Zentralisierte Bauteilbibliotheken – Beste Praktiken für Hardware-Teams

Hier ist etwas, das mir niemand gesagt hat, bis ich vier Jahre in meiner freiberuflichen Karriere als Hardware-Ingenieur war: Die Teilebibliothek und deren gute Verwaltung sind der eigentliche Engpass im PCB-Design.

Es geht nicht so sehr um das Schaltungsdesign oder sogar das PCB-Layout. Es sind die Teile, ihre Verfügbarkeit und ihre Eignung.

Ich habe zusammen mit anderen Ingenieuren Stunden oder Tage damit verbracht, nach den richtigen Steckverbindern und Headern in einer Bibliothek zu suchen, weil wir nicht wussten, welche Version die richtige war.

Ich hatte Platinen, die wegen falscher Herstellerteilenummern, fehlendem Lagerbestand oder weil sie EOL (End of Life) waren, Wochen aufgehalten wurden. Ich habe auch Situationen in der Mitte von Angeboten erlebt, wo ein Chip im BOM-Management-Tool als NRND (Not Recommended for New Designs) oder EOL durchkam.

Diese Probleme nehmen selbst nach dem PCB-Layout noch viel Zeit in Anspruch. Leider, angesichts der Anzahl der Teile in jedem BOM, treten diese Situationen mit hoher Wahrscheinlichkeit auf; sie sind keine seltenen Ausnahmen.

In diesem Artikel werden wir die besten Praktiken für den Aufbau und die Pflege von zentralisierten Komponentenbibliotheken erkunden, damit Ihr Hardware-Team schneller vorankommen und Produktionsüberraschungen vermeiden kann.

Wichtige Erkenntnisse

• Schlecht verwaltete oder dezentralisierte Bauteilbibliotheken sind ein großes Hindernis im PCB-Design, das oft mehr Verzögerungen verursacht als die Arbeit an Schaltplänen oder Layouts.
• Wenn jeder Ingenieur Teile unterschiedlich verwaltet, führt das zu doppelten Bauteilen, inkonsistenten Footprints und fehlenden 3D-Modellen, was zu Fehlern und Zeitverlust während der Angebotserstellung und Produktion führt.
• Ein leistungsfähiges zentralisiertes System benötigt einen klaren Workflow zur Teileerstellung, standardisierte Symbole und Footprints, strenge Versionskontrolle und definierte Rollen für Überprüfung/Genehmigung.
• Effektive zentralisierte Bibliotheken umfassen Funktionen wie Teilevorschauen, Nutzungsnachverfolgung über Designs hinweg, Sichtbarkeit von Lebenszyklus/Status, updates im gesamten Ökosystem, Kommentare und die neuesten Lagerbestands- und Verfügbarkeitsprüfungen.
• Laufende Wartung sowie klare Zugriffs- und Berechtigungsregelungen stellen sicher, dass die Bibliothek genau bleibt, Alternativen unterstützt und Hardwareprojekte ohne last-minute Überraschungen in der Lieferkette vorantreibt.

Was passiert, wenn jeder sein eigenes Ding macht

Angenommen, Sie haben fünf Ingenieure. Jeder hat seine eigene Art, Teile zu verwalten. Ein Ingenieur macht alle Pins „passiv“, weil es schneller geht. Ein anderer verbringt zu viel Zeit damit, jedes Teil zu perfektionieren. Ein weiterer arbeitet einfach mit heruntergeladenen Bauteilbibliotheken wie sie sind, nach einigen schnellen visuellen Überprüfungen.

Spulen Sie zwei Jahre vor, über mehrere Designs hinweg. Sie enden mit:

• Der gleiche STM32-Mikrocontroller-Teilenummer, die unter vier verschiedenen Namen gespeichert wurde.
• Widerstands-Footprints mit unterschiedlichen Höfen und Pads (was für IPC-Dichtestufen wichtig ist).
• Teile ohne 3D-Modelle oder mit unterschiedlichen 3D-Modellen, sodass die Mechanikabteilung Freiräume nicht zuverlässig überprüfen kann.
• Chips, die auch in neuen Designs noch als veraltet angezeigt werden.

