Wie man ECAD-Bibliotheken für ein konsistentes PCB-Layoutdesign verwaltet

Nichts ist schmerzhafter, als alles richtig zu machen bei einem Hardware-Design, nur damit Ihre Platine wegen eines einzigen Footprints versagt. Ich habe das durchgemacht, also wiederholen Sie nicht meine Fehler. Lernen Sie, wie man ECAD-Bibliotheken für ein konsistentes PCB-Layout-Design verwaltet.

Wichtige Erkenntnisse

• Ein einziger nicht passender Footprint kann Wochen der Verzögerung, 20.000 $ an verlorener Produktion und eine Kundenbeziehung kosten. Selbst geringfügige Übersehenheiten können Vertrauen und Zeitpläne zerstören.
• Unordnung und fehlende Struktur in ECAD-Bibliotheken gehören zu den Hauptursachen für PCB-Ausfälle. Standardisierte Prozesse und Komponentendaten sind wesentlich.
• Eine starke Komponentenbeschreibung ist wertvoller als eine Teilenummer, weil sie die Rückverfolgbarkeit sicherstellt, den Ersatz vereinfacht und kostspielige Neugestaltungen verhindert, wenn Teile veraltet werden.
• Zuverlässiges PCB-Design hängt von fünf Säulen ab: Schaltungssymbole, Komponentendaten, Simulation, 3D-Modelle und Landmuster.
• Simulation, 3D-Kollisionsprüfungen und IPC-konforme Footprints verhindern nachgelagerte Fehler, die teuer oder nach der Fertigung unmöglich zu beheben sind.
• Ein diszipliniertes Bibliotheksverwaltungssystem verwandelt Chaos in Zuverlässigkeit. Prozesse verlangsamen Sie nicht. Fehler tun es.

Der 20.000 $ Footprint

Zu Beginn meiner freiberuflichen Karriere war ich schnell unterwegs, begierig darauf, mich einem neuen Kunden zu beweisen. Das Design war fertig, die Fertigung verlief reibungslos, und alle Teile waren auf Lager. Zwei Wochen später, als die Montage begann, erhielt ich eine E-Mail, die mir den Magen umdrehte: „Produktionsstopp – PCB-Komponente kann nicht in der Montage platziert werden.“

Ich war überzeugt, dass es sich um ein Problem mit der Teilenummer handeln musste. Ich überprüfte die Stückliste, das Schaltbild und das Layout der Platine. Alles sah gut aus. Bis es das nicht mehr tat.

Ein Footprint hatte die falsche Pinbelegung. Ich hatte ihn mitten im Design für einen Test ausgetauscht und vergessen, ihn wieder mit dem Schaltbild zu synchronisieren. Diese eine kleine Nachlässigkeit stoppte die Produktion.

Das Ergebnis? $332 verschwendet für fünf Testplatinen, eine sechswöchige Verzögerung und ein verlorener Produktionslauf von $20k. Das Vertrauen des Kunden – weg. Sie verpassten ihre Frist und wählten einen anderen Designer für die Layoutarbeit. Der Kollege, der mich empfohlen hatte, blieb höflich, aber ich bekam nie wieder ein Projekt von dieser Firma.

Es war brutal, aber auch die wichtigste Lektion meiner Karriere. Selbst die besten Ingenieure machen Fehler, wenn ihnen Struktur fehlt. Ich hatte keine Checkliste, keine Standardisierung, nur das, was in meinem Kopf war. Das musste sich ändern.

Hier ist das Kernprinzip, das ich gelernt habe:

Halte die minimal notwendigen Daten für jedes Teil in deiner Bibliothek bereit. Für Einkäufer ist das wichtigste Feld die Herstellerteilenummer (MPN). Aber für Designer ist es die Bauteilbeschreibung.

Warum? Weil MPNs nur beim Kauf von Teilen wichtig sind und sie schnell veralten. Ich habe auf die harte Tour gelernt, dass man nach nur wenigen Jahren den Zugang zu Teileinformationen, Lieferanten oder sogar dem Hersteller verlieren kann. Ohne eine Beschreibung muss man die alten Schaltpläne entschlüsseln, um herauszufinden, was das Teil war, oder schlimmer, diesen Abschnitt der Platine neu entwerfen.

