PCB-Design-Varianten: Verwaltung mehrerer PCBA-Versionen

Häufig benötigt ein PCB-Projekt eine Mischung aus Bauteilbestückungen, Teilenummern und Pasteneinstellungen – selbst bei identischem Layout und Schaltplanentwurf. PCB-Projektvarianten werden erstellt, um diese Einstellungen während Entwicklung und Produktion zu steuern. Damit liegt es in der Verantwortung des Designteams, den Überblick darüber zu behalten, was in jeder Variante enthalten ist und warum diese Variante erstellt wurde, ebenso wie über den Zweck der Bestückungsvariante.

In der Entwicklung besteht die häufigste Anforderung darin, die DNI-Einstellungen in der PCB-Bestückung zu steuern, was im Schaltplan und in der Stückliste vermerkt werden muss. Beim klassischen Ansatz für Varianten bedeutet dies, mehrere Bestückungspakete zu erstellen und Ausgaben manuell zu kennzeichnen, damit jede Variante gefertigt und bestückt werden kann. Dies war in der Vergangenheit ein zeitaufwendiger Prozess, der eine große Anzahl von Dateisätzen erzeugte, von denen jeder separat nachverfolgt und dokumentiert werden musste.

In diesem Artikel erfahren Sie, wie Sie Varianten einfach in Ihrer ECAD-Software verwalten und die enorme Anzahl an Dateien pro Projekt vermeiden können.

Was ändert sich in jeder PCB-Variante?

PCB-Varianten sind sehr nützlich, um kleine Unterschiede in PCB-Layout und Schaltplänen für ein einzelnes Projekt nachzuverfolgen. Sobald ein Schaltplanentwurf festgelegt und das PCB-Layout abgeschlossen ist, ändert der Entwickler verschiedene Aspekte des Designs, um eine Variante zu erstellen.

• Installationsstatus von Bauteilen (Bestückt oder Nicht bestückt)
• Alternative Teilenummern, die auf Bauteilebene zugewiesen sind
• Bauteilparameterwerte, wie Widerstand oder Kapazität
• Alternative Footprints für bestimmte Bauteile
• Lötpastenmasken-Einstellungen pro Bestückungskonfiguration
• Bestückung von Jumpern und 0-Ohm-Widerständen zur Steuerung der Hardwarekonfiguration

Sobald die Variante festgelegt ist, werden für jede Variante eigene PCB-Designausgaben erzeugt. Einzelne Varianten können bei Bedarf für separate Fertigungs- und Bestückungsaufträge verwendet werden.

Häufige Anwendungsfälle für Varianten

Die häufigsten Einsatzfälle für PCB-Designvarianten finden sich im frühen Prototyping und in der Serienproduktion. Kleinserienfertigung, wie etwa ein erster Produktionslauf, ist auf Varianten nicht so häufig angewiesen wie diese beiden Fälle.

Prototyping-Varianten

Während des Prototypings bieten PCB-Designvarianten Ingenieuren eine strukturierte Möglichkeit, mehrere Konfigurationen anhand eines einzigen Board-Builds zu testen. Konfigurationspins an ICs sind ein typisches Ziel: Anstatt Leiterbahnen zu trennen oder Widerstände provisorisch nachzurüsten, erstellt ein Entwickler separate Varianten, bei denen bestimmte Pull-up- oder Pull-down-Widerstände als DNI markiert sind. So wird ein Trial-and-Error-Testen von Konfigurationen auf organisierte und reproduzierbare Weise möglich.

Beim Prototyping wirkt sich die Verwendung von DNI-Kennzeichnungen in erster Linie auf die Informationen in der Stückliste aus, wo bestimmte Zeilen als „Bestückt“ oder „Nicht bestückt“ gekennzeichnet werden, um anzugeben, welche Teile DNI sind. Dies ist der einfachste Weg, um eine Stückliste einzurichten, sodass die Bestückungsanweisungen korrekt wiedergegeben und leicht lesbar sind.

Bestückte/nicht bestückte Bauteile können im Schaltplan visuell dargestellt und in die Stückliste für die PCB-Variante aufgenommen werden.

