So bauen Sie eine saubere, konsistente PCB-Datenbibliothek auf

May 17, 2019 Judy Warner

Judy Warner: Cherie, bevor wir anfangen, nehmen Sie sich bitte einen Moment Zeit, um für uns zu definieren, was eine „Bibliothek“ ist und was sie alles mit sich bringt.

Cherie Litson: Die meisten von uns würden eine „Bibliothek“ als eine konsistente Datei von Symbolen und eine konsistente Datei von Footprints (Bezeichner, Lötaugenmuster usw.) definieren, die mit einer Form von Datenbank verbunden ist. Sie brauchen noch nicht einmal eine Datenbank, sondern nur eine gute Datei für Schaltplansymbole, eine für Footprints und eine Methode, sie zu verknüpfen (Attribute, Paketbibliotheken usw.). Wenn Sie „Bibliothek“ nur für sich selbst so definieren, funktioniert das ganz gut.

Das ist die einfache Form. Es ist ein guter Ausgangspunkt. Es gibt da aber noch viel mehr, wenn Sie eine „Unternehmensbibliothek“ betrachten. Diese Methode eignet sich eher für das Design einer Systembibliothek. Es ist sehr wahrscheinlich, dass die PCB-Bibliothek zum Beispiel Einkauf, DFM, Fertigung, Test, Programmierung, Mechanik und andere Abteilungen oder Systeme mit einbinden muss.

Im Laufe der Jahre hatte ich viele Möglichkeiten, Bibliothekssysteme für kleine Unternehmen wie SonoSite in Bothell und DCI in Kent sowie für sehr große Unternehmen wie Microsoft in Redmond (alle im US-Staat Washington) zu erstellen. Ich habe unterschiedliche Bauteilbibliotheken erstellt, die sich an die Situation und das Unternehmen anpassen, und habe einige Dinge entdeckt, die funktionieren oder nicht funktionieren.

In beiden Szenarien besteht die schwierigste Aufgabe bei der Erstellung eines Bauteilbibliothekssystems darin, die Unterstützung bei der Erstellung des Systems zu bekommen und dann Schulungen für alle Benutzer, die sie benutzen wollen, bereitzustellen. Sonst funktioniert es nicht – egal, wie toll es auch daherkommen mag!

Warner: Wo liegen die schwierigsten Probleme für einen PCB-Entwickler bei Bauteilbibliotheken und in der Datenverwaltung?

Litson: Mit Hinsicht auf ein Bibliothekssystem wäre es das Vorhandensein eines konsistenten Plans. Welche Art von Datenbank wird man erstellen – oder gebeten, zu nutzen? 1:1 Beziehungen? 1:n Beziehungen? m:n Beziehungen?

Im Falle einer unabhängigen Bibliothek besteht die größte Hürde darin, neue Teile davon zu erstellen, die der Kunde noch nicht hat. Oder wenn sie GAR KEINE Bibliotheken haben. Dann muss ich sie erstellen, und das braucht sehr viel Zeit.

Die schlimmste Art Bauteile sind Transistorgehäuse. Die Hersteller halten sich einfach nicht an Standards bei Größe und Pin-Anordnung! So müssen Sie neue erstellen, auch wenn Sie bereits ähnliche Gehäuse haben.

Die meisten meiner Bibliotheken beruhen auf 1:n Beziehungen für passive Bauteile. Bei aktiven Bauteilen und ICs kommen wir letztendlich zu 1:1 Beziehungen.

Der zweite Knackpunkt ist die Verwaltung von Footprints. Es gibt so viele Variablen und Fragen, die Sie sich stellen müssen, wie zum Beispiel:

· Für welche Lagen werden die Bestandteile erstellt?

· Welche Kenngröße haben sie?

· Sind sie konsistent?

· Sind sie nach Datenblatt und IPC-Footprint korrekt für die KLASSE des zu entwerfenden Produkts?

· Liegt die Höhe innerhalb von 0,05 mm (2 mil)?

· Wird Siebdruck verwendet oder nicht? Wenn Sie Siebdruck verwenden, platzieren Sie ihn nicht unter dem Bauteil oder in zu lötenden Kupferbereichen.

· Brauchen Sie spezielle Bestandteile wie Lötpaste, Lötstoppmaske, Carbon, Hartgold usw.?