Eine detaillierte Bauteilbeschreibung dient als Sicherheitsnetz. Sie fasst das Datenblatt zusammen, definiert Schlüsseleigenschaften und ermöglicht es dir, schnell äquivalente, aktive Teile bei verschiedenen Lieferanten zu finden. Deshalb speichern erfahrene Ingenieure immer Datenblätter, sogar für Kondensatoren. Sie wissen, dass Teile veralten werden und die Zeit, die für die Suche nach Ersatzteilen aufgewendet wird, verlorene Produktivität bedeutet.

Nein, es sollte nicht „normal“ sein, die Hälfte Ihrer Zeit mit der Suche nach Bauteilinformationen zu verbringen. Deshalb verlasse ich mich jetzt auf Werkzeuge zur Verwaltung von Stücklisten und einen standardisierten Prozess, um jedes Bauteil nachverfolgbar, austauschbar und produktionsbereit zu halten. Im nächsten Abschnitt werde ich dieses System durchgehen, dasjenige, das sicherstellte, dass ich nie wieder einen Kunden aufgrund von Unordnung verlor.

Man könnte denken: „Wir sind klein; ein Prozess wird uns verlangsamen.“ Das dachte ich auch. Aber wie meine Geschichte zeigt, kann selbst ein Ein-Personen-Team etwas übersehen, wenn man seinen eigenen Prozess nicht respektiert, was erst Wochen später während der Montage entdeckt wird.

Ein einziger Footprint kann den Zeitplan ruinieren. Wenn ein Bauteil nicht platziert werden kann, stoppt die Montage. Dann müssen Sie von Hand löten, was bei einer hochdichten Platine brutal ist.

Ich teile den internen Prozess, den ich in meinem Kopf hatte, damit Sie meine Fehler nicht wiederholen oder Ihren Kunden kosten. Man kann nicht warten, in einen Prozess „hineinzuwachsen“. Kleinere Teams haben weniger Puffer. Ein bisschen Strenge pro Bauteil spart Wochen an Arbeit, Zehntausende von Dollar und schützt zukünftige Verkäufe, den Cashflow und das Unternehmen.

Der Prozess bremst Sie nicht aus. Fehler tun es.

Was ist also die Quintessenz? Halten Sie eine detaillierte Komponentenbeschreibung aufrecht, damit das Teil weit in die Zukunft hinein neu erstellt werden kann, und überprüfen Sie Footprints doppelt oder sogar vierfach.

Warum können Teilebibliotheken ganze Produktstarts zum Scheitern bringen?

Die häufigsten Probleme bei Teilebibliotheken sind folgende:

MPN-Only Records (nur mit Herstellerteilenummer, ohne beschreibende Felder)

Was wirklich wehtut, ist, wenn ein Datensatz nur eine Herstellerteilenummer hat und nichts, um das Teil zu identifizieren.

MPNs werden obsolet, und nicht alle Hersteller führen Obsoleszenzdatensätze alter MPNs. Unternehmen werden auch übernommen, und die alten Aufzeichnungen gehen mit der Zeit verloren, besonders bei Produkten mit langer Lebensdauer wie in der Luft- und Raumfahrt. Wenn Sie nur eine Teilenummer haben, können die Informationen, die jahrelang online waren, heute plötzlich verschwinden.

Stücklisten mit nur einem Lieferanten, Lebenszyklus-Tote Winkel

Letzte Woche habe ich für einen Kunden eine Stückliste eingereicht. Layout- und Gerber-Prüfungen waren in Ordnung, aber Teile waren nicht auf Lager, einige waren unterbestückt (<1–2k Einheiten), und es gab keine Ersatzlieferanten. Bei älteren Designs hatten Ingenieure mehr als acht Quellen und Alternativen. Alles lief reibungslos.

