Verlagern Sie die Störungsprüfung in ECAD für einen effizienteren Ablauf

Die Entwicklung elektronischer Produkte umfasst mechanische und elektrische Baugruppen, die innerhalb eines begrenzten physikalischen Bauraums koexistieren müssen. Dass diese Passung stimmt, ist nicht optional: Ein Stecker, der über die Gehäusewand hinausragt, ein hoher Kondensator, der das Chassis berührt, oder eine Montagebohrung, die auf einer Leiterbahn landet, sind alles Probleme, die die Fertigung blockieren. Der traditionelle Ansatz zur Lösung dieser Probleme verlagert die Kollisionsprüfung nachgelagert in den Zuständigkeitsbereich des mechanischen Konstrukteurs, nachdem das PCB-Layout bereits abgeschlossen ist. In genau dieser Übergabesequenz sammelt sich Terminrisiko an.

Wenn das ECAD-Werkzeug keine Gehäusegeometrie oder präzisen 3D-Komponentenkörper importieren kann, hat der Elektronikentwickler praktisch keine Möglichkeit, Abstände zu überprüfen. Die Verantwortung für diese Verifikation liegt dann vollständig beim Mechanikteam, das die fertige Baugruppe erhält, Verstöße identifiziert und die notwendigen Korrekturen an den Elektronikentwickler zurückmeldet. Die andere Möglichkeit bei ECAD-Software mit unzureichender MCAD-Unterstützung besteht darin, mechanische Dateien aus der ECAD-Umgebung zu exportieren und diese anschließend wieder in MCAD zu importieren, um das PCB-Baugruppenmodell in der MCAD-Software zu rekonstruieren.

Jeder Durchlauf dieser Schleife kostet Zeit. In Projekten mit engen Zeitplänen oder Abhängigkeiten durch Concurrent Engineering können mehrere Iterationen des Hin und Her die Termine für Tape-out und Prototypenaufbau um Wochen verschieben.

Wie verkürzt man diesen Zeitplan? Sie benötigen eine Methodik, die Elektronikentwicklern die Möglichkeit gibt, Kollisionen zu prüfen, bevor das Design an die mechanischen Konstrukteure übergeben wird. Der Einsatz dieser Methodik kann die Zahl der Iterationen verringern, Zeit sparen und die Gesamtgenauigkeit Ihres Terminplans verbessern. Schauen wir uns an, wie diese Methodik funktioniert.

Dehnen Sie Ihren Zeitplan nicht durch späte Kollisionsprüfungen

Eine einzelne ECAD-zu-MCAD-Übergabe mit Kollisionsverstößen ist beherrschbar. Das Problem verschärft sich, wenn die Verstöße eine Neupositionierung von Bauteilen auslösen, wodurch das Routing ungültig wird, was eine erneute Überprüfung der Signalintegritätsvorgaben erfordert, was wiederum eine weitere Änderung von Stackup oder Footprint notwendig machen kann. Ein Stecker, der um 2 mm verschoben werden muss, um ein Gehäusemerkmal freizuhalten, kann eine Kaskade aus Neu-Routing differentieller Paare, Korrekturen beim Längenabgleich und aktualisierten Fertigungshinweisen auslösen. Keine dieser Arbeiten schafft zusätzlichen Designwert; sie behebt ein Problem, das bereits vor der ersten Übergabe vorhanden war, für den Layout-Ingenieur jedoch nicht sichtbar war.

Die Auswirkungen auf den Zeitplan lassen sich immer nur schwer aufholen, und niemand überarbeitet gern ein PCB-Layout nur, um mechanische Änderungen zu berücksichtigen, die eigentlich offensichtlich hätten sein sollen. Mechanische Konstrukteure, die parallel an Gehäusewerkzeugen oder Strukturanalysen arbeiten, können ihre Arbeit nicht abschließen, solange sie auf einen stabilen Leiterplattenumriss und ein verlässliches Komponenten-Höhenprofil warten. Jede Iteration, die mit einem ungelösten Kollisionsverstoß zurückkommt, hält das gesamte mechanische Programm auf.

