PCB Designer Rick Hartley: Guru in den Bereichen Signalintegrität und High-Speed

June 16, 2017 Judy Warner

 

high speed pcb design guru

Hartley in den Anfangsjahren des PCB-Designs, als er Mylar-Folie manuell zusammenklebt.

 

 

Judy Warner: Rick, können Sie uns zu Beginn kurz etwas über Ihren Hintergrund und Ihre Karriere erzählen? Welche Produkte haben Sie entwickelt?

 

Rick Hartley: Ich begann mein Leben in der Elektronik im Jahr 1965 im Alter von 20 Jahren. Ich war mehrere Jahre lang Techniker in einer F&E-Abteilung und ging gleichzeitig zum Studium der Elektrotechnik auf eine Abendschule. Nach einer Weile wechselte ich als Servicetechniker in den Außendienst, arbeitete ein paar Jahre dort und kam dann in eine Konstruktionsabteilung als „Designer“. Damals entwarfen „Designer“ Leiterplatten, Gehäuse, Kabelbäume, Kabel, also einfach alles, was zum Produkt gehörte, mit Ausnahme der Schaltung selbst. Nach einigen Jahren Arbeit und ausreichend Wissen wurde ich zum Elektronikentwickler befördert und entwarf mehrere Jahre lang Schaltungen.

 

Eines Tages kam mein Chef zu mir und sagte: „Hör mal, du hast Erfahrung im PCB-Design und wir haben viel Arbeit mit Leiterplatten auf dem Tisch. Würde es dir etwas ausmachen, deine Zeit in den nächsten sechs Monaten je zur Hälfte mit Schaltungs-Design und Leiterplatten-Design zu verbringen?" „Nein, ich hätte überhaupt nichts dagegen“, erwiderte ich. Also tat ich das und erkannte nach sechs Monaten, dass meine wahre Liebe dem Design von Leiterplatten und nicht dem von Schaltungen galt.  Ich traf die bewusste Entscheidung, vom Schaltungsentwurf zurück zum Design von Leiterplatten zu gehen. Als sie das erfuhren, hielten mich viele Designer für ein wenig verrückt.

 

Rick Hartley

 

Warner: Das kann ich mir vorstellen! Es sieht wie ein kontraintuitiver Karriereschritt aus.

 

Hartley: Ja, sie sagten: „Was für ein Masochist, wer ist dieser Mensch?“ Aber mir machte die Entwicklung von Leiterplatten wirklich mehr Freude als das Schaltungsdesign. Es war eine bewusste Entscheidung. Glücklicherweise war es ein Schritt zur Seite auf gleichem Niveau, und außerdem blieb ich in derselben Gehaltsgruppe. Als ich die Firma verließ und zu anderen Firmen wechselte, hatte ich das Glück, auch weiterhin auf dem Niveau eines Elektronikentwicklers bezahlt zu werden. Für mich ist das sehr gut gelaufen.

 

Warner: An welchen Produkten haben Sie im Laufe der Jahre gearbeitet?

 

Hartley: Produkte, an denen ich im Laufe der Jahre gearbeitet habe... Die meisten meiner frühen Erfahrungen lagen in der industriellen Steuerung für Fabrikhallen mit Regelungssystemen zur Kontrolle dessen, was in ein Produkt einging. Zum Beispiel nahmen wir Messungen bei Kunststoffen während ihrer Herstellung vor. Wir kontrollierten, wie viel Kunstharz und wie viel Luft in die Mischung einging, um sicherzustellen, dass alles richtig verteilt wurde, dass es die richtige Dicke hatte und die richtige Materialmischung herauskam. So maß unser System im Wesentlichen die Kunststoffe während ihrer Herstellung und steuerte ihren Fluss. Wir machten das auch mit Papier und mit allen möglichen anderen Produkten. Ich dürfte ungefähr die ersten 17 Jahre meiner Karriere in dieser Branche gearbeitet haben. Von da aus ging ich in das Design von Computern, denn mittlerweile hatten die achtziger Jahre begonnen.

 

Warner: Ich erinnere mich gut an diese Zeit – es gab eine Explosion in der Elektronikentwicklung für Personal Computer und Peripheriegeräte.

 

Hartley: Zuerst arbeitete ich für ein Unternehmen, das robuste Computer für den Einsatz in allen möglichen Umgebungen herstellte. Wir hatten einen Computer, den man vom Dach eines dreistöckigen Gebäudes hätte fallen lassen können, und er hätte immer noch funktioniert.

