drei Nanometern an technologische Grenzen stoßen. Aber die treibende Kraft in der Elektronik ist die Miniaturisierung von Baugruppen, die einhergeht mit dem Druck, Kosten zu reduzieren und die Leistungsdichte zu verbessern. Für die Leiterplattenentwicklung sind die gleichen Trends zu sehen. Die herkömmliche Multilayer-Leiterplatte wurde durch präzisere Fertigungstechniken mit HDI-Technologie optimiert.

Leiterplatten in 3D

Bei einer kleiner werdenden Board-Kontur bleibt als nächster Schritt nur die dritte Dimension. So werden Bauteile als Embedded Components in der Leiterplatte platziert und Bereiche der Leiterplatte übereinander positioniert.

Das führt in den Tools zu mehr Funktionalität für 3D-Anwendungen, da im gefalteten Montagezustand keine Kollisionen oder andere Störungen auftreten dürfen. Es steigen 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 Designregeln im Tool für eine gedruckte Schaltung (PCB). Eine übersichtliche und standardisierte Regelzuordnung und ein Review von Regeln in einem Constraint Manager sind sehr wichtig.

Die Zusammenarbeit von Elektronikentwicklern mit anderen Disziplinen der Produktentwicklung steigt mit zunehmender Miniaturisierung. Es gilt, die gefalteten Leiterplatten mit kleiner werdenden Toleranzen im mechanischen Gehäuse zu platzieren. Die bisher üblichen Schnittstellen haben zu viele Limitierungen, und neu entwickelte Formate reichen noch nicht aus. Sie müssen erst noch 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 in 3D in der späteren gefalteten Ansicht dargestellt wird.

Simulation erforderlich

Auch andere Disziplinen im Umfeld der Entwicklung müssen kontaktiert und in den Entwicklungsprozess der Elektronik einbezogen werden. Dazu gehören Simulationen von thermischen und EMV-Effekten.

Hier muss nicht nur die Ein- und Abstrahlung von außen berechnet werden, sondern es kann auch Wärme- beziehungsweise 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 Werte von nur einem Volt annehmen. So können bei gleicher Anstiegszeit mehr Daten übertragen werden, ohne die Signalintegrität zu gefährden. Als Nebeneffekt müssen aber die Toleranzen der Spannungsversorgung ebenfalls reduziert und mehr Vorsicht bei der Auslegung der Stromversorgung sowie der Abblockkondensatoren getroffen werden.

Das System muss mit möglichst wenigen Kondensatoren auskommen, damit die Verlustleistung der Schaltung so gering wie möglich bleibt. Nur so lassen sich Energie-Standards für mobile Anwendungen einhalten und gleichzeitig die Eigenerwärmung reduzieren.

Schnittstellen für Austausch

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 Know-how verraten.

Aber es wird auch Schnittstellen zu übergeordneten PLM- und ERP-Schnittstellen geben, wo die Daten zentral gespeichert und verteilt werden. Bisher gibt es hier viele proprietäre Lösungen. Der Marktdruck wird aber Standards erfordern.

Bei den zu entwickelnden Produkten gibt es auch Trends, die sich auf die Elektronik abbilden lassen. Geräte werden immer vernetzter: Waschmaschinen, Autos untereinander, Smartphones mit Kühlschränken. Drahtlose Schnittstellen werden nicht ausreichen in Bezug auf Datendurchsatz und Sicherheit. Hier werden sich in nächster Zeit immer wieder neue Standards entwickeln, die dann schnell in Designs übernommen werden müssen.

In Design importieren

Es gibt bereits Anbieter, die Schaltungsteile entwickelt haben und ihr Know-how an andere Unternehmen lizensieren. Im PCB-Bereich werden wahrscheinlich auch bald komplexe Schaltungsteile oder Kupferstrukturen für Antennen in ein Design importiert. Es bleibt abzuwarten, ob dieses Wissen über bewährte Schaltungsteile lizensiert wird oder als Musterschaltung oder Referenzdesign kostenlos bereitgestellt wird, um die eigenen Bauteile zu verkaufen.

Die Anzahl der Referenzdesigns für komplexere Aufgaben, wie spezialisierte Chips für IoT, Schnittstellen, Sensoren oder Grafikkarten, steigt bereits. Das heißt, die Schaltpläne werden in Zukunft modularer und bestehen aus eigenen Schaltungsteilen und fremden Schaltungsblöcken, die integriert werden. Schaltpläne werden komplexer, da nicht nur eine Baugruppe beschrieben wird, sondern das gesamte elektrische System.

Früher unterschied man zwischen Analog- und Digitaltechnik in der Elektronik. Neue Entwicklungen ermöglichen heute bereits digitale Schaltungen, die Kenntnisse aus der Nachrichtentechnik erfordern, 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. mk

Erschienen in Ausgabe: 04/2017