Verlagern Sie die Verifikation nach vorn mit STEP-Integration

Die Methodik, die den Großteil dieser Iterationen eliminiert, ist einfach: Bringen Sie die 3D-Geometrie in die ECAD-Umgebung, bevor das Design das Elektronikteam verlässt. Dafür sind zwei Eingaben erforderlich. Die erste ist ein präziser 3D-Körper für jedes Bauteil, typischerweise eine STEP-Datei vom Bauteilhersteller oder ein Modell entsprechend dem veröffentlichten mechanischen Bauraum. Wenn diese Modelle als Komponenteneigenschaften im Bibliothekseintrag eingebettet werden, wird sichergestellt, dass die 3D-Darstellung zusammen mit dem Footprint durch das gesamte Design mitgeführt wird. Die zweite Eingabe ist ein STEP-Export des mechanischen Gehäuses aus dem Mechanikteam, der als 3D-Körper auf Leiterplattenebene in den PCB-Editor importiert wird.

Sind beide Eingaben vorhanden, kann der Elektronikentwickler innerhalb des ECAD-Werkzeugs eine Abstandsprüfung anhand definierter Regeln durchführen. Komponenten, die den Freiraum verletzen oder die Geometrie des Gehäuses physisch schneiden, werden in der 3D-Ansicht markiert. Der Entwickler behebt diese Verstöße durch Umpositionieren von Bauteilen, Anpassen des Leiterplattenumrisses oder Abstimmen einer Geometrieänderung mit dem Mechanikteam, bevor überhaupt eine formale Übergabe erfolgt. Wenn das Design schließlich das Mechanikteam erreicht, wurde die Kollisionsprüfung bereits gegen die tatsächliche Gehäusegeometrie durchgeführt, und die verbleibende Prüfung konzentriert sich auf die Bestätigung der Passung statt auf das Entdecken von Problemen.

Abbildung 1 - Workflow für den Dateiexport zur mechanischen Verifikation im Vergleich zur integrierten 3D-Kollisionsprüfung in ECAD.

3D-Abstandsregeln und Online-Prüfung in Altium Designer

Damit eine Kollisionsprüfung innerhalb von ECAD möglich ist, muss das Werkzeug die Geometrie von 3D-Körpern anhand von Abstandsregeln auswerten, nicht nur 2D-Courtyard-Konturen. Eine auf Courtyard basierende Prüfung erkennt Footprint-Überlappungen auf der Leiterplattenoberfläche, berücksichtigt jedoch weder Bauteilhöhen noch abgewinkelte Steckverbindergehäuse oder Gehäusemerkmale, die von der Abdeckung nach innen ragen. Reale Kollisionen sind ein dreidimensionales Problem.

Altium Designer unterstützt sowohl den Import als auch den Export von STEP-Modellen und -Dateien und ermöglicht damit die elektrische Kollisionsprüfung innerhalb des elektrischen Designs. Die Komponentenableitungsregel prüft, ob alle 3D-Körper und Modelle im Design den von Ihnen definierten Einschränkungen entsprechen.

Die Online-Design-Rule-Checking-Funktion in Altium Designer benachrichtigt Sie über Kollisionen und hebt die Kollisionsstelle grün hervor, wobei die verletzenden Primitive identifiziert werden. Es gibt außerdem eine Kennzeichnung, wenn ein bestimmtes STEP-Modell oder ein 3D-Körper den festgelegten Mindestabstand verletzt. Die bewerteten Primitive sind die STEP-Dateien der Komponenten und die STEP-Datei des mechanischen Gehäuses. Das folgende Bild zeigt, dass die Steckverbinder nicht korrekt in das Gehäuse passen und daher hervorgehoben werden.