 

Warner: Was waren die Einsatzorte? Baustellen und Ähnliches?

 

Hartley: Alle Arten von Standorten, wo die Dinge viel herumgeschoben wurden und man erwartete, dass sie auch unter schwerer Belastung arbeiten können. Also, Fabrikhallen, militärische Bereiche, so etwas. Von dort wechselte ich in den frühen neunziger Jahren zur Avionik, wo ich mehrere Jahre tätig war. In den späten neunziger Jahren ging ich für fünf Jahre in die Telekommunikation, bevor diese Sparte, wie Sie vielleicht wissen, im Jahr 2002 zusammenbrach.

 

Warner: Das tat sie allerdings.

 

Hartley: Ich kehrte dann im Jahr 2003 wieder in die Avionik zurück und verbrachte den Rest meiner beruflichen Karriere bis 2014 dort. Also, die meisten Produkte, an denen ich gearbeitet habe, waren industrielle Steuerungen, Computer, Avionik und Telekommunikationsanlagen. Jetzt habe ich mich teilweise zur Ruhe gesetzt, aber ich unterrichte und berate noch.

 

Hartley hält regelmäßig Vorträge auf Konferenzen in den USA.

 

Warner: Und Ihren letzten Vollzeit-Arbeitsplatz hatten Sie bei L-3 Communications, nicht wahr?

 

Hartley: Das ist richtig. Die Firma hieß „L-3 Avionics Systems“. Wir entwarfen und fertigten Avionik sowohl für zivile als auch für Militärflugzeuge. Sie floriert heute immer noch, es ist eine großartige Firma und sie ist wirklich erfolgreich.

 

Warner: Das ist immer schön zu hören in Zeiten wie diesen. Als ich Sie zum letzten Mal bei der IPC APEX im Februar sah, saß ich in einem Ihrer Kurse und Sie baten die anwesenden Elektronikentwickler, die neben ihrer eigentlichen Arbeit auch Platinen entwickelten, sich zu melden. Dann fragten Sie sie, was anspruchsvoller wäre, die Arbeit eines Elektronikingenieurs oder das Design von Leiterplatten. Warum haben Sie diese Frage gestellt und warum glauben Sie, waren die meisten von uns überrascht, dass das PCB-Layout für schwieriger befunden wurde?

 

Hartley: Zum allerersten Mal stellte ich diese Frage 2008 auf der PCB West. Ich kam in meinem Kurs mit zwei Leuten ins Gespräch, die sich schon seit ungefähr 20 Jahren sowohl mit Schaltungsdesign als auch mit dem PCB-Design beschäftigen. Ich fragte sie: „Was ist eurer Meinung nach die größere Herausforderung?“ Einer der beiden konnte sich das Lachen nicht verkneifen und meinte: „Das Design von Leiterplatten ist eindeutig schwieriger als das von Schaltungen.“ Da drehten sich alle Elektronikentwickler im Raum umgedreht und starrten ihn ungläubig an. Sie können sich die Verwunderung in den Gesichtern gar nicht vorstellen!

 

Warner: Das klingt lustig! Was ist wohl in deren Köpfen vorgegangen?

 

Hartley: Sie haben sich geärgert. Denn im Grunde stellten diese beiden Männer ihre bisherige Weltanschauung in Frage, oder sie stellten sie regelrecht auf den Kopf. Der Grund ist ganz einfach: Vor einigen Jahrzehnten ging es beim PCB-Design im Wesentlichen um das Verbinden von einzelnen Punkten. Das war mehr eine Kunst als eine Wissenschaft und technisch nicht sehr anspruchsvoll. Manche Entwickler glauben, dass das auch heutzutage noch so ist. Doch in den vergangenen 25 bis 30 Jahren ist das PCB-Design zu einer hochtechnischen Angelegenheit geworden. Wir mussten uns immer mit Problemen bei der Platzierung und dem Routing herumschlagen und gleichzeitig die Herstellbarkeit stets im Auge behalten. Wer heute in diesem Bereich arbeiten will, muss diese Dinge beachten, über Signalintegrität und Feldtheorie Bescheid wissen und außerdem verstehen, wie Schaltkreise funktionieren. Wie ich vorhin in meinem Kurs über Stromversorgung erwähnt habe, dreht sich bei der IPC APEX dieses Jahr alles um Energie. Denn man muss zuerst verstehen, wie die Energie in einem Schaltkreis fließt, um dann zu begreifen, was von hochklassigen Designs erwartet wird. Leute, die sich in beiden Fachbereichen gut auskennen, sind sich darüber einig, dass das PCB-Design die wahre Königsdisziplin ist. Deswegen habe ich die Frage gestellt und die meisten waren überrascht, weil sie diese Antwort nicht erwartet hatten. Es ist genau das Gleiche passiert wie 2008 – ich habe wieder die Antwort erhalten: „Ja klar, PCB-Design ist schwieriger.”

