Software

Verbindungen knüpfen zwischen Elektronikdesign und Fertigung

Rob Evans, Altium Ltd.

ECAD- und MCAD-Objekte müssen zusammenpassen; die Übernahme der 3D-Daten muss daher zuverlässig ablaufen.
Die mechanischen Aspekte eines Produktdesigns haben einen tief greifenden Einfluss auf das Elektronikdesign, entscheiden sie doch über Form und Größe der Leiterplatte oder über die Platzierung der Bauelemente – oft auch darüber, welche Arten von Bauelementen benutzt werden und wie sich die Software zu verhalten hat. Komplex geformte Leiterplatten und flexible Platinen sind physische Belege für die enge Verflechtung zwischen der mechanischen Gehäusekonstruktion und der darin eingebauten Leiterplatten-Baugruppe. Dieser Trend verleiht der Interaktion zwischen den Designbereichen eine nie da gewesene Bedeutung.

Zunächst ist festzustellen, dass die Realisierung erfolgreicher Produkte eine enge Interaktion zwischen sämtlichen Sparten eines Designs – Elektrik, Mechanik und Software – voraussetzt. Dies wiederum bedeutet eine umfassendere und tiefer gehende Vereinheitlichung des gesamten Produktdesign-Prozesses einschließlich des Leiterplattendesigns, denn nur so lassen sich die Anforderungen an das Design der kommenden Generation elektronischer Produkte erfüllen.

Welche Konsequenzen hat dies nun für das Design der Leiterplatten heutiger Produkte? Als erstes steht fest, dass das Leiterplattendesign nicht mehr losgelöst vom Soft-Design (Software und Embedded-Hardware) und den mechanischen Konstruktionsaufgaben betrachtet werden kann. Das fortschreitende Zusammenwachsen der verschiedenen Design-Disziplinen hat eine gegenseitige Abhängigkeit der Prozesse zur Folge, die zumindest einen gegenseitigen Austausch von Designdaten erforderlich macht.

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Für das praktische Leiterplattendesign bedeutet dies, dass Designinformationen der Embedded-Hardware in Form von FPGA-Pin-Daten und den zugehörigen elektrischen Restriktionen in das Layout einbezogen werden müssen, da diese grundlegende Auswirkungen auf den Routing-Prozess haben. Änderungen am FPGA-Design haben gravierende Routing-Probleme zur Folge und machen einen weiteren Austausch von Designdaten zwischen dem FPGA und Leiterplattenbereich erforderlich, was einen potenziell umständlichen und fehlerträchtigen Designablauf zur Folge hat.
Auf ähnliche Weise entscheiden die mechanischen Bestandteile eines Designs – im einfachsten Fall das Gehäuse – über die Abmessungen der Leiterplatte und machen einen geänderten Datenfluss zwischen den Bereichen erforderlich. Modifikationen am mechanischen Design stoßen Iterationen des Leiterplattendesigns an, was wiederum Verzögerungen und vermehrte Komplexität für den Produktentwicklungs-Ablauf nach sich zieht.

Informationsflüsse

Solange die beteiligten Designsysteme auf traditionelle Weise als separate Prozess-Inseln angelegt sind, wird der effektive Austausch von Designinformationen zu einem echten Problem. Nur wenn die nötigen Dateiaustausch-Systeme für ein erfolgreiches Übersetzen und Weitergeben der Daten existieren (was keinesfalls sicher ist), lassen sich die Designinformationen über die Grenze hinweg an die nächste Design-Disziplin mit dem entsprechenden Prozess weiterreichen. Ein konventionelles Produktdesign-System, das aus einer unzusammenhängenden Gruppe von Designtool-Inseln besteht, hat ohnehin schon mit den Effizienzmängeln eines sequenziellen Arbeitsablaufs zu kämpfen. Zusätzliche Datenaustausch-Ebenen – beispielsweise zwischen MCAD und ECAD – verschärfen diese Probleme nur noch mehr.
Die Bemühungen, das mechanische (MCAD) und das elektrische Design (ECAD) zusammenzubringen, wurden von jeher durch das völlig unterschiedliche Wesen beider Designdisziplinen behindert. Während Embedded-Entwicklung und Leiterplattendesign wenigstens eine gemeinsame elektronische Basis besitzen, ist das mechanische Design traditionell in einer vollkommen anderen Sphäre angesiedelt als das Elektronikdesign. Die grundlegenden Unterschiede zwischen mechanischen und elektrischen Designtools spiegeln diese Kluft wider, die in der Vergangenheit die gemeinsame Basis für Formate zum Austausch von Designdaten negativ beeinflusst hat.