Es ist wichtig, niemals einen Footprint doppelt zu haben (ein Footprint, der für zwei verschiedene Gehäuse passt, aber für keines der verwendeten Bauteile geeignet ist). In einer Fertigungsumgebung wäre das sehr riskant! Eine Ausnahme kann für eine Testleiterplatte gemacht werden, bei der Löten von Hand erforderlich ist, und das Risiko für eine Projektbibliothek verringert werden kann, aber niemals für eine Systembibliothek.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass Ihre Schaltplansymbole auf folgende Art und Weise standardisiert werden:

· PIN-Nummerierung

· PIN-Signalbezeichnung/Beschriftung

· Anzahl der Pins entsprechend des Footprints – einschließlich Montage-Pins

· Symbole, die für LOGISCHE Bauteile stehen, KEINE MECHANISCHEN Darstellungen. Das gilt für Verdrahtungspläne.

· Mit den Pins am RASTER bleiben!!! Wenn Sie am Raster bleiben, wird die Konnektivität im Schaltplan sichergestellt und Änderungen werden erleichtert.

In Bezug auf die Datenmanagementsteuerung:

· Verwenden Sie NIEMALS eine Daten-Bauteilenummer mehr als einmal. Erstellen Sie einfach eine neue.

· Halten Sie die Datenbank auf dem neuesten Stand.

· Stellen Sie sicher, dass Ihr Anforderungssystem Ihre Ressourcen nicht überfordert. Lassen Sie keine Engpässe zu.

Warner: Ich bin beeindruckt davon, dass Designer den Überblick über alle diese Variablen behalten können! Welche aktuellen Bedingungen gibt es auf dem Markt heutzutage, die die Herausforderung eines guten Bibliotheks- und Datenmanagements erhöhen?

Litson: Die Finanzierung des Datenmanagements ist die größte Herausforderung. Die Unternehmen müssen die Bedeutung dieser Aufgabe verstehen.

Die Finanzierung ist besonders wichtig, wenn Sie ein kleineres Unternehmen haben. Zeit ist Geld, und Sie müssen Ihre eigene Zeit investieren, was sich beim Bauteilemanagement in barem Geld niederschlägt. Eine kleine Firma kann möglicherweise keine großen Bibliotheken erstellen. Die Verwendung von Bibliotheken „von der Stange“ ist jedoch riskant, da sie nicht sehr genau sind. Sie sind oft schwer zu ergänzen oder zu ändern.

Umgekehrt stellen große Unternehmen nicht immer ausreichend notwendige Ressourcen zur Verfügung. Einige der wichtigsten Hindernisse sind:

· IT-Unterstützung. Inklusive eines guten Programmierers, um die Bibliothek in die Unternehmenssysteme einzubinden.

· Unterstützung für das Bauteil-Engineering

· Erfahrene Mitarbeiter, die Footprints erstellen – keine Anfänger (oder zumindest genau beaufsichtigte Anfänger mit Überprüfungsprozess)

· Feedback von den produzierenden Unternehmen oder DFM

· Feedback vom Layout

· Interaktion mit dem Einkauf für Lieferzeiten und Verfügbarkeit

· Bauteilanforderungen verwalten:

· System zum Hinzufügen neuer Bauteile

· System zum Austausch alter Bauteile

Warner: Bauteilbibliotheken und Datenmanagement sind ein entscheidender Bestandteil des PCB-Designprozesses. Wenn Sie aber nur einen kleinen Design-Service oder ein kleines Team haben, ist es verlockend, das Einrichten eines zentralisierten Systems zu vermeiden und nur kleine Bibliotheken für jeden Job zu erstellen. Halten Sie das für eine gute oder schlechte Idee und warum?

Liston: Gut, das ist eine Fangfrage - ich denke, es ist sowohl eine gute als auch eine schlechte Idee! Es ist eine gute Idee, weil ein kleines Design-Servicebüro einfach nicht die Zeit zum Verwalten einer Datenbankbibliothek hat. Außerdem haben die Unternehmen nicht dieselben Standard-Lagenaufbauten. Daher sind Bauteile, die Sie für ein Unternehmen erstellen, in einem anderen Unternehmen dann unterschiedlich.

