Leiterplatten- & System-Entwicklung Fünf Tipps für besseres Elektronik-Design

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Die Digitalisierung erfordert auch im Elektronik-Design (EDA) einen Paradigmenwechsel. Althergebrachte Methoden im PCB- und System-Entwurf sind bei 58% aller Design-Projekte die Gründe für unerwartete Kosten und Zeitverzögerungen. Warum ist das so? Und wie gelingt gutes Elektronik-Design?

In der Elektronikindustrie beginnt eine neue Ära der digitalen Transformation. Sie wird von der dringenden Notwendigkeit getrieben, dass Elektronikunternehmen drei große Design-Herausforderungen bewältigen müssen: die Komplexität der Produkte, der Organisation und der Prozesse.

Diese drei Herausforderungen sind größer als je zuvor, während Unternehmen daran arbeiten, moderne und sogar futuristische Produkte zu erschaffen, die das elektrische-, mechanische- sowie das Software Design eng miteinander verbinden. Hinzu kommt, dass all dies unter enormem Termindruck bei Design- und Produktionsplänen in einem beispiellosen Innovationstempo zu handhaben ist. Unternehmen können sich die gewohnten Vorgehensweise, mehrere Prototypen zu bauen und diese mehrere Testiterationen durchlaufen zu lassen, nicht länger erlauben. Dieser prototypabhängige Ansatz trägt dazu bei, dass geplante Termine verpasst werden, Entwicklungskosten ansteigen und die Produktqualität darunter leidet.

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Wenn keine neuen Prozesse eingeführt werden, drohen erhebliche negative Auswirkungen. Aktuelle Untersuchungen des Technologiebeobachters LifeCycle Insights zeigen, dass bei 58% aller neuen Produkt-Design-Projekte unerwartete und ungeplante zusätzliche Kosten und Zeitverzögerungen auftreten. Nur eines von vier Projekten verläuft tatsächlich pünktlich und innerhalb des Budgets. Um Zeitpläne einzuhalten, planen die Ingenieurteams häufig drei bis vier Neuanläufe in ihre Kosten- und Zeitschätzungen ein, wodurch Prozessineffizienzen bestehen bleiben.

Die drei großen Komplexitätsprobleme

Die Produktkomplexität hat mit dem Aufkommen aktueller Knoten-ICs, schnellerer DDR-Speicher, und SerDes-Bussen wesentlich zugenommen. Beispielsweise kann die Durchführung von Signal- und Analysen der Leistungsintegrität bei Multi-Board-Designs sehr schwierig sein. Multi-Board-Systeme weisen komplexe Konnektivitäts-Anforderungen zwischen den Boards untereinander sowie zwischen Boards und mechanischen Gehäusen auf. Sogar einfachere Designs, die FPGAs der neuesten Generation und DDR-Speicher verwenden, erfordern eine Analyse der Signal- und Leistungsintegrität. All dies taucht in einer Zeit extremen Termindrucks auf, in der erwartet wird, dass wir es gleich beim ersten Mal richtig machen. Daher müssen Entwicklungsteams ihre Analysen schnell und korrekt durchführen. Das Bestreben, die Größe der Elektronikbauteile zu reduzieren, steigert zusätzlich die Produktkomplexität. Dies beinhaltet engere Toleranzen zwischen Leiterplatten und Gehäusen, sowie fortschrittliche Fertigungstechnologien wie Starr/Flex, HDI und eingebetteten Komponenten.

Die organisatorischen Herausforderungen werden immer komplexer, da sich große Teams spezialisieren und dezentrale Gruppen für die Entwicklung eines einzelnen Produkts eingesetzt werden. Diese unterschiedlichen Design Teams arbeiten oft unabhängig oder isoliert; ihre Kommunikation ist unzureichend. Die Verwendung von Design Tools, die den Datentransfer nicht nahtlos zwischen den Disziplinen austauschen können, führen oft zu Problemen, welche erst sehr spät im Design-Prozess, oder sogar erst nach dem Bau physischer Prototypen, festgestellt werden.

