Die Digitalisierung des gesamten Produktionsflusses in der Elektronik.

Die Digitalisierung des gesamten Produktionsflusses in der Elektronik, in der DFM eine wichtige Rolle spielt. Mentor

Die Anforderungen an Leiterplattenentwickler werden nicht nur aus funktionellen Gesichtspunkten immer komplexer. Beispielsweise sind der digitale Zwilling und dessen Adaptierbarkeit eine der spannendsten Aufgaben unserer Zeit – auch in der Leiterplattenentwicklung. Eine der damit verbundenen Herausforderungen ist das Thema Design for Manufacturing (DFM). Basierend auf einer Reihe automatisierter Überprüfungsmöglichkeiten wird das Leiterplattendesign anhand der Fähigkeiten des Herstellers und der Fertigungsprozesse validiert. Das Softwaremodul Valor NPI von Siemens EDA (früher Mentor Graphics) enthält detaillierte Fertigungskenntnisse, die während des gesamten Designprozesses eingesetzt werden können, um kostspielige Verzögerungen auf der Zeitschiene zu vermeiden.

Intelligentes Design for Manufacturing im 21. Jahrhundert

Die Komplexität steigt auf allen Ebenen der technischen Gegebenheiten. Signalgeschwindigkeiten sorgen für die notwendigen Technologien. Dazu kommen:

  • die steigende Anzahl unterschiedlicher Arbeitsaufträge,
  • die stetig wachsende Nachfrage nach kürzeren Lieferzeiten,
  • die damit einhergehende Herausforderung, die Qualität weiterhin sicherzustellen, sowie
  • die Anforderung, jede einzelne Leiterplatte testen und gegebenenfalls auch reparieren zu können.
Typische Sichtweise von Design und Produktion, mit unterschiedlichen Schwerpunkten, aber demselben Ziel.

Typische Sichtweise von Design und Produktion, mit unterschiedlichen Schwerpunkten, aber demselben Ziel. Mentor

Traditionell liegen die Prioritäten auf der Funktionalität der Leiterplatte. Jede dieser Leiterplatten besitzt eine Varianz, beispielsweise in Technologie, Passform und Funktion, die eine individuelle Kontrolle auf Fertigbarkeit wünschenswert macht. Des Weiteren existieren die technischen Möglichkeiten, einen Nutzen vollautomatisch gemäß den Anforderungen des Anwenders zu erstellen.

Warum Leiterplatten auch schön sein dürfen, ohne teurer zu werden – ein Kommentar.

Damit einhergehend besteht außerdem die Flexibilität, auf alternative Hersteller/Bauteile/Fertigungen und die vorhandenen Fertigungsmaschinen zurückzugreifen. Essenziell dabei ist, die Varianten und Schwerpunkte umfassend zu berücksichtigen – für jeden einzelnen Prozessschritt, zu jeder Zeit. Bei näherer Betrachtung der Kostenverteilung fällt auf, dass mit ca. 80–90 % der Großteil dieser Kosten und Abhängigkeiten bereits im Entwicklungsprozess festgelegt werden. Dies geschieht womöglich nicht immer mit dem nötigen Weitblick auf alle Endkonsequenzen.

Vier entscheidende Erfolgsfaktoren für bessere Produkte

  • Ein ganzheitlicher, interaktiver Prozess, von der Entwicklung in die Fertigung und zurück.

    Ein ganzheitlicher, interaktiver Prozess, von der Entwicklung in die Fertigung und zurück. Mentor

    Der Prozess, der flexibel, aber eindeutig ist und keine Interpretationen zulässt. Der Entwicklungsprozess bildet die Basis der Wertschöpfungskette. Dabei wird der Prozess unter anderem durch Kriterien wie die Technologie der Leiterplatte, Vielfalt der Bauteile, Frage nach der/den geeigneten Teststrategie(n) etc. vordefiniert. Daraus folgt die Aufbereitung all dieser relevanten Daten, um schlussendlich auch dem Leiterplattenlieferanten und dem Baugruppenbestücker sowie weiteren eingebundenen Stellen ausreichende Informationen mitzuliefern. Ziel ist es, den Informationsfluss und den Wunsch nach völliger Transparenz im Gesamtkontext abbilden zu können. Damit sollen Teilbereiche so schnell wie möglich mit relevanten Änderungsinhalten versorgt, aber auch stets die Abhängigkeiten aller Folgeprozesse im Blick behalten werden. Dies erfordert ein umfassendes Regelwerk, das alle Fachdisziplinen abbildet. Das impliziert außerdem die Verlässlichkeit dieser Regeln und die Reproduzierbarkeit einzelner Prozessschritte.