Käufer müssen sich oft auf mehr als eine Quelle verlassen, was bedeutet, dass Ingenieure in der Stückliste (BOM) alternative Lieferantenoptionen angeben müssen. Andernfalls wird die Montage verzögert und der Designer muss zusätzliche Zeit damit verbringen, Distributoren-Websites zu durchsuchen, um Lagerbestände zu finden.

Das Rahmenwerk: Die 5 Säulen einer soliden Komponente

Nun, da klar ist, dass eine perfekte PCB-Bibliothek wesentlich ist, wie verhindern wir diese Probleme? Hier ist ein robustes Rahmenwerk, das in Hardware-Design und Produktion verwendet werden kann. Es gibt fünf Schlüsselelemente, die jedes Gerät/Komponente in Ihrer Teilebibliothek haben muss. Brennen Sie diese in Ihre Datenbank ein und überspringen Sie sie nie. Fügen Sie alles andere hinzu, was Sie möchten, aber schließen Sie immer diese ein.

In ECAD-Bibliotheken modellieren wir das digitale Äquivalent dieses physischen Geräts in unserer Designsoftware. Um das ordnungsgemäß zu tun, müssen wir zeigen:

Produkteigenschaften

• Informationen über das Teil: Verfügbarkeit, Preis, Mindestbestellmenge, Beschreibung und mehr.
• Elektrische Funktionalität: Simulationsmodelle (wie SPICE, IBIS usw.) zur Vorhersage des Verhaltens unter verschiedenen Bedingungen, bevor Geld für Bauten und Tests ausgegeben wird. Oft übersprungen in eiligen Zyklen, wenn Handberechnungen und Datenblätter ausreichend erscheinen.
• 3D-Modell: Eine 3D-Darstellung des Geräts, die Höhe, Größe und Form zeigt, was für die Platzierung der Leiterplatte in einem Gehäuse wichtig ist.
• PCB-Schnittstelle: Der Bereich auf der Leiterplatte, auf dem das Bauteil sitzt, der PCB-Fußabdruck, der dem realen physischen Teil entsprechen muss.

Säule 1 - Schaltsymbol

Ein Schaltsymbol ist die konzeptionelle Darstellung eines Bauteils. Es vermittelt, wie das Bauteil funktioniert, einschließlich Pins, Pin-Bezeichnungen und standardisierten Symbolkonventionen.

Die korrekte visuelle Darstellung ist wichtig, also verwenden Sie keine generischen Kästen. Verwenden Sie beispielsweise für einen Widerstand ein richtiges Widerstandssymbol, kein Kästchen.

Säule 2 - Bauteilinformationen

Dies ist der wichtigste Teil eines Geräts, weil es alles andere definiert. Ohne Bauteildaten können Sie es weder kaufen noch bauen. Jedes Bauteil benötigt die folgenden Informationen:

Komponentenbeschreibung

Dies identifiziert das Teil in Ihrer Datenbank und ist der schnellste Weg, eine breite Suchfähigkeit basierend auf Spezifikationen zu bieten. Die Verwendung nur der Herstellerteilenummer für die Komponentenbeschreibung ist nicht praktikabel, da sie keine Suche nach Spezifikation erlaubt. Eine Kurzbeschreibung mit einigen Schlüsselspezifikationen ist besser. Beispiel: Statt LTST-C193TBKT-5A verwenden Sie LED BLAU KLAR CHIP SMD.

Aber lassen Sie uns noch einen Schritt weitergehen. Hier ist meine Benennungskonvention:

Lange Form (kanonisch):

LED BLAU 470NM KLAR ANZEIGE DISKRET 2.8V 0603 (1608 METRISCH) SMD

Mittel (ERP-freundlich):

LED BLAU 470NM KLAR 2.8V 0603 (1608 METRISCH)

Ultra-kurz (Etikett/Posten):

LED BLAU 470NM 0603

Ich würde Option 2 wählen, die mittlere (ERP-freundliche) Version.

Komponentenbeschreibung

Eine Komponentenbeschreibung umfasst Funktion, Schlüsselparameter und Gehäusetyp. Eine „einfache LED“ ist nicht einfach nur einfach. Erfassen Sie diese Details, damit sie identifizierbar und nutzbar ist.