Produkt- und Organisationskomplexitäten behindern zudem die wesentlichen Schritte während des gesamten Entwicklungsablaufs – vom Produktkonzept über die Gliederung der Architektur bis hin zu allen parallelen Domänen für Elektronik, Mechanik, Software und Fertigung. Die Designs müssen nicht nur alle funktionalen Anforderungen erfüllen, sondern auch die Software muss mit der Hardware als Systemeinheit funktionieren. Darüber hinaus müssen alle Produkte strenge Richtlinien für ihre vorgesehenen Betriebsumgebungen sowie für die Herstellbarkeit erfüllen. In vielen Branchen haben Produkte zudem auch eine Vielzahl komplizierter regulatorischer Standards einzuhalten.

Erfolgreiches Kontrollieren der Komplexität

Um diese Komplexität in den Griff zu bekommen, ist eine digitale Strategie erforderlich, die Ineffizienzen adressiert, und sowohl das Design als auch die Verifizierung elektronischer und bereichsübergreifender Systeme optimiert. Durch den Beginn dieses Paradigmenwechsels, haben Unternehmen die Chance, die Barrieren zwischen den Teams zu überwinden, physische Prototypen zu eliminieren, und das geistige Eigentum im gesamten Unternehmen zu verwalten.

Eine erfolgreiche Design-Basis der nächsten Generation muss Integration, gemeinsame Daten und verbesserte Intelligenz unterstützen. Die Integration der Design-Prozesse und Disziplinen optimiert Ressourcen, um Entwicklungszeiten und -kosten zu reduzieren. Die gemeinschaftliche Nutzung von kontextspezifischen Design-Daten reduziert Entwicklungszyklen und -kosten durch weniger Iterationen und Neuanläufe. Verbesserte Intelligenz bietet umsetzbare Informations- und Feedback-Schleifen, um durch Metrik gesteuerte präskriptive Analysen die notwendigen Informationen für Management-Entscheidungen über Kosten und Ressourcen zu liefern. Um die drei Kernkompetenzen zur Produkt-Differenzierung, Rentabilität und Wettbewerbsfähigkeit zu liefern, sind fünf Fähigkeiten erforderlich.

Digital integriertes und optimiertes Multi-Domain-Design

Erstens: Die Integration im gesamten Design und in der Fertigung ist für die Herstellung von qualitativ hochwertigen Produkten von entscheidender Bedeutung. Die Bereitstellung einer digital integrierten Lösung über mehrere Bereiche hinweg verringert manuelle Eingriffe, fördert die Zusammenarbeit und verbessert die Transparenz zwischen den Disziplinen. Dies ermöglicht ein effizientes, sicheres und zeitgleiches Design über alle einzelnen Entwicklungs-Teams hinweg, unabhängig davon, ob die Mitarbeiter am selben Standort oder dezentral arbeiten. Durch die Implementierung von digitalen Verbindungen zwischen den Bereichen, stellen Unternehmen Rückverfolgbarkeit und Interaktivität von einer Domäne zur anderen her. Da somit alle Beteiligten einen Überblick über Produktänderungen erhalten, können Verantwortliche den Status und die Leistung einfacher überwachen, den Änderungsverlauf überprüfen und den Status begutachten. Durch eine digital integrierte Lösung können Teams die mit einem Projekt einhergehenden Kosten optimieren, die Entwicklungszeit verkürzen, die Datenintegrität verwalten und schließlich die Qualität der Ergebnisse verbessern.

Modellbasiertes Systems Engineering (MBSE)

Zweitens: Ein modellbasierter, systemtechnischer Ansatz von den Produktanforderungen bis hin zur Fertigung hilft den Entwicklungs-Teams, die Vielzahl komplexer und herausfordernder Aufgaben zu lösen, die sich aus dem vollständigen System-Design ergeben. Dies ermöglicht den Team-Mitgliedern, das gesamte System sowie die Modellteile dieses Systems einzeln und zu einem früheren Zeitpunkt im Design-Ablauf einzusehen. Es spielt dabei keine Rolle, ob sich diese Teile auf der elektronischen-, elektrischen-, mechanischen- oder der Software-Seite befinden. Indem man das gesamte System anhand einer modellbasierten Systemperspektive betrachtet, lassen sich nicht nur die elektrischen und funktionalen Kompromisserfordernisse früher in den Designzyklus einbeziehen, sondern auch Anforderungen an das Produkt hinsichtlich Gewicht, Kosten oder sogar verfügbaren Komponenten betrachten. Durch das zu Nutze machen der MBSE-Techniken können sehr früh im Design-Zyklus Schnittstellen zwischen den einzelnen Bereichen eingerichtet werden. Dabei kann die Implementierung innerhalb jeder Domäne von den anderen isoliert werden. Somit können Ingenieurteams parallel arbeiten, und erhalten einen früheren Überblick über das gesamte zu entwickelnde Produkt.

