Das Spiel weiterentwickeln: Multi-Board- und Multilayer-Designs im Vergleich

American football player in blue and red

Ich kann mich nicht mehr besonders gut daran erinnern, in der Highschool Football gespielt zu haben. Ich weiß nicht, ob ich mich einfach nicht daran erinnern will, in endlosen strapaziösen Trainingsstunden darauf vorbereitet worden zu sein, im Spiel vermöbelt zu werden, oder tatsächlich im Spiel vermöbelt worden zu sein. Wie dem auch sei, ich bringe Highschool-Football noch heute mit viel harter Arbeit und Quälerei in Verbindung, gelegentlich unterbrochen von ruhmreichen Momenten. Aber an eine Sache erinnere ich mich noch sehr gut. Unsere Trainer haben uns stets ermutigt, „unser Spiel weiterzuentwickeln“.

Unsere Trainer wussten, dass es nicht darum ging, nur ein bestimmtes Niveau zu erreichen, sondern darum, ständig eine Stufe weiterzukommen. Deshalb haben sie uns immer wieder eingeschärft, „unser Spiel weiterzuentwickeln“, um uns auf die Zukunft vorzubereiten. Und dafür bin ich ihnen tatsächlich dankbar. Es hat mir durch meine Teenagerzeit geholfen und es nützt mir noch heute. Während meiner Karriere als Leiterplattendesigner musste ich mein „Spiel“ sehr oft weiterentwickeln. Ich habe den Übergang von der Durchstecktechnik zur Oberflächenmontage erlebt und von weitläufigen Designs zu High Density Interconnect (HDI)-Designs. Inzwischen sind wir beim nächsten Entwicklungsschritt angekommen: vom Design einzelner Multilayer-Boards zum Design von Multi-Board-Systemen.

Diejenigen unter uns, die im Designbereich tätig sind, kennen sich mit dem Design einer einzelnen Leiterplatte aus, aber mehrere Leiterplatten für ein System zu entwerfen, dürfte für viele neu sein. Zum Glück gibt es neue, moderne CAD-Werkzeuge für das PCB-Design, die uns hierbei unterstützen können. Früher ging das Design von PCBs für ein Multi-Board-System mit umständlicher Handarbeit einher, aber mit diesen neuen Tools haben wir eine Designlösung, die wirklich elegant ist und sogar Spaß macht. Lesen Sie weiter, und Sie werden sehen, was ich meine.

Picture of different sub-assemblies in a computer

 

Heutige PCB-Designs erfordern oft, dass alle System-Leiterplatten gemeinsam entworfen werden

Erinnerungen an alte Zeiten

Design auf Systemebene ist nichts Neues, aber wie wir die verschiedenen Leiterplatten entwerfen, die zusammen ein System ergeben, dagegen schon. Jahrelang musste man beim PCB-Design jede Leiterplatte einzeln entwickeln, denn es gab keine CAD-Lösung, mit der man mehrere System-Leiterplatten gemeinsam entwerfen konnte. Die mechanische Konstruktion eines Systems diktierte Größe und Form der verschiedenen Leiterplatten, aber entwickelt werden mussten diese Leiterplatten einzeln.

Im Anschluss an das Design der einzelnen PCBs wurden Prototypen von ihnen gebaut. Sobald diese Prototypen einsatzbereit waren, konnten sie zu einem Gesamtsystem zusammengebaut werden. Erst dann konnten elektrische und mechanische Tests auf Systemebene durchgeführt werden. Etwaige Probleme mussten an die Entwickler zurückverwiesen werden, die nun wieder an den Leiterplatten arbeiten mussten. Ich habe an solchen Systemen mitgearbeitet. Es hat Fälle gegeben, in denen entscheidende Änderungen an der Leiterplattenform und der Positionierung der Bauteile erforderlich waren, damit eine Leiterplatte mit dem übrigen System zusammenarbeiten konnte. Das war gelinde gesagt ein mühsamer Prozess.

Ein Schritt in die richtige Richtung

Als die 3D-fähigen Mechanik-CAD-Systeme mehr Fähigkeiten bekamen, wurden sie zu einem wichtigen Bestandteil des Entwicklungsprozesses. Sie konnten die Leiterplattenform gestalten und dabei die nötigen mechanischen Sperrflächen und Abstandszonen einhalten, und diese Daten anschließend an das CAD-System für das Leiterplattendesign übergeben. Nach dem Design der Leiterplatte konnten sie die Platzierungs- und Bibliotheksdateien für das PCB-Design auslesen und so die bestückte Leiterplatte innerhalb des Systems präzise visualisieren.

Mechanische CAD-Systeme waren ein großer Schritt nach vorn zum Design des Gesamtsystems. Designteams konnten jetzt überprüfen, ob es physische Konflikte zwischen der Leiterplatte und dem übrigen System gab, noch bevor Prototypen von den Leiterplatten gebaut wurden. Es gab aber immer noch keine Möglichkeit, die elektrischen Verbindungen zu testen. Außerdem mussten alle Änderungen und Korrekturen weiterhin an die einzelnen PCB-Designs zurückverwiesen werden.


PCB 3D CAD view of multiple boards in a design

 

Multi-Board-Design innerhalb eines 3D-CAD-Systems für PCBs

Was kommt nach Multilayer-Designs: Multi-Board-Designs auf der PCB-Design-Ebene

Heute ist das Design auf der Systemebene viel einfacher geworden, denn man kann schon beim PCB-Design Multi-Board-Lösungen entwerfen. In der Vergangenheit konnten PCB-Designsysteme nur einzelne Designs erstellen. Heute dagegen lassen sich mehrere Leiterplattendesigns in einem einzigen Multi-Board-Projekt verknüpfen. So können einzelne Leiterplattendesigns als Unterobjekte innerhalb der Haupt-Systembaugruppe behandelt werden.

Die Verbindungen zwischen den Leiterplatten werden für die elektrische Überprüfung identifiziert. Hierzu werden den Verbindungsnetzen auf dem Schaltplan Multi-Board-Eigenschaften zugewiesen. So weiß das PCB-Designsystem, wie die System-Leiterplatten verbunden werden, ganz so, als wären sie im eigentlichen System schon physisch miteinander verbunden. Dies erleichtert die elektrische Überprüfung, mit der sichergestellt wird, dass die Pinbelegung der Steckverbinder zwischen den Leiterplatten korrekt ist.

In der 3D-Umgebung der PCB-Layoutwerkzeuge können die verschiedenen System-Leiterplatten innerhalb ihres Gehäuses zusammen dargestellt werden. So können physische Konflikte und Abstände geprüft werden, und auch die richtige Positionierung von Verbindungsbauteilen wie Steckern und Buchsen lässt sich so überprüfen. Alle notwendigen Änderungen können gleich auf der 3D-Systemebene vorgenommen werden, um zu verifizieren, dass alle Steckverbinder korrekt ausgerichtet und jegliche physischen Konflikte behoben sind.

Das Multi-Board-Design ist in den heutigen CAD-Werkzeugen für das PCB-Design mehr als nur ein Schritt nach vorn, sondern es mischt die Karten völlig neu. Man spart Zeit und Geld, das bisher in Systemprototypen investiert werden musste, und erhält schon vorab die Bestätigung, dass die Leiterplatten für das System gerüstet sind.

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