Oft findet man erst heraus, was fehlt, wenn man versucht, ein Angebot zu bekommen. Ein kleines Detail übersehen = man kann leicht einen vollen Arbeitstag verlieren.

Wie man das Problem mit den Whack-a-Mole-Teilen behebt (ohne verrückt zu werden)

Hier ist, was in der Praxis funktioniert. Es gibt sechs wichtige Schritte, um einen robusten, zentralisierten Komponenten-Workflow aufzubauen, der Fehler erkennt, bevor sie zu Verzögerungen, Neugestaltungen oder verlorenen Aufträgen führen.

• Für eine noch detailliertere Aufschlüsselung siehe einen speziellen Artikel über das ECAD-Bibliotheksmanagement, falls Ihr Team einen tieferen Einblick benötigt.

Schritt 1: Definieren Sie Ihren Komponentenerstellungs-Workflow

Jede Komponente, die Sie erstellen, benötigt:

• Schaltungssymbol
• PCB-Footprint
• Komponenteninformationen (detaillierte Komponentenbeschreibung, Hersteller, Herstellerteilenummer, Schlüsselspezifikationen wie Spannung und Strom, Datenblatt-Link oder -Datei, Simulationsmodelle usw.)
• Speicherort, auf den jeder zugreifen kann

Das ist Ihre Basis. Jedes Hardware-Design benötigt diese für jede Komponente.

Schritt 2: Erstellen Sie Schaltplansymbole auf universelle Weise

Für Schaltplansymbole:

• Verwenden Sie IEC/IEEE-Standard Symbole. Erfahrene Ingenieure können Ihre Schaltpläne schneller lesen. Wenn Sie das tatsächliche Pin-Layout zur Fehlersuche anzeigen müssen, erstellen Sie eine zweite Symbolversion.
• Legen Sie die Pin-Typen korrekt fest. Markieren Sie nicht alles als „passiv“. Verwenden Sie Eingang, Ausgang, bidirektional, Leistung nach Bedarf (siehe Datenblatt). Korrekte Pin-Typen helfen DRC, Probleme automatisch zu erkennen.
• Fügen Sie eine detaillierte Beschreibung hinzu. Schreiben Sie, was das Gerät tut und wo es verwendet wird, z.B. „STM32F4 ARM Cortex-M4, 168 MHz, verwendet für die Motorsteuerung in Produkten A, B, C.“ Ihr zukünftiges Ich wird es Ihnen danken.
• Beinhalten Sie eine firmeninterne Teilenummer. Dies ermöglicht es Ihnen, mehrere Herstellerteilenummern demselben internen Gerät zuzuordnen.
• Speichern Sie Symbole, wo jeder darauf zugreifen kann. Verwenden Sie ein Netzlaufwerk mit Versionskontrolle, Cloud-Speicher mit integrierter Versionierung oder Git/SVN.
• Verwenden Sie Symbol- und Footprint-Vorschauen, wenn möglich.Wählen Sie ein System oder PLM, das Ihnen eine Vorschau ohne Download ermöglicht, oder laden Sie Vorschaubilder von Symbolen, Footprints und 3D-Modellen hoch.