In der Praxis wurde der Forderung nach einem Transfer von Designdaten zwischen ECAD und MCAD auf einer sehr einfachen Ebene durch den Einsatz einheitlicher Dateiformate Rechnung getragen, mit denen sich elementare Maßangaben zwischen den Design-Applikationen der verschiedenen Bereiche transferieren lassen. Spezielle CAD-Umsetzungsprogram- me liefern generell ein besseres Ergebnis. Dank strikter definierter Formate und Datenfilter-Optionen lässt sich genauer festlegen, welche Objekte vom Datentransfer erfasst werden sollen. Häufig werden dabei jedoch zwei Schritte vorwärts und zwei zurück gemacht, weil der Prozess eine zusätzliche Ebene an Umsetzungs-Komplexität erhält.
Unter anderem kann dieser Ansatz den Umsetzungsprozess wegen der tief greifenden Anbindung an die MCAD-ECAD-Applikationen versionsabhängig machen, und zweifellos kommen weitere Lizenzkosten zum gesamten Designsystem hinzu. Die per OLE oder API verknüpften Versionen der Umsetzungsprogramme können demgegenüber eine besser integrierte Lösung bieten, da sie in die MCAD oder ECAD-Applikation eingebunden werden. Der Nachteil hierbei ist, dass die Lösung versionskritisch wird und die MCAD-ECAD-Applikationen auf derselben PC-Plattform installiert sein müssen, damit sich die OLE/API-Verknüpfungen einrichten lassen.

Bewältigung grundsätzlicher Probleme

Den ersten Schritt bei der Schaffung einer Designumgebung, die eine echte Zusammenarbeit zwischen ECAD und MCAD fördert, besteht darin, die Beziehungen zwischen elektronischem und mechanischem Design auf einer abstrakteren Ebene zu betrachten. Ein zentrales Konzept ist hierbei, dass das Produktdesign aufgrund der aktuellen Veränderungen in der Elektronikdesign-Industrie als eine zusammenhängende Aufgabe betrachtet werden muss und nicht als eine Aneinanderreihung separater Prozesse, die erst nachträglich zu einem Ganzen werden.

Aus dem Blickwinkel des Leiterplattendesigns bedeutet dies die Verwendung eines gemeinsamen, kooperativen Konzepts, bei dem das angestrebte Endergebnis – nämlich ein komplettes, an den Markt-Erfordernissen ausgerichtetes Produkt – stets fest im Blick behalten wird. Dies wiederum bedingt, dass Entwicklungen wie der häufig dominierende Einfluss der mechanischen Konstruktion eines Produkts beim Leiterplattendesign berücksichtigt werden. Außerdem resultiert hieraus ein Bedarf an Systemen zum Austausch von Designdaten, die nicht nur miteinander verbunden werden, sondern wirklich zusammenarbeiten.
Was auf einer ganz grundlegenden Ebene benötigt wird, ist somit eine zuverlässige, umfassende und komfortable Möglichkeit für den Datentransfer zwischen den verschiedenen Bereichen. Bisherige Lösungen versuchen, die bestehende Lücke mit einem Gewirr von Dateiformaten und Applikationen zu überbrücken, die die Prozesse miteinander verknüpfen sollen. Diese Systeme wurden mit der Zeit weiterentwickelt, um der wachsenden Nachfrage nach dem Austausch von Designdaten Rechnung zu tragen. Sie haben da- bei jedoch auf proprietäre Formate gesetzt oder bestehende, aber ungeeignete Formate eingebracht. Inzwischen aber sind die 3D-Datentransfer-Protokolle auf ein neues Level aufgestiegen. Dies geschah mit dem relativ neuen STEP-Format, einem datenreichen und extrem robusten Protokoll speziell für 3D-Design und Fertigungsprozesse. Da STEP mittlerweile von den meisten MCAD-Systemen unterstützt wird, kann eine ECAD-Lösung, die den bidirektionalen STEP-Transfer unterstützt, allein mit diesem Feature die Probleme bei der Umsetzung von 3D-Daten gravierend entschärfen.

Blick auf die Produktivität

Der möglicherweise recht große Umfang der STEP-Files lässt sich eingrenzen, wenn das ECAD-System in seiner Umsetzungs-Schnittstelle mit intelligenten Bereichs oder Objektfilter-Funktionen aufwartet. Abgesehen von Vorteilen bezüglich der Datei-Kompatibilität kann dieses Konzept auch die Komplikationen und Aufwendungen im Zusammenhang mit Fremd-Applikationen beseitigen, und auch Probleme mit den Versionen der MCAD-ECAD-Applikationen kommen nicht zum Tragen.

