In Waldenburg fand am 27. Februar der diesjährige 12. PCB-Designer-Tag des Fachverbandes Elektronikdesign und -fertigung (FED) statt, an dem 110 Besucher teilnahmen. (Bild: Hüthig Medien / Petra Gottwald)
Insgesamt 110 Teilnehmer kamen zum 12. PCB-Designer-Tag des Fachverbandes Elektronikdesign und -fertigung (FED), der in diesem Jahr am 27. Februar 2024 in Kooperation mit Würth Elektronik in Waldenburg stattfand. Das Rahmenprogramm begann bereits am Vortag mit einer Besichtigung und Live-Vorführung im Highspeed- und Impedanzlabor der Reinhold-Würth-Hochschule am Campus Künzelsau und mit kurzen Präsentationen in Kleingruppen. Anschließend konnte die Leiterplattenfertigung bei Würth in Niedernhall besichtigt werden.
In Niedernhall befindet sich nicht nur der Stammsitz der Würth Elektronik Unternehmensgruppe, sondern auch eines der modernsten Leiterplattenwerke in Europa. Etwa 380 Mitarbeitende produzieren und vertreiben ein breites Portfolio an Leiterplatten. Schwerpunkte sind dabei anspruchsvolle Starrflex-Leiterplatten, zukunftsweisende Embedding-Technologie und weitere Advanced Solutions in kleinen und mittleren Serien.
„Wir haben vielleicht nicht die größte Leiterplattenfertigung, aber definitiv das schönste Leiterplattenwerk“, eröffnete Michael Hannemann, langjähriger Prozessleiter Quality Gates bei Würth, die Führung. Er sei froh, dass er das so sagen kann, denn nachdem Ende Dezember 2014 ein großer Teil der Leiterplattenproduktion in Niedernhall abgebrannt war, konnte das neue Werk bereits ein Jahr später im neuen „LEAN-Glanz“ wieder in Betrieb genommen werden.
Die Leiterplattenherstellung erfolgt in einer Vielzahl von mechanischen, photosensitiven und chemischen Prozessen. Jeden dieser Prozesse kann man in diverse Einzelschritte aufteilen. Schon bei einer einfachen 2-lagigen Platine kommt man somit auf ca. 100 Einzelschritte. Besonderes Augenmerk legt Würth auf einen einwandfreien Ätzvorgang, bei dem das Ätzmittel vollständig recycelt wird.
Beeindruckt vom hohen Automatisierungsgrad und der Prüftiefe bei den Leiterplatten kommentierte ein Leiterplattendesigner den Rundgang: „Jetzt bin ich schon so lange ein Leiterplattendesigner, aber erst jetzt habe ich zum ersten Mal eine Werksführung in der Leiterplattenherstellung erlebt.“
Im Fokus: High-Speed-Design
Am Folgetag war das Thema High-Speed Design der rote Faden des Vortragsprogramms. Und damit war nicht gemeint, dass die PCB-Designer nun in Lichtgeschwindigkeit ihre Layouts umsetzen. Aber Spaß beiseite: Die Referenten hatten ihre Vortragsinhalte so aufeinander abgestimmt, dass das Thema High Speed aus unterschiedlichen Blickwinkeln beleuchtet wurde. Dadurch konnten die Teilnehmenden viele neue Erkenntnisse für die tägliche Arbeit mit nach Hause nehmen, wie die vielen Fachfragen nach den Vorträgen zeigten.
Steigende Anforderungen an elektronische Schaltungen erfordern höhere Taktfrequenzen, sauberere Signale oder auch stark miniaturisierte Baugruppen. Durch immer weiter steigende Leistungsdichten müssen die Kühleigenschaften stetig verbessert werden. Hardwareentwickler und Baugruppendesigner müssen daher oft tief in die Trickkiste greifen und auf neue Technologien wie das Einbetten von Komponenten zurückgreifen, um Probleme lösen zu können. Die Möglichkeit, aktive und passive Komponenten mit und ohne Gehäuse in die Leiterplatte zu bringen, hilft, den genannten Anforderungen gerecht zu werden und die gewünschte Systemgröße zu erreichen.
Matthias Hohenstein von Würth Elektronik erläuterte, was sich die CAM wünscht und was sie letztendlich vom Kunden bekommt.