 

Warner: Und diese Meinung beruht auf jahrelanger Erfahrung und echtem Wissen, denn diese Leute sind schon lange in der Branche tätig, genau wie Sie. Viele von uns denken, dass Elektronikentwickler weiter oben in der Designer-Hierarchie stehen, wenn es um den Schwierigkeitsgrad der Arbeit geht.

 

Hartley: Ganz genau. Die Arbeit von Elektronikentwicklern verlangt eine umfassendere technische Ausbildung als die von Leiterplatten-Designern. Aber abgesehen davon sind die täglichen Herausforderungen im Bereich des PCB-Designs auf jeden Fall größer. Vereinzelt lerne ich Leute kennen, die in beiden Bereichen tätig sind und die Arbeit von Elektronikentwicklern schwieriger finden. Aber das ist wirklich die Ausnahme.

 

Warner: Mittlerweile ist das PCB-Design so viel komplexer geworden. Vor allem wenn es um HF-, Mikrowellen- und Millimeterwellentechnik sowie High-Speed-Digitalschaltungen geht, ist die Komplexität unglaublich.

 

Hartley: Na ja, PCB-Designer sollten schon ein gewisses Theoriewissen zu Schaltkreisen haben. Wenn sie einen Schaltplan anschauen, müssen sie wissen, was da abläuft. Sie müssen nicht alle Einzelheiten des Schaltplans kennen, aber schon verstehen, was ein Prozessor und ein FPGA machen oder was der Speicher mit dem Schaltkreis zu tun hat, wie Dinge weitergeleitet werden und wie darauf zugegriffen wird. Über alle diese Aspekte müssen sie zumindest so gut Bescheid wissen, dass sie verstehen, wie und wo die einzelnen Bauteile zu platzieren sind, damit die gerouteten Leiterbahnen auch wirklich so funktionieren, wie man sich das wünscht. Außerdem müssen sie die Feldtheorie, Aspekte der Signalintegrität wie etwa die Impedanzkontrolle sowie korrekte Abschlüsse kennen. Sie müssen Energiebussysteme einrichten können und wissen, wo man den Abblock-Kondensator einbaut – unter oder neben dem BGA? Die Antwort hängt einzig und allein davon ab, wie die Lagen in der Leiterplatte angeordnet sind. Viele Entwickler wissen das nicht, die meisten PCB-Designer hingegen schon. Heutzutage umfasst das PCB-Design sehr viele technische Aspekte.

 

Warner: Was mir aufgefallen ist, seit ich 2009 wieder in die Branche zurückgekommen bin, ist, dass viele sehr talentierte Entwickler gebeten werden, ihre eigenen Platinen zu entwerfen. Als ich mich 1998 vorübergehend aus der Branche verabschiedete, waren diese beiden Rollen meistens voneinander getrennt. Elektronikentwickler wissen einfach nicht, was sie in Bezug auf das Layout alles nicht wissen, vor allem bei hochleistungsfähigen Platinen. Und das führt leider zu einer ganzen Reihe unerwarteter Probleme.

 

Hartley: Ja, aber wissen Sie, was dann passiert? Sie machen genau die Fehler, die auch die meisten Neulinge in diesem Bereich machen. Ein klassisches Beispiel sind zu kleine Leiterbahnen, mit denen das Routing zwar einfacher von der Hand geht, die jedoch unmöglich gefertigt werden können. Sie haben bei ihrem Design weder die Montage noch den Fertigungsprozess noch die späteren Tests der Platinen im Hinterkopf. Sie beachten das Verhältnis von Kupfer in und auf der Platine nicht. Sie verwenden die falschen Dielektrika in der Platine oder platzieren Versorgungs- und Leiterbahnlagen so, dass ein unausgewogener Lagenaufbau entsteht und Felder nicht eingegrenzt werden. Sie machen also die klassischen Anfängerfehler und wollen Dinge ausprobieren, von denen erfahrene Platinen-Entwickler schon im Voraus wissen, dass sie nicht funktionieren werden. Ich habe sogar Entwickler gesehen, die eine ungerade Anzahl an Lagen verwenden möchten. Erfahrene Designer schütteln da natürlich den Kopf.