Schritt 3: Umgang mit Footprints ohne zu viel Nachdenken

Footprints sind einfacher als Symbole. Folgen Sie diesen Schritten:

• Benennen Sie sie nach IPC-7351. Das sorgt für konsistente, aussagekräftige Namen.
• Laden Sie ein Standard-Footprint-Starterpaket herunter. Besorgen Sie sich Ihre gängigen 0201, 0402, 0603, 0805, 1210, SOIC, SSOP und andere Standard-Footprints auf einmal von einer vertrauenswürdigen Quelle (z.B. Octopart). Das deckt die meisten Teile ab, die Sie verwenden werden.
• Für benutzerdefinierte Gerätemodelle, laden Sie bei Bedarf herunter. Für Steckverbinder, Induktoren und andere einzigartige Teile, laden Sie Footprints bei Bedarf herunter, testen Sie sie lokal und führen Sie sie dann durch Ihren Freigabeprozess in das zentrale Hub ein.
• Beinhalten Sie Landemuster für verschiedene Platinendichten. Das ist besonders wichtig für HDI-PCBs und um die Lötmethoden Ihrer Fertiger zu entsprechen.

Schritt 4: Versionskontrolle einrichten

In einer meiner früheren Positionen verwendete ein leitender Elektroingenieur nicht konsequent die Versionskontrolle. Einige Monate in ein Projekt hinein bemerkte der Technikdirektor, dass ein Widerstand von 3 kΩ auf 10 kΩ geändert wurde. Er hatte ein gedrucktes Schaltbild von der Woche davor, das den richtigen Wert zeigte.

Die wahrscheinliche Ursache: Eine alternative Schaltungslösung wurde in das neue Design kopiert und der Widerstandswert wurde nie zurückgeändert.

Ich habe ähnliche Fehler bei der Auslegung von Kabelbäumen gemacht. Der richtige Schaltkreis, aber zwei Kabelbezeichnungen waren falsch. In diesem Fall kann ein in SVN gesichertes Schaltbild verwendet werden, um alles in Minuten auf die richtigen Versionen zurückzusetzen.

Ob Sie Git, SVN, PLM oder eine Cloud-Lösung verwenden, Sie benötigen digitale Versionskontrolle und einen nachverfolgbaren Genehmigungsprozess, der mit Ihrer Designsoftware verbunden ist. Visuelle Notizen allein sind nicht ausreichend.

Schritt 5: Der Genehmigungsprozess

Ein Teil kann in der Produktion oder im Prototyp nicht verwendet werden, bevor es freigegeben wurde. Hier also ein einfacher Genehmigungsablauf:

1. Komponentenentwurf
    
   • Sie erstellen das Teil. Es funktioniert funktional, ist aber nicht genehmigt.
   • Kennzeichne es als Entwurf 01, Entwurf 02, usw.
      
2. Komponentenprüfung
    
   • Jemand überprüft das Footprint gegen das Datenblatt.
   • Jemand verifiziert die Teilenummer.
   • Jemand prüft, ob das 3D-Modell in das Gehäuse passt.
   • Probleme werden notiert und behoben.
      
3. Komponente freigegeben
    
   • Nach bestandener Prüfung wird es zur Revision A.
   • Jetzt kann es von jedem verwendet werden. Es ist offiziell.

Wenn du eine freigegebene Komponente ändern musst, versetze sie zurück in einen Entwurf (z.B. A1), überprüfe sie erneut, dann gib sie als Revision B frei.

Beispiel für Versionsnummerierung:

• Entwurf 01, Entwurf 02, Entwurf 03…
• Genehmigt → Freigegeben = Revision A
• Nächster Änderungszyklus → Entwurf → Überprüfung → Revision B

Regel: Hinterlasse immer einen klaren Kommentar, der die Schlüsseländerung erklärt, die du vorgenommen hast. Nicht nur „Teil aktualisiert“, sondern „Pin 7 Typ von nicht spezifiziert auf Strom geändert, weil DRC auf Blatt 4 fehlschlug.“ In sechs Monaten wird sich jemand fragen, warum du es geändert hast und könnte es rückgängig machen. Kommentare verhindern das.

Schritt 6: Wer überprüft und genehmigt was

Ein standardisierter Genehmigungsprozess macht alles schneller und zuverlässiger.

