Die individuelle Gestaltung von PCB-Designs mit konsistenten Regeln und Abfragen

October 19, 2019 Altium Designer

Customize designs with global PCB rules and queries

In der Anfangsphase eines PCB-Designprojekts betrachte ich in den meisten Fällen nicht nur die Anforderungen an die elektrischen Schaltkreise, sondern befasse mich außerdem mit Fragen der Dimensionierung und Positionierung. Anhand der verfügbaren Informationen über die Abmessungen der größeren Bauteile spiele ich verschiedene Möglichkeiten durch, diese Komponenten auf der Leiterplatte und im dreidimensionalen Raum des Gehäuses zu platzieren. Dabei notiere ich unter anderem die Toleranzen, die jeweils zur Realisierung der gewünschten elektrischen Funktionen bei Einhaltung der Platzvorgaben beachtet werden müssen.

Im weiteren Verlauf des Designprojekts müssen diese Toleranzen dann genau kontrolliert und verwaltet werden. Allerdings wird dies möglicherweise erschwert, wenn das für die Erstellung des Schaltplans verwendete Tool nicht ausreichend mit dem Tool zur Erstellung des PCB-Layouts verzahnt ist, sodass jeder Schritt gewissermaßen bei Null beginnt und Designvorgaben jeweils über die nativen Funktionen festgelegt werden müssen. Unter diesen Bedingungen kann es vorkommen, dass beim Wechsel zwischen Schaltplan und Layout Ideen auf der Strecke bleiben.

Das bedeutet: Die verfügbaren Tools erleichtern Innovationsprozesse nur dann, wenn sie die Entwicklung kreativer Lösungen zur Erfüllung der gestellten Anforderungen unterstützen. Andernfalls haben die Designer und ihre Unternehmen das Nachsehen. 

Fehlermeldungen beim Design Rule Check infolge unberücksichtigter benutzerdefinierter Regeln

Ich bin froh, dass moderne CAD-Systeme alle gewünschten Funktionen zur Erstellung von Schaltplänen und PCB-Layouts in intuitiven Pull-down-Menüs bereitstellen. Indessen musste ich auch schon die Erfahrung machen, dass das Zusammenspiel zwischen den verschiedenen Tools nicht immer reibungslos funktioniert. In einem Fall stellte sich zu meiner großen Enttäuschung heraus, dass die von mir im Rahmen der Schaltplanerstellung für bestimmte Stromkreise festgelegten Regeln nicht in das Layout übernommen worden waren. Sämtliche Umgebungsparameter, die ich in meinem Schaltplaneditor definiert hatte, waren beim Export des Designs in die Layout-Umgebung verlorengegangen. Erschwerend kam hinzu, dass mir dies erst bewusst wurde, als ich die Platzierung der Bauteile auf der Leiterplatte und das Routing der Leiterbahnen bereits abgeschlossen hatte.

Genauer gesagt wurde ich auf das Problem erst im Rahmen des Design Rule Checks (DRC) aufmerksam, bei dem eine Flut von Fehlermeldungen ausgegeben wurde. Die große Zahl der gemeldeten Fehler beunruhigte mich zutiefst und es dauerte einen Moment, bis ich begriff, dass das DRC-Tool die von mir erstellten Toleranzregeln nicht berücksichtigte. Daher war ich gezwungen, neue Regeln mit entsprechenden Abfragen zu erstellen, was mich jedoch zusätzliche Zeit kostete und mich von meinen eigentlichen Aufgaben abhielt. Zumal ich zunächst eine kryptische Programmiersprache erlernen musste, bevor ich die für die Implementierung meiner Regeln nötigen Abfragen erstellen konnte.

Mir wurde klar, dass die Einarbeitung in die Abfragesprache der Layout-Software meiner Designumgebung einen beträchtlichen Aufwand erfordern würde und dass ich dafür Zeit aufwenden musste, die ich dann nicht auf das eigentliche Projekt verwenden konnte.

Construction worker figurines on a printed circuit assembly

Mit benutzerdefinierten Regeln lassen sich Fehler im PCB-Design erkennen und beheben.

DRC-Fehlermeldungen durch unzureichende Kommunikation zwischen Programmen

Wie Sie sich sicher denken können, war ich keineswegs begeistert davon, dass ich während eines laufenden Projekts viel Zeit und Mühe in die Einarbeitung in die Abfragesprache meines Layoutprogramms investieren musste. Darüber hinaus erschien mir die Tatsache, dass in meinem CAD-System Befehle nicht von einem Tool zum anderen portiert wurden, in zweierlei Hinsicht besorgniserregend.

Zum einen war bedenklich, dass sich dieses Defizit erst nach Fertigstellung des Layouts zeigte. Ich hatte während der Schaltplanerstellung viel Zeit auf die Festlegung der Rahmenparameter und Toleranzen verwendet und musste dann am Ende feststellen, dass all diese Regeln beim Übergang vom Schaltplan zum Layout verlorengegangen waren.