Produktionsvarianten

In der Serienproduktion werden PCB-Designvarianten am häufigsten verwendet, um alternative Teilenummern und alternative Footprints zu verwalten, anstatt DNI-Konfigurationen. Wenn ein bevorzugtes Bauteil nicht mehr verfügbar ist oder ein qualifizierter Ersatz ein leicht abweichendes Land-Pattern aufweist, ermöglicht die Definition einer Produktionsvariante dem Engineering-Team, die Ersetzung innerhalb der Designdatenbank zu formalisieren, anstatt informelle Abweichungsdokumente auszugeben. Diese Vorgehensweise sorgt dafür, dass alternative Konfigurationen nachvollziehbar bleiben, und stellt sicher, dass jeder Produktionslauf mit einer spezifischen, dokumentierten Variante mit eigenem Ausgabepaket verknüpft ist.

Diese Nutzung von Varianten schafft eine gewisse Flexibilität in der Produktion, um Störungen in der Lieferkette und Probleme bei der Qualitätskontrolle zu bewältigen. Häufig kommt es vor, dass während der Produktion ein bestimmtes Teil nicht mehr vorrätig ist oder ein Footprint geändert werden muss (zum Beispiel von LMC zu MMC bei passiven SMD-Bauteilen), um einen Bestückungsfehler zu beheben. Der Wechsel zu einer neuen Variante ermöglicht es, Änderungen schnell und ohne größere Anpassungen an den Designdateien umzusetzen.

In diesem Fall muss für jede Variante ein vollständig eigenes PCB-Design-Ausgabepaket für die Designdatenbank erzeugt werden. Das liegt daran, dass bei der Definition der Variante oft auch die Fertigungsdaten geändert werden, wie im Fall von Footprint-Änderungen. Auch andere Dokumentationsteile müssen möglicherweise angepasst werden, etwa Fertigungs- und Bestückungshinweise in Masterzeichnungen.

Die beste PCB-Designsoftware zur Verwaltung von Varianten

Das Variantenmanagement ist eine relativ neue Funktion, die in Altium Designer vollständig implementiert wurde, der beliebtesten und leistungsfähigsten PCB-Designsoftware-Plattform der Branche. Anwender können Designvarianten in jeder Phase des Produktlebenszyklus erstellen und bearbeiten. Durch die Nutzung des vorlagenbasierten Tools zur Ausgabegenerierung in OutJob-Dateien können Anwender sofort vollständige Fertigungsdateipakete für eine PCB-Designvariante erzeugen.

Einrichten von Varianten in Altium Designer

Die Varianteneinrichtung in Altium Designer wird über den Dialog „Variant Management“ verwaltet und erfordert nur wenige Schritte, um korrekt konfiguriert zu werden. Der Prozess folgt einer konsistenten Abfolge, unabhängig davon, ob die Variante für Prototyping oder Produktion vorgesehen ist.

• Öffnen Sie das Projekt und navigieren Sie zu Project > Variants, um auf den Dialog „Variant Management“ zuzugreifen.
• Erstellen Sie eine neue Variante und weisen Sie ihr einen eindeutigen, beschreibenden Namen zu, der ihren Zweck oder Konfigurationszustand widerspiegelt.
• Wählen Sie einzelne Bauteile aus und weisen Sie auf Bauteilebene den Installationsstatus (Bestückt oder Nicht bestückt), alternative Teilenummern oder alternative Footprints zu.
• Prüfen Sie, ob Schaltplan und Stückliste die korrekten Variantenparameter widerspiegeln, bevor Sie Ausgaben generieren.
• Verwenden Sie eine OutJob-Datei, um in einem einzigen Vorgang ein vollständiges, variantspezifisches Ausgabepaket einschließlich Gerber-Daten, Bestückungszeichnungen und Stückliste zu erzeugen.

Dieser Workflow hält alle Variantendefinitionen innerhalb der Projektdatei, anstatt sie über externe Tabellen oder Ordnerstrukturen zu verteilen, was den Dokumentationsaufwand bei der Verwaltung mehrerer Board-Konfigurationen über den Produktentwicklungszyklus hinweg erheblich reduziert.

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