Genaue Bauteilbeschreibungen ermöglichen informierte Austausche. Für eine LED benötigen Sie Daten wie Vorwärtsspannung/-strom und Helligkeit (mcd-Bewertung). Ein Name wie „LED BLAU KLAR CHIP SMD“ funktioniert als Bauteilname, aber nicht als vollständige Beschreibung. Es hilft Ihnen nicht, ohne ein Datenblatt einen Ersatz zu finden.

Eine bessere Beschreibung wäre: „Blaue 470nm LED-Anzeige – Diskret 2,8V 0603 (1608 metrisch)“. Sie beinhaltet direkt die Vorwärtsspannung, Wellenlänge und Gehäusegröße, was genug Informationen bietet, um schnell über eine einfache Stichwortsuche ein ähnliches Bauteil zu finden.

Vergleichen Sie das mit einer schlechten Beschreibung wie „Blaue LED SMD“. Sie sagt Ihnen nichts über die Vorwärtsspannung, Leuchtkraft, genauen Footprint usw. Das zwingt Sie, das Datenblatt für diese MPN zu öffnen, die grundlegenden elektrischen Spezifikationen zu lokalisieren und diese mit den Ingenieuranforderungen oder dem Design im Schaltplan zu vergleichen. 30 Minuten für eine LED. Skalieren Sie das auf 40 Bauteile in einem 200 Zeilen umfassenden BOM, und die verschwendeten Stunden (und Kosten) sind offensichtlich.

Datenblatt

Das Einzige, was wertvoller als die Teilebeschreibung ist, ist das Datenblatt. Speichern Sie Datenblätter für jedes Teil, das Sie verwenden, da Hersteller häufig Links ändern. Bewahren Sie eine lokale Kopie auf und verknüpfen Sie diese mit dem Gerät, und speichern Sie auch den Webportal-Link als Teilfeld.

Denken Sie an die Hierarchie auf diese Weise:

• Komponentenname: oberste Ebene der Kurzbezeichnung, um das Teil zu finden.
• Detaillierte Beschreibung: eine Ebene tiefer; prägnante Abstraktion des Datenblatts.
• Datenblatt: Quelle der Wahrheit.

Der Zweck des Teilenamens besteht darin, Ihnen zu helfen, das zu finden, was Sie benötigen. Es kann ausreichen oder auch nicht, um Teile zu tauschen oder neu zu erstellen. Wenn die Beschreibung genügend Details enthält, um ein neues Teil zu finden, umso besser.

Herstellerteilenummer

Die Herstellerteilenummer ist obligatorisch, selbst wenn Sie eine Beschreibung für das Teil haben. Einige Hersteller verwenden ähnliche Teilenummern oder generische Teilenummernfamilien (z.B. Logik der 7400er-Serie, LM3xx-Serienkomponenten usw.), daher muss die Teilenummer genau sein, da sie einem spezifischen Gehäuse, Footprint und elektrischen Spezifikationen entspricht.

Herstellername

Um jegliche Verwirrung bei der Suche nach Teilen zu vermeiden, ist es wichtig, jederzeit den korrekten Herstellernamen zu haben. Dies ist auch hilfreich, wenn Sie planen, einige Teile direkt von der Website des Herstellers zu bestellen.

Lieferanten

Es ist eine gute Idee, mindestens einen Lieferanten aufzulisten. Die meisten Hersteller verkaufen über Franchise-Distributoren (z.B. Digi-Key, Mouser, Avnet, Newark). Verwenden Sie Octopart, um verfügbare Lieferanten und Lieferoptionen zu Ihrer Tür oder Montagestätte zu sehen.

Säule 3 - Simulation (Bei Bedarf)

Wenn Echtzeitleistung wichtig ist und Sie ein Design auf Anhieb richtig benötigen, bieten Schaltungs- und Layoutsimulationen einen guten Vergleich für Testergebnisse und helfen, einfache Probleme frühzeitig zu erkennen.

Was können wir also tun, um unsere Teile zu simulieren?