Klare Zuständigkeiten zuweisen:

• Ein leitender Ingenieur genehmigt alle analogen Bauteile.
• Ein anderer genehmigt digitale Bauteile.
• Ein Maschinenbauingenieur überprüft 3D-Modelle und Freiräume.
• Ein Direktor oder Leiter erteilt die endgültige Genehmigung.

Tragen Sie den Namen des Verantwortlichen in die Bauteilinformationen ein. Wenn jemand eine Frage zu einem STM32 hat, weiß er genau, wen er fragen muss.

In Unternehmen mit Zehntausenden von Komponenten ist es üblich, einen erheblichen Teil des Bibliotheksmanagements einem Ingenieur zu übertragen und bei Bedarf weitere Personen hinzuzufügen. PCB-Designer können sich dann auf das Layout konzentrieren, Elektronikingenieure auf Schaltungen und Hardware-Ingenieure auf die Systemintegration.

Wenn Ihr Unternehmen wächst, können Sie sogar eine Vollzeit-"Bibliotheksperson" haben. Alles läuft über sie, was die Bibliothek konsistenter und vorhersehbarer macht.

Wo alles speichern

Sie benötigen einen Ort, um alle Komponentenmodelle (PCB-Fußabdrücke, Schaltplansymbole, 3D-Modelle usw.) zu speichern. Nicht verstreut auf lokalen Laptops und zufälligen Ordnern.

Ein gängige Strategie: Ingenieure arbeiten mit einer lokalen Kopie der Komponentenbibliothek, modifizieren sie, überprüfen Teile in echten Designs und schieben dann aktualisierte Komponenten mit Versionskontrolle zurück ins zentrale Repository. Direkt von einem Netzlaufwerk aus zu arbeiten ist möglich, kann aber ECAD-Leistungsprobleme verursachen.

Welche Kernfähigkeiten sollte ein zentralisiertes Komponentensystem beinhalten?

Streben Sie nach den folgenden Funktionalitäten:

• Teilevorschau ohne Download. Riesige Zeitersparnis beim Überprüfen von Komponenten.
• Verfolgen Sie alle Designs, in denen ein Teil verwendet wird. Sie müssen wissen, wo eine Komponente in allen Produkten verwendet wird.
• Komponentenstatusverfolgung: veraltet, nicht auf Lager, geringer Lagerbestand, NRND (Not Recommended for New Designs). Dies vor Produktionsangeboten zu haben, spart Wochen des Hin und Hers.
• Fähigkeit, eine Komponente im gesamten Ökosystem zu aktualisieren. Wenn Sie den Footprint eines Widerstands aktualisieren, sollte diese Änderung in alle relevanten Designs propagiert oder leicht übernommen werden können.
• Kommentare und Notizen zu Teilen. Zum Beispiel: „Dieser Chip wird heiß, fügen Sie einen Kühlkörper hinzu (siehe Datenblatt Seite 47),“ oder „Verwenden Sie diesen Footprint nur mit FR4.“
• Die neuesten Lagerbestandsprüfungen. Verbinden Sie sich mit Distributoren-APIs oder BOM-Tools, um die Verfügbarkeit vor der Verwendung von Teilen zu sehen.

Wenn Ihr zentralisierter Ablauf dies nicht unterstützt, werden Sie mehr Zeit mit der „Betreuung“ von Teilen verbringen als mit dem Entwerfen von Platinen.