Professor Dr. Rainer Thüringer stellte den neuen Leitfaden zum High-Speed-Design vor, der vom entsprechenden FED-Arbeitskreis entwickelt wurde. Dieser Leitfaden soll Designern den Einstieg in das High-Speed-Design erleichtern. Anhand von Beispielen erläuterte Thüringer Fachbegriffe und Besonderheiten und zeigte einige in der Praxis erforderlichen Layout-Maßnahmen, wie zum Beispiel Leiterbahnen mit konstanter Impedanz (Wellenwiderstand) und deren richtige Verlegung und Terminierung mittels Widerständen.
In die Tiefen seiner Arbeit entführte die Zuhörer auch der Gewinner des PCB-Design Awards 2020. Layout-Entwickler Georg Scheuermann von TQ Systems ging in seinem Beitrag darauf ein, wie man die theoretischen Anforderungen an High-Speed Designs in der Praxis umsetzen kann und „auf die Leiterplatte bekommt“. Das demonstrierte er anhand eines Embedded-Moduls, das unter anderem auf Themen wie Signaldämpfung, Vermeidung von Impedanzsprüngen und Lagenwechsel einging: Auf dem clever konstruierten 18-Lagen Multilayer (126 x 78 mm) mit minimaler Anzahl an Verpressungen wurden 98 aktive und 1.734 passive Komponenten beidseitig platziert, 9.651 Anschlüsse auf 18 Leiterplattenlagen verdrahtet; alleine der Prozessor hat 1.517 Anschlüsse. Von 8.310 Pin-zu-Pin-Verbindungen wurden 6.600 mit speziellen Regeln wie Leitungslängen, Pin-Pairs, Match-Lengths und Routingtopologie geroutet. Zur Entflechtung wurden 28.797 Bohrungen (Vias) benötigt.
Auf den äußeren Leiterplattenlagen kamen Microvias zum Einsatz. Beeindruckende Zahlen, die im Layout erstmal eine echte Herausforderung waren. „Die Kombination von extrem schnellen und steilflankigen Signalen (24 x SerDes-Lanes mit bis zu 25 GBit, 2 x USB 3.0) sowie die hohen Stromstärken (Core Versorgung bis zu 70A, DDR Versorgung bis zu 30A, "Hilfsversorgungen" mit bis zu 8A) waren wirklich eine große Aufgabe bei diesem Projekt“, so Scheuermann. Das Routing der High-Speed-Schnittstellen habe man so gestalten müssen, dass auch an Vias keine Stichleitungen entstehen. Eine Entflechtung ohne Vias sei nicht möglich gewesen, da der Prozessor auf der Oberseite und die Buchsenleisten auf der Unterseite platziert sind.
Den Schlusspunkt setzte Hermann Reischer von Polar Instruments. Er stellte die neue Delta-L 4.0 Messmethode vor, die der Leiterplattenindustrie erstmals ein produktionstaugliches Prüfmittel zur Verfügung stellt, um Materialien bis 43 GHz oder 70 GHz zu qualifizieren.
PCB Design Award 2024 - bis 31. Mai noch bewerben
Dem Leiterplattendesigner die Anerkennung zu geben, die er verdient, und seine Leistung ins Rampenlicht zu stellen – das ist die Mission des PCB Design Award. Der Fachverband Elektronikdesign und -fertigung (FED) verleiht seit 2012 den renommierten Preis, der in der PCB-Community als Ritterschlag gilt. Vier Kategorien gibt es für die Einreichung: 3D/Bauraum; High Power; High Density und „Einfach genial“. Eine Fachjury bewertet, wie der Designer die jeweilige Aufgabenstellung gelöst hat. Wer sich auch im Wettstreit der Leiterplattendesigner messen möchte, hat noch die Gelegenheit: Bis zum 31. Mai 2024 kann jeder PCB-Designer eine Arbeit aus seiner Berufspraxis einreichen. Die Bewerbungsunterlagen für den Award sind unter www.pcb-design-award.de zu finden.
Die Autorin: Dipl. Ing. Dipl. Wirt. Ing (FH) Petra Gottwald
Die Doppel-Ingenieurin (Textiltechnik und Wirtschaft) hat nur ein Ziel: Sie möchte Menschen für technische Themen begeistern - ob sie wollen oder nicht. So kommt es schon 'mal vor, dass sie ihren Freunden die komplexe Herstellung einer Leiterplatte in einer packenden Story erzählt oder wie man Elektronik in Textilien einbaut. Privat düst sie auf leisen Sohlen durch die Gegend, denn sie hat seit 2016 ein Faible für Elektromobilität und will mit ihrem Wissen Interessierten die Reichweitenangst beim voll-elektrischen Fahren nehmen.