 

Warner: Es ist bedauerlich, dass die gleichen Fehler immer und immer wieder passieren. Da müssen einfach alle durch und ich fühle jedes Mal mit.

 

Hartley: Wäre es nicht schön, irgendwo einen Trainingskurs anzubieten, in dem Interessierte die Grundlagen des PCB-Designs lernen können?

 

Warner: Eigentlich sollte man meinen, dies wäre bereits ein fester Bestandteil der Ausbildung von Elektronikentwicklern.

 

Hartley: Ja, das sollte man meinen. Ein anderer Wermutstropfen ist, dass viele Elektronikentwickler den Wert der PCB West nicht erkennen.

 

Warner: Ja, absolut. Die Kurse, die hier angeboten werden, sind Gold wert. Ganz zu schweigen vom gebotenen Fachwissen. Sie sind dabei, Dr. Eric Bogatin, Gary Ferrari, Susy Webb und viele andere. Alle Branchenkenner, die zu Beginn ihrer Karriere die gleichen Fehler gemacht haben und mittlerweile zu renommierten Fachleuten geworden sind, sind vor Ort, um den Teilnehmern hilfreiche Tipps zu geben, wie sie typische Anfängerfehler vermeiden können.

 

Hartley: Der Wert und das Niveau der Kurse, die auf der PCB West angeboten werden, sind unglaublich hoch. Dort kommen die Leute zusammen, die Sie schon erwähnt haben, und noch viele andere wie Dan Beeker, Mark Finstad, Phil Zarrow, Keven Coates, Doug Brooks, Mike Creeden und Doug Smith, um nur einige zu nennen. Außerdem nehmen Fachleute von Fertigungs- und Montagebetrieben, Materiallieferanten und CAD-Unternehmen sowie viele weitere Branchenkenner teil.

 

Warner: Das führt mich gleich zu meiner nächsten Frage: Sie sind mittlerweile ein echter Guru, was Signalintegrität und High-Speed betrifft. Wie haben Sie das geschafft?

 

Hartley: Angefangen hat alles in den späten siebziger Jahren, als ich mich mit dem Layout von HF-Platinen beschäftigte. Da ich auch Elektronikentwickler war, hatte der HF-Entwickler, mit dem ich zusammenarbeitete, immer viel Vertrauen in meine Arbeit, denn er wusste, dass ich seine Ziele und Anforderungen verstand. Diese Zusammenarbeit funktionierte wirklich super. Dank ihm ist mir das Konzept hinter Wellenleitern allmählich klar geworden. Viele Menschen denken ja, dass nur HF-Schaltkreise Wellenleiter haben, weil diese Bezeichnung im Branchenjargon unter den Entwicklern so üblich ist. Aber in Wahrheit ist jede Übertragungsleitung, die mit mehr als NF arbeitet, ein Wellenleiter. Eine Signalleitung und ihre Rückleitung steuern die Felder durch das Dielektrikum  -das ist ein Wellenleiter. Sicher sind HF-Schaltungen Wellenleiter, aber die meisten anderen Schaltungen eben auch. Alles begann also in den siebziger Jahren mit diesem HF-Entwickler. Danach widmete ich mich wieder eine Weile dem Digitaldesign, ungefähr bis in die Mitte der achtziger Jahre. In den späten Achtzigern wurden die Anstiegszeiten der integrierten Schaltungen dann so kurz, dass wir in unseren Schaltkreisen mit Rauschproblemen und elektromagnetischen Störungen zu kämpfen hatten. Ehrlich gesagt verstand zunächst niemand, warum. Wir zerbrachen uns darüber wirklich den Kopf. Was wir nicht wussten: Das Problem hatte nichts mit der Taktfrequenz der Schaltung zu tun, sondern einzig mit der Anstiegszeit. Um das herauszufinden, brauchte ich mehrere Jahre, nämlich vom Ende der Achtziger bis Anfang der Neunziger. In dieser Zeit untersuchte ich Schaltkreise im Labor, maß die von ihnen ausgehenden Felder mithilfe von Nahfeldsonden und Spektrumanalysatoren und beobachtete die Signalanstiegszeiten. Schlussendlich bemerkte ich, dass es einen direkten Zusammenhang zwischen den Signalanstiegszeiten und den ausgehenden Feldern dieser Schaltkreise gibt. Als mir das bewusst wurde, ging mir ein Licht auf! 1993 besuchte ich zum ersten Mal die PCB West und nahm an einem Kurs von Lee Ritchey teil. Als ich ihn reden hörte, wusste ich sofort, dass dieser Mann ein ungemeines Wissen besitzt. Von ihm habe ich viele Dinge gelernt, an die ich selbst vorher gar nicht gedacht hatte, aber irgendwie passte alles zusammen und ergab Sinn – insbesondere in Kombination mit allem, was ich schon zuvor gelernt hatte. Also machte ich mich daran, alle diese Einzelteile zusammenzufügen und im Laufe von zwei oder drei Jahren wurde daraus ein konkreter Plan, wie man Signalintegrität in Schaltkreisen kontrollieren kann und wie Felder beschaffen sein müssen, damit sich keine Rausch- und Interferenzprobleme ergeben. Auf der Basis meiner eigenen Erfahrungen und von viel Übung konnte ich sozusagen alle Puzzleteile zusammenfügen. In dieser Zeit begann ich auch, Bücher zu kaufen. Von 1990 bis heute kaufte ich über 100 verschiedene Bücher.