Ihr neuer Workflow für jedes Teil

Hier ist ein geeigneter Workflow, um jedes neue Teil in Ihre zentralisierte Bibliothek aufzunehmen:

1. Finden Sie das Teil und überprüfen Sie Lieferanten, Preise, Verfügbarkeit und CAD-Modelle.
2. Überprüfen Sie, ob das Teil in Produktion ist oder veraltet. Verwenden Sie keine veralteten Teile. Suchen Sie bei Bedarf nach empfohlenen Alternativen.
3. Überprüfen Sie das Gehäuse und den PCB-Footprint. Stellen Sie sicher, dass das Gehäuse und der Footprint in Größe und Stil übereinstimmen.
4. Besorgen Sie sich ein 3D-Modell. Wenn es in Ihrer Hauptquelle nicht verfügbar ist, überprüfen Sie die Website des Herstellers oder spezielle 3D-Modellbibliotheken.
5. Überprüfen Sie Lagerbestand und Verfügbarkeitshistorie. Wenn das Teil oft nicht auf Lager ist, wählen Sie ein anderes Teil.
6. Finden Sie alternative Teile. Besonders für ICs. Fügen Sie jetzt vernünftige Alternativen hinzu, nicht erst, wenn Ihr Hauptteil 12 Wochen Lieferzeit hat.
7. Konsolidieren Sie Distributoren. Bevorzugen Sie Teile, die von mehreren Lieferanten mit vernünftigen Mindestbestellmengen angeboten werden.
8. Laden Sie das Datenblatt der Komponente herunter. Speichern Sie es lokal auf den Firmenservern, da URLs sich ändern.
9. Speichern Sie das Komponentenmodell und die Informationen in Ihrer gemeinsamen Bibliothek mit Versionskontrolle.
10. Fügen Sie einen kurzen Kommentar hinzu, warum Sie das Teil eingerichtet oder geändert haben. Dann übertragen Sie die Änderungen.

Wenn Sie dies konsequent tun, vermeiden Sie viele unangenehme Überraschungen später.

Alternative Teile sind wichtiger, als Sie denken

Für alternative Teile:

• Liste alternativer Teilenummern in Ihren Teileinformationen auf.
• Notieren Sie alle Schaltungsänderungen (unterschiedliche Pinbelegungen, Spezifikationen oder Toleranzen).
• Testen Sie, wenn möglich, beide Teile, bevor Sie das Design freigeben.

Wenn Sie wirklich keine Alternative finden können, weil das Teil einzigartig geeignet ist:

• Stellen Sie sicher, dass es weit verbreitet verfügbar ist.
• Bevorzugen Sie einen stabilen Hersteller.
• Stellen Sie sicher, dass mehrere Distributoren es führen.
• Seien Sie explizit, dass es ein Risiko gibt, und dokumentieren Sie es.

Wenn möglich, erwägen Sie auch alternative Schaltungsentwürfe, die dieselbe Funktion mit anderen Teilen erreichen. Dies wird Teil Ihrer Bibliothek für Designwiederverwendung.

Wartung der Bauteilbibliothek

Ein praktischer Aktualisierungsrhythmus:

• Wöchentlich: Fügen Sie neue Teile hinzu, wie sie von den Teams benötigt werden (unter Verwendung des oben beschriebenen Workflows).
• Monatlich: Aktualisieren Sie ältere Bibliotheken. Überprüfen Sie auf veraltete Teile und entscheiden Sie, wie damit umgegangen werden soll.
• Alle sechs Monate: Nach erfolgreichen Produkteinführungen, fügen Sie Teile hinzu, die besser als die ursprünglichen Auswahlmöglichkeiten funktioniert haben.
• Jährlich: Aktualisieren Sie alle Komponenten, insbesondere ICs, um Änderungen bei Herstellern, Übernahmen und Obsoleszenz zu erfassen.

Während der Aktualisierungen fragen Sie:

• Sind die Teile noch in Produktion?
• Sind die Teile bei Distributoren auf Lager?
• Gibt es neuere oder verbesserte Versionen?
• Müssen irgendwelche Teile Alternativen hinzugefügt bekommen?
• Gibt es jetzt bessere oder günstigere Optionen?

Wenn Sie ein Teil verwenden, das vor zwei Jahren veraltet ist und Sie dies erst bei der Bestellung feststellen, könnten Sie vor Neugestaltungen stehen oder das Risiko eingehen, von fragwürdigen Anbietern zu kaufen.