Seien wir doch einmal ehrlich, kein Kunde möchte das Servicebüro dafür bezahlen, dass es eine Bibliothek für eine Leiterplatte erstellt, von der nur 50 bis 200 pro Jahr gefertigt werden, und wenn er außerdem auch noch nur wenige unterschiedliche Leiterplatten im Jahr produziert. Manchmal hat das Unternehmen bereits eine Bibliothek eingerichtet. Die Firma braucht lediglich eine einfache Möglichkeit, eine „Projektbibliothek“ zur Verwendung für das Servicebüro zu erstellen, und damit das Servicebüro neue Teile zur Überprüfung einzureichen kann, um sie der Datenbank hinzuzufügen.

Es ist aber auch eine schlechte Idee, da eine gewisse Konsistenz hilft, sobald weitere Mitarbeiter involviert sind. Man sollte zumindest einige Standardmethoden zum Erstellen der Symbole und Bauteile haben und diese Standards dokumentieren. Man sollte auch über ein Prüfsystem verfügen, um sicherzustellen, dass die Konsistenz gewährleistet ist. Diese Vorgehensweise ist hilfreich, wenn ein Unternehmen keine Bibliotheken oder Standards hat und man so Zeit beim Verwenden der eigenen Bibliotheken sparen kann.

Warner: Cherie, Sie haben seit vielen Jahren Leiterplatten entwickelt und unterrichten andere in Schulungen zu EPTAC IPC CID. Was funktioniert für Sie persönlich als Eigner eines Design-Services und einer Beratung am besten und was empfehlen Sie Ihren Studenten?

Litson: Zuerst finde ich heraus, was das Unternehmen braucht, was es bereits hat und arbeite unter Einhaltung seiner Parameter.

Meistens erstelle ich eine „Projektbibliothek“, die beim Design bleibt. Sie beginnt mit Bauteilen, die aus deren Datenbank eingefügt werden und schließt dann noch alle diejenigen ein, die ich selbst erstellen muss. Ich halte das für den sichersten Weg, da Unternehmensdatenbanken manchmal versehentlich oder aufgrund einer Managemententscheidung, die unwissentlich Bauteilattribute oder Software ändert, geändert werden.

Warner: Welche Dinge helfen Ihnen dabei, Bibliotheken „sauber“ zu halten, sprich nur mit Bauteilen, die nicht veraltet sind oder nur noch auf Zuteilung zu bekommen sind?

Litson: Seien wir erst einmal realistisch. ALLE Bauteile sind irgendwann einmal veraltet. Unternehmen schließen und dann können Sie dieses bestimmte Bauteil auch nicht mehr bekommen. Es müssen gute Alternativen in der Datenbank vorhanden sein. Diese Alternativen MÜSSEN mit den drei Fs - Form (Art), Fit (Passform) und Funktion übereinstimmen. Es gibt viele Methoden, veraltete Bauteile ausfindig zu machen. Wählen Sie eine davon aus und arbeiten Sie damit. Lange Lieferzeiten sollten durch Bauteilanfragen verifiziert werden. Wenn es das einzige Bauteil ist, das in einer Situation funktioniert, muss dafür eine Begründung vorgelegt werden. Hier können Bauteilentwickler (Component Engineers) helfen. Sie müssen Eingaben in das System liefern können.

Wenn ich persönlich ein Projekt bekomme, in dem nicht länger existierende Bauteile enthalten sind, bringe ich es zum Entwickler zurück. Es liegt dann in deren Verantwortung, ein anderes Bauteil zu finden. Auf Wunsch kann ich auch recherchieren und Vorschläge machen. Aber das liegt daran, dass ich ebenfalls Entwickler bin. Letztendlich ist der Kunde für das Design des Produkts verantwortlich.

Warner: Welche Risiken birgt die Verwendung generischer Bauteile, die keine Hersteller-Teilenummer (HTN) haben?

Litson: Das größte Risiko besteht darin, dass das Bauteil nicht passt. Es hängt jedoch davon ab, was Sie unter einem „generischen Bauteil“ verstehen. Eine m:n-Datenbank enthält generische Symbole und generische Footprints. Es ist dann die Aufgabe der Datenbank, diese auch korrekt miteinander zu verbinden. Man muss z. B. für unterschiedliche Widerstandswerte nicht mehrere „Widerstandssymbole“ erstellen. Das ist der Sinn einer Datenbank. Ein Symbol und die Datenbank liefert die HTN, Lieferanten-Teilenummer, Beschreibung, Wert, Notizen, Footprint usw.