• SPICE-Modelle, für grundlegende Schaltungsoperationen, Fehleranalyse, insbesondere in der Leistungselektronik.
• IBIS-Modelle, für Hochgeschwindigkeitssimulationen und -analysen, um Impedanzprobleme im Voraus zu erkennen. Einsatz bei Anstiegszeiten und Platinenfrequenzen um 1 GHz und darüber. Praktisch obligatorisch für Hochgeschwindigkeits-Digitaltechnik (DDR, PCIe Gen 3/4/5, USB 3.2). Für alles nahe ~10 GT/s und höher, mit IBIS simulieren, um vor dem Testen zu validieren. Beachten Sie, dass die Ergebnisse je nach dielektrischem Material der PCB variieren können.

Säule 4 - 3D/MCAD-Modell

Viele Produkte haben enge Toleranzen in mechanischen Gehäusen, daher zählt jeder Millimeter in X, Y und Z. Durch die Verwendung der 3D-Kollisionsprüfung gegen das Gehäuse kann ein Interferenzproblem lokalisiert werden, bevor irgendwelche Prototypenbaugruppen erstellt werden.

Auch im Jahr 2021 war es nicht ungewöhnlich, nur mit Footprints zu arbeiten, aber wenn Sie in die Produktion gehen, schließen Sie 3D-Modelle ein und führen Sie Kollisionstests durch. Wenn das Teil nicht auf der PCB platziert werden kann, haben Sie kein Produkt. Das Teil existiert über die PCB hinaus. Typische 3D-Formate sind STEP (AP224, AP214 usw.). Sammeln Sie diese Modelle und halten Sie sie organisiert.

Säule 5 - Land Pattern auf der PCB

Wir müssen das Bauteil auf die Leiterplatte setzen. Das Landmuster definiert die Kupferpads, auf denen die Komponente gelötet wird. Es gibt das vom Hersteller empfohlene Landmuster und das realistische Landmuster, das von der Dichte des PCB-Layouts abhängt, wie in den IPC-Standards definiert. Optionen wie Mindest-, Nenn- und Höchstmaterialbedingungen in IPC-7351/7352 sollen den Abstand von Pin zu Pin gegenüber der Notwendigkeit, eine ausreichend große Lötfahne zu bilden, ausgleichen.

Angesichts seiner Bedeutung, hier ist, was ich immer bei Footprints überprüfe.

PCB-Footprint-Checkliste

• Pin-1-Polarität
• Reduzierung des Pastenauftrags in % angegeben (0% ist heutzutage Standard. Der Hersteller wird es ändern)
• Hof
• Pad-Abmessungen angegeben (erspart jedem Ingenieur, es jedes Mal manuell machen zu müssen)
• Begründung für Meist-/Nenn-/Mindestmaterial
• Sperrbereiche

Es gibt noch mehr zu überprüfen, aber dies sind die wichtigsten Punkte. Sie möchten nicht während des Layouts entdecken, dass ein Teil zu wenig Platz auf einer hochdichten PCB lässt. Sie müssen es ändern oder das richtige Footprint oder Teil sowieso finden. Machen Sie die Arbeit jetzt, oder machen Sie später die doppelte Arbeit.

Abschluss und eine starke Empfehlung

„Ein PCB-Design ist nur so gut wie seine CAD-Bibliothek.“ Das ist es, was ich von meinem Treffen mit Tom Hausherr während der Feiertage im Dezember 2021 in Erinnerung habe, als er Kriegsgeschichten von der Leitung der IPC-7351-Aktualisierungen teilte.

Die Botschaft war klar: Komponenten bestimmen den Erfolg eines PCBs. Jeder irreparable Fehler, den ich hatte, ließ sich auf eine Komponentenübersehen zurückführen. Mit den richtigen Teilen kann oft ein fehlerhafter Schaltkreis angepasst werden, aber nicht die Geräte selbst. Und nach der Fertigung ist die Suche nach einem footprint-kompatiblen Ersatz ein Glücksspiel, ganz zu schweigen von der verlorenen Zeit für das Entlöten und Nacharbeiten statt zu testen.

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