  • Ein intelligentes Format, das komplexe Zusammenhänge und Abhängigkeiten abbilden kann. Um die Erwartungen der heutigen Zielstellungen zu erfüllen, sind die gewohnten Formate nicht länger ausreichend. Ein Format, das den Datenbedarf von Produktion, Entwicklung, Bestückung und auch das Testen beinhaltet, sollte gleichzeitig die Bedürfnisse kennen und infolgedessen die Zuverlässigkeit erhöhen. ODB++ kann all diese Phasen und Teilaspekte bedienen. Teilweise werden andere Formate vor Ort umgewandelt oder angereichert, um unter anderem das „Debuggen“ zu erleichtern. ODB++ minimiert aber nicht nur die Risiken in der Lieferkette im Zusammenhang mit Datenübertragungsfehlern, sondern gestattet auch den höchstmöglichen Automatisierungsgrad vom Design bis hin zu allen Phasen der Herstellung.
  • Ein Setup, das jeden Teilaspekt berücksichtigen kann. Intelligentes DFM ist eine Methode, welche die Designmerkmale und Fertigungsprozesse nutzt, um die Herstellbarkeitsanalyse unter Verwendung der richtigen Einschränkungen automatisch auszuführen. Dies ermöglicht es dem Entwicklungsbereich, ein optimiertes Design in die Produktion zu übergeben.
  • Ein strategischer Partner, der diese Facetten ständig weiterentwickelt. Essenziell ist ein Partner, der eine gesamte Tool-Landschaft anbietet, in diese fortlaufend investiert und der die Flexibilität an die Hand gibt, um auch gewohnte Standards, wie Gerber/Bohrdaten/IPC 2581 etc., zu unterstützen. Dabei integriert sich dieses Toolset bei Bedarf reibungslos in die derzeitige Entwicklungsumgebung des Anwenders und bietet ihm die Möglichkeit, seine vorhandene Umgebung weiterhin zu verwenden beziehungsweise nur teilweise zu erweitern.

All diese Bausteine schaffen die Ausgangsbasis dafür, dass Produkte optimiert sind und somit in allen Nachfolgeprozessen für die gewünschte Qualität sorgen.

1 – 2 – 3: der revolutionäre Ansatz zur DFM-Analyse

  1. 1. Faktoren

Die Designcharakterisierung wird typischerweise früh in der Designphase getroffen, spätestens aber für die tatsächliche Beauftragung benötigt. Diese Charakterisierung deckt verschiedene Faktoren ab, beispielsweise IPC-Klassen, die Anzahl der Lagen beziehungweise den Lagenaufbau oder die Verwendung bestimmter Durchkontaktierungen.

Intelligentes DFM mit einem revolutionären 1-2-3-Ansatz.

Intelligentes DFM mit einem revolutionären 1-2-3-Ansatz. Mentor

  1. 2. Klassifizierung

Auf Basis der Klassifizierung erfolgt vollautomatisiert eine Zuordnung. Das heißt, dass alle individuell relevanten Designeigenschaften einer Designtechnologie zugeordnet werden. Typischerweise erfolgt eine inhaltlich aussagekräftige Namensgebung spezifisch anhand der vorhandenen Anforderungen. ODB++ liefert nicht nur den nötigen Informationsgehalt, sondern sorgt auch für die Flexibilität zu anderen nativen Formaten des Wettbewerbes.

Die Importfunktionalität umfasst folgende Möglichkeiten:

  • ODB++, EDA, Gencad, Fabmaster, IPC-2581
  • Gerber, Gerber 274X, Drill, Dxf, DPF
  • BOM/AVL in asci, XML oder Excel
  1. 3. Regelwerk

Der dritte und letzte Schritt leitet die entsprechenden Regeln ab. Dieser Schritt sollte vollautomatisch, reproduzierbar und auch dokumentierbar sein. Einzelne Werte werden nach Bedarf in den gewünschten Kategorien wie Test, Qualität etc. hinterlegt, um auf Basis dieser Werte schlussendlich zu messen.

Lötstellenverifizierung und alternative Hersteller

Das Regelwerk leitet auf Basis der Klassifizierung zusammen mit zusätzlichen Faktoren den gewünschten Grenzwert ab.