Abgesehen von den robusten Dateisystemen für den Austausch von Designdaten muss der ECAD-MCAD-Arbeitsablauf auch aus dem Blickwinkel der Produktivität betrachtet werden. Zum Beispiel kommen durch separate Umsetzungs und Verarbeitungs-Applikationen von Fremdunternehmen weitere sequenzielle Arbeitsschritte hinzu, was den gesamten Prozess komplexer macht und die Wahrscheinlichkeit für rekursive Fehler in kritischen Designdaten erhöht. Kurz gesagt wird jede Lösung, die mehrere Dateiformate und sequenzielle Datenumsetzungen einführt, per Definition das Risiko erhöhen, dass der Produktentwicklungs-Prozess langsamer und komplizierter wird.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Frage, wie die 3D-Datenmodelle erstellt und für die Betrachtung im MCAD-Bereich angewandt werden. Präzise Beurteilungen, wie die elektromechanischen Bauteile zusammenpassen (dies geschieht in der Praxis mit Abstands und Überschneidungs-Prüfungen) hängt von der Verfügbarkeit präziser 3D-Objektmodelle ab. In praktischer Hinsicht bedeutet dies, dass die vom ECAD an den MCAD-Bereich übergebenen Montageinformationen exakte Komponentenmodelle enthalten müssen. Ebenso können diese elektrischen Modelle im MCAD-System vorgehalten werden, um nach Bedarf eingefügt zu werden.

Systeme, die auf den Transfer von IDF-Dateien setzen, sind ein Beispiel für den Fall, dass die eingebundenen 3D-Modellinformationen für eine präzise Abstandsprüfung im MCAD-Bereich nicht ausreichen. Wenn der ODF-Transfer in einer eigenständigen Umsetzungs-Applikation genutzt wird, die auch die Abstandsprüfung vornimmt, sind kritische Modelle durch präzisere Modelle aus der eigenen 3D-Bibliothek zu ersetzen. Aufgrund der Restriktionen des Dateiformats können Daten, die als IDF-Files aus dieser Applikation exportiert werden, diese genaueren Daten jedoch nicht behalten. Als Minimum erhält der Prozess hierdurch ein Mehr an Komplexität.

Was die Datenintegrität und die Effizienz des Arbeitsablaufs betrifft, wird die Verknüpfung von MCAD und ECAD auf der elementaren Ebene am besten durch das unkomplizierte Konzept bedient, STEP-Modelle direkt zwischen beiden Sphären zu transferieren. So einfach dies zunächst erscheinen mag, setzt es doch ein ECAD-System mit STEP-Import und Exportfunktionen, umfassenden 3D-Modellierungsdaten und Filteroptionen zur Eingrenzung des 3D-Gehalts der exportierten Files voraus.

Der nächste Schritt

Betrachtet man den Umfang und die Anwendung des STEP-Dateiaustauschs in MCAD-ECAD-Systemen, fallen die je nach Übertragungsrichtung unterschiedlichen Inhalte und die daraus entstehenden Konsequenzen auf. In einem typischen Arbeitsablauf werden 3D-Daten, die das Gehäuse des Produkts, ein Bauteil oder einen neuen Leiterplattenumriss repräsentieren, vom MCAD an den ECAD-Bereich übergeben, während ein Modell der kompletten Leiterplatten-Baugruppe üblicherweise von ECAD nach MCAD transferiert wird, um die Einhaltung der vorgeschriebenen Abstände zu checken.

Hinsichtlich des Datenflusses und der Dateikomplexität sind die an den ECAD-Bereich übertragenen MCAD-Modelle relativ einfach (z. B. im Fall eines Gehäuses), während die von der ECAD and die MCAD-Sphäre transferierten Dateien eher komplexer Natur sind (z. B. komplette Leiterplatten-Baugruppen samt der darauf befindlichen Bauelemente). Leiterplatten-Baugruppen sind reich an Bauteilen und ergeben komplexe 3D-Datendateien, die für die Abstandsprüfung geladen und im MCAD-Bereich gerendert werden müssen. Jegliche Korrekturen am Leiterplatten-Layout oder an der Form werden an den ECAD-Bereich zurückübertragen, wo die entsprechenden Modifikationen vorgenommen werden, um den Datenaustausch anschließend erneut zu starten.