Verifizierung durch digitale Prototypen

Drittens: Durch die Integration der Verifizierung in den gesamten Entwicklungsprozesses für Multi-Board-Elektronik (sehr früh, lange vor physischen Prototypen) lässt sich der gesamte Entwicklungsprozess optimieren und die Qualität durch eine digitale Prototyp-gesteuerte Verifizierung und bereichsübergreifende Modellierung steigern. Die Vorverlagerung der Verifizierung im Design-Ablauf mithilfe automatisierter, integrierter Tools verringert den geplanten Zeitaufwand und erhöht die Wahrscheinlichkeit pünktlicher Produkteinführungen. Kosten und Zeit werden eingespart, indem Probleme frühzeitig bereits während der Konstruktion erkannt werden. Design-Revisionen und Fertigungskorrekturen können so erheblich minimiert werden. Da eine Vorverlagerung der Verifizierung eine effiziente Früherkennung von Fehlern ermöglicht, lassen sich funktionale, elektrische, thermische und produktionsbedingte Kompromisse bereits dann bewerten, wenn sie einfacher und kostengünstiger zu modifizieren und zu vergleichen sind. Dies unterstützt zudem bereichsübergreifende digitale Modellierung und Simulation, ohne auf physische Prototypen warten zu müssen. Stattdessen treiben digitale Prototypen die Verifizierung voran. Angesichts dieser Möglichkeit, Alternativen zu bewerten, können die Kosten des Gesamtsystems erheblich gesenkt werden.

Kapazitäten, Leistung, Produktivität und Effizienz

Viertens: Prozessautomatisierung, Abstraktion, Wiederverwendung und skalierbare Werkzeugkapazitäten sichern die technische Produktivität und Prozesseffizienz unabhängig von der Design-Komplexität, sodass Design- und Prozesskomplexität nicht alles beeinträchtigen. Eine Design-Plattform für Systeme der nächsten Generation muss Skalierbarkeit bieten, um sie, basierend auf Größe, Herausforderungen und Fachwissen des Entwickungs-Teams, auf die Bedürfnisse des jeweiligen Benutzers zuschneiden zu können. Die Plattform muss in der Lage sein, komplexe Designs mit einer beispielsweise sehr hohen Anzahl von Pins, Netzen, Regeln und Einschränkungen vorhersehbar und zuverlässig zu verwalten. Zusätzlich muss eine solche Plattform interaktive und automatisierte Leistung unabhängig von Konstruktionsgröße, Komplexität oder Kapazität liefern. Durch die Automatisierung mehrerer essentieller Prozessschritte (vom Schaltplan über das Layout, bis hin zur Verifizierung) können Designer produktiver arbeiten und gleichzeitig die Kontrolle über das Design behalten.

Stärke und Glaubwürdigkeit des Lieferanten

Fünftens: Um die erfolgreiche Umsetzung einer digitalen Transformationsstrategie zu ermöglichen, benötigen Unternehmen Tools, die von einem globalen Lieferanten unterstützt werden, welcher Design-Plattformen der nächsten Generation entwickeln, verbessern und unterstützen kann. Bei der Auswahl einer Tool-Basis für Systeme der nächsten Generation, mag man dazu neigen, sich ausschließlich auf die Lösung und die dazugehörige Technologie zu konzentrieren. Und selbstverständlich ist dies wichtig. Unternehmen sollten sich aber auch die Referenzen des Lieferanten ansehen. Ist er einfach nur ein Lieferant oder kann er ein echter Geschäftspartner sein, welcher zum Erfolg Ihres Unternehmens beiträgt? Siemens EDA (ehemals Mentor) entwickelt derzeit solche Tools, Methoden und Prozesse, die dabei helfen sollen, diese fünf grundlegenden Elemente umzusetzen.

Ein On-Demand-Webinar zu MBSE von Siemens EDA

* David Wiens ... ist Xpedition Product Manager bei Siemens EDA (ehemals Mentor).

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