Abbildung 2 - Kollisionen und Abstandsverletzungen grün hervorgehoben

Die praktischen Anforderungen für diese Funktion sind:

• STEP-Import für einzelne Komponenten, eingebettet als Komponenteneigenschaften in der Bibliothek
• STEP-Import für Gehäuse und mechanische Merkmale auf Leiterplattenebene
• Regelbasierte 3D-Abstandsprüfung mit konfigurierbaren Mindestabstandswerten
• Online-DRC, das den Verletzungsstatus während der interaktiven Platzierung aktualisiert

Wenn das ECAD-Werkzeug nicht alle vier Anforderungen erfüllt, muss die Kollisionsprüfung in MCAD verbleiben, und das Iterationsproblem bleibt bestehen. Der schlimmste Fall ist die Verifikation an einem Prototyp, denn dies schafft immer das Risiko eines Re-Spins der Leiterplatte, einer Neukonstruktion und eines Neuaufbaus des Gehäuses oder beidem.

Die nächste Abbildung zeigt das Ergebnis von Änderungen an der Positionierung der Steckverbinder, sodass die elektrische Baugruppe sicher in das Gehäuse passt.

Abbildung 3 - Das Fehlen jeglicher Hervorhebung bedeutet, dass die Baugruppe nun in das Gehäuse passt

Das Beheben von Kollisionen innerhalb von ECAD macht die MCAD-Prüfung nicht vollständig überflüssig. Mechanische Konstrukteure müssen weiterhin Strukturanalysen durchführen, Toleranzketten für die Gehäusemontage bestätigen, Eingriffslängen von Befestigungselementen validieren und thermische Pfade prüfen. Der Unterschied besteht darin, dass die erste Übergabe mit einem nachweislich guten Kollisionsstatus erfolgt. Das Mechanikteam ist nicht länger die erste Verteidigungslinie gegen Abstandsverletzungen; es prüft ein Design, das bereits gegen seine Geometrie verifiziert wurde.

Anstelle einer Übung zur Identifikation von Verstößen, die eine Korrekturliste erzeugt, kann MCAD eine Bestätigungsprüfung liefern, die entweder sauber bestanden wird oder Probleme aufdeckt, die speziell die Toleranzanalyse oder die Montageabfolge betreffen und damit echte Fragestellungen der Mechanikdomäne sind. Das ist eine effizientere Nutzung der Zeit des Mechanikteams und führt für beide Teams zu einem stabileren Übergabezustand.

MCAD CoDesigner: Vollständige mechanische Integration mit ECAD

Altiums MCAD-Co-Design wurde entwickelt, um die Lücke zwischen den Designbereichen ECAD (elektrisch) und MCAD (mechanisch) zu schließen und die Zeiten zu beenden, in denen PCB-Baugruppen den Maschinenbauingenieuren einfach „über die Mauer geworfen“ wurden. Es verbindet Altium-Projekte mit gängigen 3D-MCAD-Anwendungen, sodass multidisziplinäre Teams an kollaborativem Engineering teilnehmen können, während viele der manuellen Dateiaustauschprozesse entfallen, die normalerweise für Gehäusedesign, Constraint-Definition und Rückprüfung von Kollisionen erforderlich sind.

ECAD-MCAD-Zusammenarbeit ist der Prozess der Synchronisierung elektrischer und mechanischer Designdaten. Für Maschinenbauingenieure bedeutet dies weniger Überraschungen und weniger Nacharbeit. Anstatt sich auf exportierte STEP-, IDF-, IDX- und DXF-Dateien oder manuelle Aktualisierungen zu verlassen, ermöglicht es die direkte Zusammenarbeit mit nativer Geometrie innerhalb Ihrer mechanischen CAD-Software. Ein Elektroingenieur kann Designänderungen in die bevorzugte MCAD-Software übertragen, sodass mechanische Ingenieure über präzise Leiterplattenumrisse, Bauteilplatzierung und Kupfergeometrie verfügen. Dadurch kann jede Seite ohne Verzögerungen oder Missverständnisse mit den neuesten Änderungen arbeiten.