Die Verbindung Ihrer zentralisierten Bibliothek mit Datenbanken von Distributoren oder Verfügbarkeitsdatenbanken ermöglicht es Ihnen zu sehen, wann Teile knapp werden, bevor Sie sich festlegen, sie zu verwenden. Die Realitäten der Lieferkette bestimmen die Hardware-Zeitpläne.

Zugriff und Berechtigungen

Sobald Sie ein solides System für Komponentenbibliotheken haben, definieren Sie den Zugriff:

• Alle relevanten Elektro- und Elektronikingenieure benötigen Zugriff, um Teile anzusehen und herunterzuladen.
• Bestimmte Maschinenbauingenieure benötigen Zugriff auf 3D-Modelle und Footprints, um die Passform in Gehäusen zu überprüfen.
• Werkzeuge zur Zusammenarbeit zwischen ECAD und MCAD machen dies noch wichtiger, idealerweise mit gemeinsamen Komponentenabmessungen und Gehäuseinformationen.

Ein typisches Berechtigungsmodell:

• Jeder Genehmigte kann Teile ansehen und herunterladen.
• Ingenieure können Entwurfsteile erstellen.
• Bestimmte Prüfer genehmigen Teile.
• Leiter/Direktoren geben Teile frei.

Wenn Sie ein kleines Team sind, kann dies alles auf ein oder zwei Ingenieure fallen, aber streben Sie so schnell wie möglich eine Überprüfung durch mehrere Personen an.

Häufig gestellte Fragen

Sollten Maschinenbau, Firmware und Elektrotechnik alle dieselbe Datenbank teilen?

Ja. Wenn sie am selben Produkt arbeiten, benötigen sie dieselben Informationen, besonders bei stärker integrierten ECAD–MCAD Arbeitsabläufen.

Wie verhindern wir, dass Menschen versehentlich freigegebene Teile ändern?

Verwenden Sie angemessene Berechtigungen, Versionskontrolle und Genehmigungsworkflows. Viele zentralisierte Systeme können freigegebene Dateien sperren. Wenn Ihres das nicht kann, setzen Sie Dateiberechtigungen auf Ihrem Server durch.

Was ist der richtige Zeitplan für Bibliotheksaktualisierungen?

Fügen Sie wöchentlich neue Teile hinzu, führen Sie monatlich umfangreiche Aktualisierungen durch, machen Sie nach jedem Projekt alle sechs Monate Aktualisierungen und führen Sie jährlich eine vollständige Aktualisierung durch. Sie zahlen entweder jetzt den Preis oder später mehr.

Unser Auftragnehmer will unsere Bibliothek nicht verwenden. Was tun wir?

Verstehen Sie ihre Gründe, aber arbeiten Sie idealerweise mit Auftragnehmern zusammen, die bereit sind, Ihre Bibliothek zu nutzen oder ihre in Ihr Ökosystem zu integrieren.

Wie gehen wir mit Teilen um, die nur von einem Hersteller erhältlich sind?

Dokumentieren Sie es als Risiko. Wenn möglich, erstellen Sie ein Backup-Schaltungsdesign und überwachen Sie den Bestand genau.

Fazit

Tom Hausherr hat mir einmal in einem Meeting gesagt: „Ein PCB-Layout ist nur so gut wie seine Komponentenbibliothek.“ Sobald Sie eine zentralisierte Bibliothek eingerichtet haben, werden Sie sich fragen, wie Sie jemals ohne sie gearbeitet haben.

Mit einem soliden System können Sie Ihre PCB-Komponenten verwalten, aktuelle Lieferketten-Daten erhalten und auf Millionen von sofort einsatzbereiten Teilen zugreifen, alles in einer sicheren PCB-Komponentenbibliothek.Wenn Sie diese bewährten Methoden umsetzen möchten, erleben Sie, wie dies in der Praxis mit Altium Develop aussieht.