 

Ich wette, Sie können keine Autoren nennen, die über Signalintegrität, High-Speed-Design, elektromagnetische Störungen oder Störungseindämmung schreiben, und deren Bücher ich nicht habe. Dr. Henry Ott, Howard Johnson, Dr. Eric Bogatin, Dr. Bruce Archambeault. Alle ihre Bücher stehen in meinen Regalen. Und die vieler anderer Autoren auch. Kimmel und Gerke, Terrell und Keenan, Ralph Morrison – ich habe sie alle. Insgesamt war es also eine Kombination aus Dingen, die ich bereits wusste, und neuen Erkenntnissen aus Büchern. Dann musste ich eigentlich nur noch eins und eins zusammenzählen.

 

Über einen Zeitraum von zehn Jahren, also zwischen '85 und '95, erweiterte und vertiefte ich mein Wissen zu diesen Themen. 1996 dann begann ich mit dem Unterrichten, denn ich dachte mir: „Ich weiß so viel über diese Themen, dass ich anderen hilfreiche Ratschläge geben und mein Wissen mit ihnen teilen kann.” Mein Ziel war es ganz einfach, anderen zu helfen.

 

Warner: Das ist toll! Und ich kenne so viele Menschen, die extrem von Ihrer Bereitschaft zum Unterrichten profitiert haben. Außerdem sind Sie ja auch der geborene Lehrer.

 

Hartley: Danke, dass Sie das sagen. Ich weiß das sehr zu schätzen.

 

Warner: Da werden mir bestimmt viele recht geben. Es ist bewundernswert, wie Sie alles auf so unkomplizierte Weise erklären, dass sogar jemand wie ich, also jemand ohne eine einschlägige fachliche Ausbildung, alles verstehen kann.

 

Hartley: Genau darum geht es mir. Viele Menschen, die an diesen Kursen teilnehmen, sind PCB-Designer ohne jegliches technisches Vorwissen. Allerdings verstehen sie, dass das PCB-Design zu einer höchst technischen Disziplin geworden ist. Sie müssen also die grundlegenden Dinge verstehen und mein Ziel ist es, ihnen das notwendige Wissen auf verständliche Art und Weise zu vermitteln.

 

Warner: Bei unserem ersten Treffen, Rick, haben wir lange darüber gesprochen, dass es gut und sinnvoll wäre, wenn mehr Designer ihre Leiterplattenlieferanten besuchen würden, um mehr über den Fertigungsprozess der Platinen zu erfahren. Könnten Sie in unserem Newsletter mehr darüber erzählen und jungen Entwicklern und PCB-Designern ein paar Tipps mit auf den Weg geben?

 

Hartley: Selbstverständlich. Sehr gerne.

 

Warner: Herzlichen Dank, Rick! Ich freue mich schon darauf, dieses Gespräch weiterzuführen und einen kleinen Teil Ihrer hart erarbeiteten Weisheit weitergeben zu dürfen.

 

Hartley: Die Freude ist ganz meinerseits. Danke, Judy.

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