Zu betonen ist hier, dass das Prüfen und Überarbeiten der Leiterplatten-Baugruppe zum Einpassen in das mechanische Gehäuse in erster Linie ein ECAD-Problem ist, obwohl ein großer Teil dieses Prozesses unter Verwendung komplexer dreidimensionaler Daten über die Leiterplatten-Baugruppe im MCAD-Bereich erfolgt. Berücksichtigt man die grundlegenden Anforderungen dieses Arbeitsablaufs, so wird deutlich, dass im Idealfall ein erheblicher Teil des Problems der mechanischen Einpassung im ECAD-Bereich gelöst werden muss. Was für die Abstandsprüfung im ECAD-Bereich gebraucht wird, sind Echtzeit-3D-Fähigkeiten im Leiterplatten-Editor sowie die Möglichkeit, MCAD-Baugruppen in diesen Bereich zu importieren. Würde man das STEP-Format nutzen, um beispielsweise ein Gehäusemodell in den ECAD-Bereich einzubringen, wäre in der 3D-Leiterplattendesign-Umgebung eine praktikable Überschneidungsprüfung möglich. Wird das System anschließend mit anwenderdefinierten Abstandsregeln und 3D-Objektransparenz-Optionen kombiniert, lässt sich ein großer Teil der mechanischen Einpassung in Echtzeit im ECAD-Bereich erledigen.

Mit einem solchen Konzept würden sich die Komplexität und die Anzahl der MCAD-ECAD-Design-Iterationen traditioneller Systeme erheblich reduzieren. Im Idealfall könnten die Iterationen durch eine einzige, umfangreiche Designumgebung ersetzt werden, die sowohl das MCAD als auch das ECAD-Design abdeckt. Damit hätte man das ultimative durchgängige Designsystem. Obwohl dies mit der jetzigen Technologie noch nicht in der Praxis realisierbar ist, lassen sich die Dateiübertragungs-Prozesse doch in ihrer Zahl vermindern oder ganz vermeiden, indem man eine weitere Verfeinerung einführt, nämlich die Verknüpfung mit 3D-Datendateien, anstatt diese Daten direkt in die ECAD-Designdateien einzubetten.

Unter dem Strich hat die wachsende Bedeutung mechanischer Eigenschaften in heutigen Designs die Konsequenz, dass die gegenseitige Abhängigkeit von MCAD und ECAD von Systemen, die sich direkt mit dem zentralen Problem auseinandersetzen, berücksichtigt werden muss. Die meisten existierenden Systeme, die den Versuch einer MCAD-ECAD-Lösung machen, beschränken sich auf Stückwerk oder das Nachrüsten von Add-ons. Sie erreichen damit nicht ihr Ziel oder haben im schlimmsten Fall sogar einen kontraproduktiven und fehleranfälligen Arbeitsablauf zur Folge. Das beste denkbare Resultat einer solchen Lösung ist deshalb eine intermittierende Synchronisation der Designs zwischen den verschiedenen Bereichen. Nötig ist stattdessen eine einheitlichere Sicht des vollständigen Produktentwicklungs-Prozesses, die das gesamte Design als eine Einheit gepaart mit einem einzigen, durchgängigen Datenmodell betrachtet. Die Lösungen für den wachsenden Bedarf an einer intensiven Verknüpfung von MCAD und ECAD entspringen somit einer abstrakteren Sichtweise, die das angestrebte Ziel im Blick hat, anstatt sich allein auf die Dateiaustausch-Systeme zu konzentrieren.

Durch die Implementierung des Fundaments für ein robustes Format zum Austausch von 3D-Daten (STEP) und für den direkten Datentransfer wird der Prozess vereinfacht und kann sogar an den ECAD-Bereich transferiert werden, in dem er gelöst werden muss. Auf diese Weise können Designer beider Bereiche in einer weit reichend verknüpften Produktentwicklungs-Umgebung, die das parallele MCAD-ECAD-Design fördert, miteinander interagieren.

Da sich die Elektronikdesign-Industrie weiterentwickelt und die verschiedenen Design-Disziplinen zusammenwachsen, kommt es jetzt darauf an, alle Design-Bereiche so intensiv miteinander zu verbinden, dass sich ein kooperatives, gleichzeitiges Design realisieren lässt. Wann immer es gelingt, einstmals getrennte Welten zu einen und zur Zusammenarbeit zu bringen, bleiben profunde, weit reichende Vorteile nicht aus. Die Welt des Elektronikdesigns ist hier keine Ausnahme. -sg-

Altium Europe GmbH, Karlsruhe Tel. 0721/8244300, http://www.altium.com

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