CAD, Leiterplatten- und Baugruppentechnik, Folge 6 Einfluss der Design-Dokumentation der Leiterplatte auf die Produktqualität

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Von der Pflicht zur sorgfältigen Dokumentation seines PCB-Designs kann der Entwickler nicht befreit werden. Alle erstellten Dokumente sind mit dem Design zu archivieren.

Das Design ist fertig. Flugs ein paar Gerberdaten ausgegeben und ab damit auf den Server des Einkaufs, das ist eine (leider) immer noch häufig anzutreffende Praxis in vielen Unternehmen. Und vielfach wird verkannt, welche Kosten eine solche Vorgehensweise verursacht.

Die Dokumentation am CAD-Arbeitsplatz ist vielschichtig. Recht offensichtlich ist noch die Forderung, die Mechanik der Leiterplatte, der Baugruppe oder des Gerätes zu dokumentieren. Aber was ist eigentlich für eine vollständige Fertigungsdokumentation nötig? Wer benötigt in der Prozesskette welche Daten? Wie werden Änderungen dokumentiert? Wo genau beginnt eigentlich die Dokumentation?

Die Basisdokumentation – was sie enthalten muss

Um diese Fragen zu beantworten, müssen wir uns die gesamte Prozesskette vor Augen führen. Im Prinzip beginnt Dokumentation mit den ersten Gesprächen für eine Produktentwicklung. Absprachen, Festlegung von Meilensteinen, Entscheidungen und Entscheidungsträger sollten protokolliert und damit auch dokumentiert sein. In jedem Fall müssen die grundsätzlichen Anforderungen an die Leiterplatte und die Baugruppe dokumentiert werden. Das sind der Einsatz- und Temperaturbereich für den Betrieb des Gerätes und die Anforderungen an Störfestigkeit, Abstrahlverhalten und elektrische Sicherheitsanforderungen.

Die nächsten Schritte in der Prozesskette laufen häufig parallel ab: die drei Aktivitäten Schaltplanentwicklung, Bibliothekserstellung und Mechanik-Konstruktion führen zu Dokumenten, die sinnvollerweise im CAD-Design zusammengeführt werden. Für die verschiedenen Aufgabenstellungen, zumindest, was die Mechanik-Konstruktion, die Schaltplanerstellung und die Bibliotheksarbeit betrifft, kommen meist unterschiedliche Tools zum Einsatz. Das birgt zwangläufig in sich die Notwendigkeit, die Ausgabeformate abzustimmen, um eine fehlerfreie Weiterverarbeitung der Informationen sicherzustellen.

Die Bibliothek sollte in jedem Fall intern dokumentiert werden. Dies kann innerhalb des EDA-Tools beispielsweise mit Attributen oder Kommentaren geschehen, die das Datum der Erstellung, den Bearbeiter und den Prüf- und Freigabestatus dokumentieren. Zusätzlich bietet sich eine Listenausgabe aller freigegebenen Bauteile an. Außerdem können manche Software-Tools ein Bibliotheks-Datenblatts ausgeben, das alle relevanten Informationen des Bibliothekselements wie Part- oder Bauteilbezeichnung, Schaltplan-Symbol, Footprints und ähnliches enthält.

Für Dienstleister kann es nötig sein, die Bibliothek auch dem Kunden gegenüber zu dokumentieren. Im Umkehrschluss sollte auch eine vom Kunden übernommene Bibliothek dokumentiert sein.

Für mechanische Konstruktionsunterlagen ist die Dokumentation im DXF-Format sowie als PDF-Datensatz üblich. Warum eine Ausgabe in zwei Formaten? Nun, wenn wir davon ausgehen, dass nicht jeder, der nachfolgend in der Prozesskette die Daten benötigt, das gleiche Tool zur Verfügung hat, dann werden diese Daten aller Voraussicht nach in ein anderes Tool importiert werden. Ein Datenimport ist aber auch immer eine Form von Konvertierung und dann ist eine Fehlinterpretation nie ganz auszuschließen. Somit ist es hilfreich, wenn die Daten zusätzlich in einer druckbaren Version vorliegen (die natürlich vom Ersteller des Datensatzes geprüft sein sollte). Wichtig ist die Angabe der Referenzmaße, z.B. auf die Außenkontur der Leiterplatte, und der geforderten Toleranzen. Dies gilt im gleichen Maße für die Schaltpläne. Auch diese sollten grundsätzlich zu allen elektronisch austauschbaren Formaten immer auch als PDF ausgegeben werden.