Eine gute Faustregel ist immer, Alternativen mit der entsprechenden Passform, Form und Funktion zur Verfügung zu haben. Eine 1:1-Bibliothek enthält keine generischen Symbole und Footprints. Ich habe meine eigenen Symbol- und Footprint-Bibliotheken mit generischen Zeichnungen von passiven Bauteilen, sodass ich sie nicht immer wieder neu zeichnen muss. Ich mag die meisten passiven, von den Software-Unternehmen gelieferten Symbole NICHT, weil sie oft nicht korrekt erstellt wurden. Ich habe als Zeichner angefangen und weiß, wie die Symbole aussehen sollten. (Ich gehe das beim CID noch einmal durch.) Außerdem habe ich einige Symbolbibliotheken gefunden, in denen Pin-Nummern in umgekehrter Reihenfolge für auf gleiche Art gepolte Bauteile (Dioden, Kondensatoren und Transistoren) zugewiesen wurden.

Eines der Probleme in der Branche ist, dass Erstausrüster 1:1-Datenbanken entwickeln, Unternehmen aber eine n:m-Datenbank bevorzugen. Es ist sehr schwierig, zwischen ihnen zu konvertieren. Ein weiteres Problem sind Hersteller, die ihre eigene Version eines Bauteils erstellen. Diese Praxis wirkt sich nachteilig auf die Bauteilhersteller aus. Sie schränkt die FF&F-Kapazität einsetzbarer Bauteile ein. Das war schon immer bei Transistoren so. In letzter Zeit sind auch Steckverbinder dafür berüchtigt – hauptsächlich aufgrund der Konkurrenz in der Handybranche. Ich bezeichne das manchmal als „wie man sich ins eigene Bein schießt“ (nicht ganz ins Knie).

Warner: Es sieht so aus, als ob die Grenzen zwischen ECAD und MCAD immer mehr verschwimmen. Welche Werkzeuge oder Vorgehensweisen helfen Ihnen, mit den Verantwortlichen für die Mechanik bei Ihren Designs am effizientesten zusammenzuarbeiten?

Litson: Einfache Kommunikation der Erwartungen!!!! WIRKLICH! Es kann nicht die Aufgabe des Werkzeugs sein, das zu tun. Es ist die Aufgabe des Unternehmens, die Elektronik-, Mechanik- und Designentwickler zusammenzubringen und Erwartungen zu artikulieren. Dann können die Werkzeuge so eingerichtet werden, dass sie die Zusammenarbeit unterstützen. Später muss die Firma Überlegungen für die Fertigung, Testentwickler, PCB-Entwickler, den Einkauf, die DFM, Projektmanager und den Rest einbringen. Es ist schon möglich, ein Produkt zu entwerfen, das dann gar nicht gebaut werden kann. Wir nennen das einen „Escher“, nach dem gleichnamigen Künstler.

Ich bitte immer um Informationen zur Mechanik. Wenn ich mich mit dem Mechanikentwickler auch treffen kann, dann ist das umso besser. Meine Absicht ist es, ihnen ihre Arbeit zu erleichtern. Hier sind einige grundlegende Dinge, über die sich Elektronik-, Mechanik- und Designentwickler verständigen sollten:

Erstens: Behalten Sie die Kontrolle über die Anzahl der zu verwendenden Zeichen beim Festlegen von Platzierung, Höhen, Radien, Toleranzen usw.

· Bleiben Sie bei imperialen Maßeinheiten mit maximal drei Dezimalstellen und mit zwei bei metrischen.

· PCB-Toleranzen hängen davon ab, wo die PCBs gefertigt werden. Es gibt kontrollierte Umgebungen, aber die meisten PCBs werden in minimal kontrollierten Fabriken in vielen manuellen Schritten hergestellt – und in der Regel nicht im Reinraum.

· WÄHLEN SIE EIN RASTER AUS! Und bleiben Sie dabei, so oft es geht. Mir gefällt eins mit 0,05 mm/2 mil. Es hat die geringste Anzahl an Variablen beim Konvertieren und sorgt dafür, dass alle beim Erstellen von Bauteilen und beim Routing vernünftig bleiben. Das wäre so ungefähr die Grenze der allgemeinen Toleranz bei der Fertigung.