Zum anderen wurde ich nun von der Sorge geplagt, dass sich in der Flut der falschen Fehlermeldungen womöglich ein echter Designfehler verbergen könnte. Wenn das Layoutprogramm eine große Zahl von Verstößen meldet, die dann einzeln überprüft werden müssen und sich zumeist als haltlos herausstellen, werden echte Regelverletzungen nur allzu leicht übersehen. Dadurch steigt das Risiko, dass ein fehlerhaftes Design in die Fertigung geht und die produzierten PCBs am Ende nicht wie gewünscht funktionieren.

Angesichts dieser schwerwiegenden, aus der mangelnden Integration meiner Tools resultierenden Probleme ist es nicht überraschend, dass ich das Vertrauen in mein damaliges CAD-System verlor. Wie hätte ich mich auch weiterhin auf eine Lösung verlassen sollen, die offensichtlich nicht für die nahtlose Umsetzung eines Schaltplans in ein PCB-Layout entwickelt worden war? Mangels einer besseren Lösung sah mich gezwungen, die bei der Schaltplanerstellung definierten Regeln nochmals zu implementieren, was unter anderem bedeutete, dass ich mithilfe der Abfragefunktionen alle jeweils relevanten Elemente in meinem Design auszuwählen musste. Wie bereits erwähnt, erwies sich dies als aufwendig, da ich dafür zunächst die Abfragesyntax erlernen musste und nicht einfach Schlüsselbegriffe in eine Suchleiste eingeben konnte. Es wurde also eine sehr lange Woche.

 Picture of a printed circuit assembly with closely-packed components

Benutzerdefinierte Toleranzregeln erleichtern die Platzierung der Komponenten bei hoher Bauteildichte. 

Abfragen mit integrierten Tools in einer einheitlichen Designumgebung

Die hier beschriebenen Schwierigkeiten weckten in mir den Wunsch nach einer einheitlichen Designlösung, in der die Regeln aus dem Schaltplan nahtlos in die Software zur Erstellung des Layouts übergeben werden. Ich stellte mir eine Umgebung vor, in der sich PCB-spezifische Beschränkungen und Regeln im Rahmen eines gut strukturierten Prozesses definieren lassen.

In dieser idealen Umgebung sollten Beschränkungen und Regeln auf einfache Weise für sämtliche Aspekte eines PCB-Designs festgelegt werden können. Wenn die hierfür nötigen Befehle intuitiv verständlich wären und über Pull-down-Menüs aufgerufen werden könnten, würde dies die Kontrolle des gesamten Designprozesses erleichtern – von der Schaltplanerstellung über die Gestaltung des Layouts bis hin zur Erzeugung der Output-Dateien.

Außerdem wäre es wünschenswert, diese Befehle für die einfache Durchführung von Abfragen verwenden und die jeweils relevanten Funktionen schnell mithilfe einer schlagwortbasierten Suchfunktion identifizieren zu können. Wenn der Nutzer in normaler Sprache nach einem Abfragebefehl suchen kann, erleichtert dies die Nutzung des Tools und verkürzt die Einarbeitungszeit.

Und natürlich sollten die Abfragefunktionen nicht nur für vordefinierte, sondern auch für vom Benutzer erstellte Regeln zur Verfügung stehen. Damit lassen sich falsche Fehlermeldungen bei der Prüfung von benutzerdefinierten Regeln verhindern, sodass im Rahmen des Design Rule Checks nur wirkliche Regelverletzungen gemeldet werden und der Designer mehr Vertrauen in das eigene Layout haben kann, wenn dieses in die Produktion geht.

In Anbetracht dieser langen Wunschliste ist es ein nicht zu unterschätzender Vorteil, dass Altium Designer® über einen PCB Editor verfügt, der Designregeln für sämtliche Aspekte des Layouts unterstützt und die entsprechenden Funktionen in einer intuitiven hierarchischen Ordnung bereitstellt. Damit lassen sich unter anderem Regeln in Bezug auf elektrische Eigenschaften, Routing, SMT-Bauteile, Lötstoppmasken, Ebenen, Testpunkte, Fertigungsverfahren, Hochgeschwindigkeitsanwendungen und die Signalintegrität festlegen. Und falls Sie einer dieser Kategorien eigene Regeln hinzufügen möchten, lässt sich dies in der Editor-Umgebung auf einfache Weise bewerkstelligen.

Darüber hinaus bietet Ihnen Altium 18 mit dem Query Helper und dem Query Builder zwei leistungsstarke, auf Schlüsselbegriffen basierende Tools zur Erstellung von Abfragen, die sich intuitiv bedienen lassen und daher nur wenig Einarbeitung erfordern. Hier können alle gewünschten Befehle über einfache Pull-down-Menüs aufgerufen werden.

Wenn Sie mehr über Designregeln oder die Abfragefunktionen erfahren möchten, sollten Sie noch heute mit einem Experten von Altium sprechen.

Über den Autor

Altium Designer

PCB Design Tools for Electronics Design and DFM. Information for EDA Leaders.

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