Hilfreiche Zusätze und Hyperlinks im Dokument

Besonderheiten, wie beispielsweise eine definierte Impedanz für bestimmte Signale, sollten grundsätzlich als Texthinweis an den betreffenden Signalen im Schaltplan eingefügt sein. Es kann nicht grundsätzlich davon ausgegangen werden, dass entsprechende Attribute oder sonstige dem Signal zugefügte Eigenschaften bei der Konvertierung durch ein anderes Tool übernommen werden. Heutige EDA-Tools zur Schaltplanerfassung können üblicherweise intelligente oder searchable (= durchsuchbare) PDF-Files erzeugen. In diesen lässt sich über die Suchmaske des PDF-Viewers nach Texten, beispielsweise Bauteilnamen, suchen.

Auch die Einarbeitung von Hyperlinks ist heute möglich. Auf diese Art und Weise können Datenblätter, Hinweise oder Handlungsanweisungen im Schaltplan hinterlegt werden und diese sind auch im PDF-Datensatz klickbar.

Multilayer-Lagenaufbau und eingesetzte Materialien

Aus dem Schaltplan entsteht die Stückliste für die Bauteilbeschaffung. Die Stückliste muss alle zu beschaffenden Teile, also auch Sockel, Kühlkörper, Halter, Schrauben, Unterlegscheiben und ähnliches enthalten. Elementar ist die Dokumentation des physikalischen Aufbaus der Leiterplatte. Dazu reicht es nicht mehr aus, lediglich die Lagenzahl und die Enddicke der Leiterplatte anzugeben. Heute müssen für einen Multilayeraufbau die Materialien explizit beschrieben sein. Auch die Angabe FR4 ist nicht mehr ausreichend, da es FR4-Materialien mit unterschiedlichen elektrischen und mechanischen Eigenschaften gibt. So haben beispielsweise der Harzgehalt und das Harzsystem einen Einfluss auf die Impedanz der Leitungen und müssen daher definiert und dokumentiert werden. FR4-Materialien mit unterschiedlichen Füllstoffen haben unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten und beeinflussen damit (speziell während des Lötprozesses) die mechanische Stabilität der Leiterplatte.

Die dielektrischen Abstände zwischen den einzelnen Lagen müssen ebenso beschrieben sein, wie die Zuordnung der Datensätze zur jeweiligen Lagenposition im Multilayeraufbau und die Kupferdicken der elektrischen Lagen. Besondere Eigenschaften einzelner Lagen (z.B. eine geforderte Impedanz) oder eines Funktionsmoduls in einem Multilayer (etwa eine kapazitiv aufgebaute Stromversorgung oder ein MultiPowerSystem) müssen ebenfalls dokumentiert werden. Zusätzlich ist die Angabe der Kontaktierungsstrategie für die Produktion der Leiterplatte notwendig.

Standardformate – Empfehlungen für die Datenausgabe

Zur Mindestdokumentation einer Leiterplatte gehören neben dem Multilayeraufbau und den Fertigungsdaten auch Bohrpläne, am besten kombiniert mit dem Umschnittmaßplan. Als Format ist Extended-Gerber (RS-274X) zu bevorzugen. Die dazugehörigen Bohrdaten (und in Abstimmung mit dem Leiterplattenhersteller auch Fräsdaten) werden im Extended-Excellon-Format mit Header ausgegeben; die Fertigungsdaten für Leiterplatten üblicherweise im Extended-Gerber-Format (RS-274X). Außer den elektrischen Lagen beinhaltet das auch die Vorlagen für alle Drucke, zu nennen sind hier Lötstopplack, Bestückungsdruck, Abziehlack, Heatsinkpaste und Carbonlack. Die Daten für Coverlays und Lotpastenschablonen zählen ebenfalls dazu. Lotpastenschablonen gehören auch zur Dokumentation für die Bestückung der Baugruppe. Es wird empfohlen, zu Kontrollzwecken auch in diesem Fall alle Lagen zusätzlich als PDF-Datei auszugeben.