Zweitens: Legen Sie einen üblichen Ursprung fest und verschieben Sie ihn später nicht immer wieder.

· Richten Sie die Bezugspunkte vom Ursprung aus so ein, dass mechanische Bauteile einfach ausgerichtet werden können. LEGEN Sie diese Standorte so genau wie möglich mit einer ganzen Zahl FEST, um die Überprüfung für alle einfacher zu machen.

Drittens: Richten Sie das Austauschprotokoll für alle nutzbar ein.

· Innerhalb eines Unternehmens ist das Einrichten eines gemeinsamen Bereichs auf einem Server eine gute Methode.

· Legen Sie außerdem alle Softwarefunktionen fest und welche Austauschparameter für alle am besten funktionieren.

· Als unabhängiger Auftragnehmer muss ich eine Datei mit dem Layout an die Mechanik schicken, damit es dort überprüft werden kann, und sie müssen mir eine Datei zurücksenden. Gängige Internetadressen sind nicht immer sicher und das VPN ist langsam.

Viertens: Wie viel 3D wird benötigt?

· Sind einfache Formen akzeptabel oder werden für jedes Bauteil 3D-Modelle benötigt?

· Wenn kein 3D-Modell vorhanden ist, wer ist dann für seine Erstellung verantwortlich?

· 3D-Bauteilmodelle MÜSSEN in den PCB-Footprint passen. Ansonsten sind sie nicht miteinander verbunden, müssen es aber sein.

Häufig muss ein mechanisches Bauteil zum Schaltplan hinzugefügt werden und einen eigenen nichtelektrischen Footprint bekommen. Das ist bei vielen nichtelektrischen Bestandteilen üblich, die ebenfalls zur PCB hinzugefügt werden. Befindet sich das Bauteil nicht im Schaltplan, kann es versehentlich bei einer Aktualisierung der Netzliste entfernt werden.

Stellen Sie dabei sicher, dass diese Bauteile nicht in zwei Stücklisten – Mechanik & Elektronik – auftauchen.

Fünftens: Legen Sie fest, wer was und wann tut.

· Die Dokumentation muss von denjenigen erstellt werden, die wissen, was gebraucht wird.

· Diejenigen, welche die Dokumentation für Fertigung und Montage erstellen, müssen wissen, was dort gebraucht wird. Siehe auch meinen letzten Blog zum Thema „Dokumentation für die Ausgabe – Wer braucht was?“

· Einige Unternehmen lassen die Dokumentation von der Mechanikabteilung erstellen, andere durch die Designentwickler. Beide Gruppen müssen die Elektrophysik, Fertigungsprozesse und IPC-Spezifikationen für jede dieser Fertigungsstätten verstehen. Sie erhalten nicht denselben Satz von Dateien.

· Die Bauteilverwaltung kann je nach Bauteil zwischen Mechanik und Elektronik aufgeteilt werden. Sie sollten eine Genehmigungsmethode haben, die beide Abteilungen einschließt und benachbarte Abteilungen in Kenntnis setzt.

Warner: Vielen Dank für dieses tiefe Eintauchen in die komplexen Dinge, die Sie in Bezug auf Bibliotheken und Datenverwaltung tun, Cherie. Wir wissen es zu schätzen, dass Sie Ihre Erkenntnisse mit uns teilen.

Litson: Gern geschehen, Judy. Ich freue mich sehr, dass Sie und Altium Entwicklern wie mir helfen, mit anderen zu teilen, was wir im Laufe der Jahre gelernt haben.

About the Author

Judy Warner


Judy Warner has held a unique variety of roles in the electronics industry since 1984. She has a deep background in PCB Manufacturing, RF and Microwave PCBs and Contract Manufacturing with a focus on Mil/Aero applications in technical sales and marketing.

She has been a writer, contributor and journalist for several industry publications such as Microwave Journal, The PCB Magazine, The PCB Design Magazine, PDCF&A and IEEE Microwave Magazine and is an active member of multiple IPC Designers Council chapters.

In March 2017, Warner became the Director of Community Engagement for Altium and immediately launched Altium’s OnTrack Newsletter.
She led the launch of AltiumLive: Annual PCB Design Summit, a new and annual Altium User Conference.

Judy's passion is to provide resources, support and to advocate for PCB Designers around the world.

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