Das Regelwerk leitet auf Basis der Klassifizierung zusammen mit zusätzlichen Faktoren den gewünschten Grenzwert ab. Mentor

Abgesehen von den genannten Größen ist eine Verifikation der Zellen/Footprints auf Basis einer Relation zwischen diesen und der Manufacturing Part Number (MPN) hilfreich. Die Größenordnungen beziehungsweise Formgebungen einzelner Anschluss- oder Landeflächen bestimmen im Wesentlichen das Lötergebnis und insbesondere die Langlebigkeit der Lötstellen. Neben dieser Bestimmung ist die tatsächliche Größe des Bauteils und – mit Blick auf die gesamte Prozesskette – die Kompatibilität mit alternativen Herstellern eine der ersten möglichen Fehlerquellen.

Weiterhin ist zu beachten, dass die Definition der Bauteile, inklusive der Abhängigkeit für den entsprechenden Lötprozess, dem Datenblatt entsprechend möglichst aktuell sein muss. Dies stellt eine Datenbank sicher, die derzeit über 90 Millionen Part-Nummern umfasst und lokal sogar noch erweitert werden kann. Zudem existiert ein Service, der nach Beauftragung die gewünschten und individuellen Spezialbauteile generiert.

So früh wie möglich, so oft wie nötig

Die Valor Parts Library (VPL) beinhaltet exakte physikalische Modelle jeder Stücklistenkomponente .

Die Valor Parts Library (VPL) beinhaltet exakte physikalische Modelle jeder Stücklistenkomponente . Mentor

Ein Teil dieses Regelwerkes beziehungsweise die Verifizierung von Lötstellen und alternativer Hersteller ist bereits in der Layout-Phase hilfreich und bildet zusammen mit der Auswahl der Bauteile eine verlässliche Datenbasis, die oftmals parallel dazu festgelegt wird. Daraus entsteht die Notwendigkeit, dem Leiterplattenentwickler bereits in dieser Phase die relevanten Hinweise an die Hand zu geben.

Valor NPI, die Ergänzung zum Design Rule Check (DRC).

Valor NPI, die Ergänzung zum Design Rule Check (DRC). Mentor

Zum Beispiel ist unmittelbar nach dem Platzieren der Bauteile der ideale Zeitpunkt für eine vorläufige Montageanalyse, um unter anderem größere Komponenten zu erfassen, die zu nahe an einer internen Aussparung platziert sind. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Leiterplatte ohne nachträgliche Änderungen an der Platzierung geroutet werden kann. Zusätzlich gibt die Analyse aber auch Auskunft, wie sich diese Anpassungen, beispielsweise auf die Reparatur- oder Testnotwendigkeiten, als Endkonsequenz auswirken. Selbstverständlich erfolgt dies ebenso vollautomatisch und zu Zeitpunkten, die individuell bestimmt werden können.

Ziel ist es, abhängig von Ansprüchen und Toleranzfenstern, ein optimiertes Design zu liefern und dabei frühestmöglich die Variationen im Prozess und die individuellen Gegebenheiten zu berücksichtigen. Dies bedeutet gleichzeitig, nicht nur für klassische Verstöße sensibilisiert zu sein, sondern ganz besonders auch für alle Teilaspekte, die sich fortlaufend auf den Ertrag, die Kosten oder auch die Zuverlässigkeit auswirken.

Aus Mentor wird Siemens EDA

Seit Januar 2021 firmiert Mentor Graphics nun unter dem Namen Siemens EDA. Das Unternehmen wurde 2017 von Siemens übernommen und ist spezialisiert auf die Digitalisierung des Elektronikdesigns. Die Schwerpunkte des Electronic Design Automation (EDA)-Zweiges von Siemens sollen nun auf der Verifikation Digitaler Zwillinge und Validierungstechnologien liegen.

Unter dem neuen Namen „Siemens EDA“ integriert Siemens das Softwareportfolio für Electronic Design Automation (EDA) von Mentor Graphics/Valor mit Siemens-Technologie für Simulation, mechanisches Design, Fertigung, Cloud, Internet of Things (IoT) und Systemdesign. Das Ergebnis ist eine Produktpalette, die ganzheitlich interagieren oder als Teillösung in einer bestehenden Tool-Umgebung integriert werden kann. Die Durchgängigkeit in der Produktpalette bildet die Basis, um mehrere Digitalisierungsebenen und den Bedarf in der Prozesskette zu erfassen. Siemens EDA simuliert den digitalen Zwilling des Herstellungsprozesses sowie den des Gerätes. Letztendlich kommt es darauf an, diese Welten systemgestützt zu synchronisieren.