Bestückung und Produktion der Baugruppe

Für die Bestückung der Leiterplatte sind Bestückungspläne unverzichtbar. Diese müssen außer der Kennung für die Referenz (Bauteilreferenz, Component Name, z.B. R12) die Lage des Bauteils anzeigen und für gepolte Bauteile die Polung eindeutig darstellen. Außerdem muss die Art, beziehungsweise der Wert des Bauteils angegeben sein (z.B. 74HCT00 oder 100R_1%).

Für die Maschinenbestückung werden die Koordinaten der Bauteilmittelpunkte ausgegeben, entweder als ASCII-File oder als Excel-Datei. Die zentralen Informationen in dieser Liste sind die Art des Bauteils, die Koordinatenposition und die Drehrichtung. Die Kennung für die Bauteilreferenz, der so genannte Referenzbezeichner, ist für den Bestückungsautomaten nicht relevant.

Schlussendlich sind für den Test der Leiterplatte und/oder der Baugruppe Netzlisten oder Testfiles nötig. Oft werden diese Daten vom Leiterplattenhersteller oder vom Baugruppenproduzenten/Testhaus aus den bereitgestellten Gerberdaten erzeugt. Eine Ausgabe aus dem Leiterplattendesign ist wünschenswert, Formate und Syntax bedürfen jedoch meist der Absprache. So ist beispielsweise die elektrische Verbindungsliste (enthält die Information IC1 Pin 1 ist mit R25 Pin verbunden) für den elektrischen Test der Leiterplatte ohne Nutzen, da hier die Information "Koordinatenposition X1Y1 ist mit Koordinatenposition X2Y2 verbunden" benötigt wird.

Die Dokumentation des Designs umfasst also mindestens die Ausgangsunterlagen, die dem Designer zur Verfügung gestellt wurden, die damit verbundenen Absprachen und Entscheidungen sowie die Datenausgaben für die Produktion der Leiterplatte und der Baugruppe. Dazu kommen noch die Spezifikationen der Leiterplatte und der Baugruppe, die sämtliche für den Hersteller der Leiterplatte beziehungsweise Baugruppe relevanten Informationen enthalten.

Auf allen Dokumenten müssen mindestens die Bezeichnung der Baugruppe/Leiterplatte und der Revisionsstand sowie der Bearbeiter angegeben sein.

Dokumentenverteiler – welcher Mitarbeiter welche Info erhält

Häufig stellt sich im Unternehmen die Frage, wer welche Dokumente zur Verfügung gestellt bekommt, da oftmals aus Sicherheitsgründen nicht jedem Beteiligten in der Prozesskette alle Informationen zum Produkt offengelegt werden sollen.

Manchmal führt diese Einschränkung jedoch zu einer nicht ausreichenden Dokumentation für einzelne Beteiligte der Prozesskette. So wird beispielsweise dem Baugruppenproduzenten oft der Multilayer-Bauplan nicht beigestellt, da noch vielfach die Meinung herrscht, das müsse er gar nicht wissen. Tatsächlich ist der Multilayeraufbau jedoch von elementarem Informationswert für den Baugruppenproduzenten. Nur mit Kenntnis des genauen Aufbaus und der Lagenverteilung (wie viele Powerplanes und wo liegen diese, welche Kupferdicken) kann bereits im Vorfeld der Baugruppenproduktion eine Annäherung an das korrekte Lötprofil erfolgen.

Ohne diese Information ist es wahrscheinlich, dass das Lötprofil durch aufwendige Verfahren, wie Probelötungen mit Messsonden, in einer Art Trial & Error-Prozess ermittelt werden muss.

* Jennifer Vincenz arbeitet bei tecnotron elektronik und ist vom IPC zertifizierter CID, CID+, Instructor und FED-Designer mit über 20 Jahren Berufserfahrung.

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