• Bidirektionale Synchronisierung: Ingenieure können PCB-Designs zwischen Altium Designer und gängiger MCAD-Software synchronisieren und so sicherstellen, dass beide Teams jederzeit mit derselben Version des Designs arbeiten, wodurch das Risiko von Fehlern und Nacharbeit sinkt.
• Erweiterte Unterstützung für Kupfergeometrie: Mechanische Ingenieure erhalten die klaren elektrotechnischen Daten, die sie für detaillierte mechanische Prüfungen oder FEA benötigen, mit Unterstützung für extrudiertes Kupfer und Via-Übertragungen für Kupfergeometrie und 3D-Maskenlagen.
• Effiziente Freigabe von CAD-Dateien: Entwickler verwenden ihre bevorzugten Werkzeuge, während die Integration des Altium-Workspace Daten- und Designübertragungen automatisch verwaltet, wodurch Entwicklungszeit verkürzt, Re-Spins minimiert und die Markteinführung beschleunigt werden.

So funktioniert der Push-Pull-Prozess

MCAD CoDesigner implementiert einen einfachen Push-Pull-Prozess. Aktualisierungen auf einer Seite können in Sekunden an einen Kollegen übertragen werden, wodurch eine Benachrichtigung im Co-Design-Panel des Mitarbeiters ausgelöst wird, und jede Seite kann Änderungen verfolgen, indem Kommentare zu jedem Push-Vorgang hinzugefügt werden. Dieser sofortige Austausch kritischer Daten erfolgt ohne manuelle IDF-/IDX-/STEP-/DXF-Dateiimporte und -exporte.

Die Push-Pull-Funktion macht ein Altium-Projekt innerhalb von Altium Designer für einen mechanischen Ingenieur zugänglich. Sobald das Design in eine MCAD-Anwendung importiert wurde, werden alle im MCAD-Werkzeug vorgenommenen Änderungen zurück auf die ECAD-Seite synchronisiert. Wenn sie zurück in Altium Designer übernommen werden, werden die PCB-Layoutdaten sofort aktualisiert, um Änderungen am Leiterplattenumriss und am Kupfer abzubilden.

Unterstützte MCAD-Anwendungen

PCB-Designs können in SolidWorks, Autodesk Inventor, Fusion 360 oder PTC Creo importiert werden und geben Ihnen alles an die Hand, was Sie für die Produktentwicklung in einem optimierten Workflow benötigen.

Weitere Details finden Sie unter:

• ECAD MCAD Integration for Product Design
• ECAD-MCAD Design Collaboration with MCAD Co-Design

Einen Überblick über die Funktionen von MCAD CoDesigner erhalten Sie im folgenden Video.

Fazit

Die Kollisionsprüfung im Elektronikdesign ist ein notwendiger und kritischer Bestandteil des Entwicklungsprozesses: Ganz einfach gesagt kann Ihr Produkt nicht gebaut werden, wenn die elektronische Baugruppe nicht in das Gehäuse passt. Ein Design zwischen Elektronik- und Mechanikentwicklern hin- und herzuschicken kostet Zeit und Geld. Die Überprüfung von Abständen innerhalb des elektrischen Designwerkzeugs ist eine deutlich bessere und effizientere Option.

Die Verlagerung der Prüfung auf elektrische Interferenzen an einen früheren Punkt im Design-Flow erfordert ein ECAD-Tool, das Komponenten- und Gehäuse-STEP-Dateien importieren sowie 3D-Regelprüfungen durchführen kann. Mit den integrierten 3D-Interferenzprüfungen in Altium Designer und dem Tool MCAD CoDesigner für die Zusammenarbeit mit Maschinenbauingenieuren ist in Altium Designer jeder Workflow möglich. Die einheitliche Umgebung von Altium Designer bietet Ihnen effizientere Wege, den Designprozess abzuschließen. Das Ergebnis ist eine kürzere Entwicklungszeit, die zu einer termingerechten Produkteinführung führt.

Ganz gleich, ob Sie zuverlässige Leistungselektronik oder fortschrittliche digitale Systeme entwickeln müssen – nutzen Sie Altiums vollständigen Satz an PCB-Designfunktionen und erstklassigen CAD-Tools. Altium bietet die weltweit führende Plattform für die Entwicklung elektronischer Produkte, komplett mit den besten PCB-Design-Tools der Branche und funktionsübergreifenden Kollaborationsfunktionen für fortschrittliche Entwicklungsteams. Kontaktieren Sie noch heute einen Experten bei Altium!