PCB-Designvarianten: 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, nachzuverfolgen, was in jeder Variante enthalten ist, warum diese Variante erstellt wurde und welchem Zweck die Bestückungsvariante dient.

In der Entwicklung besteht die häufigste Anforderung darin, die DNI-Einstellungen in der PCB-Bestückung zu kontrollieren; diese müssen im Schaltplan und in der BOM vermerkt werden. Im klassischen Ansatz des Variantenmanagements bedeutet dies, mehrere Bestückungspakete zu erstellen und Ausgaben manuell zu kennzeichnen, damit jede Variante gefertigt und bestückt werden kann. Historisch war dies ein zeitaufwendiger Prozess, der eine große Anzahl von Dateisätzen erzeugt, von denen jeder separat nachverfolgt und dokumentiert werden muss.

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

Was ändert sich in jeder PCB-Variante?

PCB-Varianten sind sehr nützlich, um kleine Unterschiede in PCB-Layout und Schaltplan eines einzelnen Projekts nachzuverfolgen. Sobald ein Schaltplanentwurf festgelegt und das PCB-Layout abgeschlossen ist, ändert der Designer verschiedene Aspekte des Designs, um eine Variante zu erstellen.

• Status der Bauteilbestückung (Bestückt oder Nicht bestückt)
• Alternative Teilenummern, die auf Bauteilebene zugewiesen sind
• Werte von Bauteilparametern, 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 eindeutige PCB-Designausgaben erzeugt. Einzelne Varianten können bei Bedarf für separate Fertigungs- und Bestückungsaufträge verwendet werden.

Häufige Anwendungsfälle für Varianten

Die häufigsten Fälle, in denen PCB-Designvarianten intensiv genutzt werden, sind frühes Prototyping und die Serienproduktion. Eine Fertigung mit niedriger Stückzahl, etwa ein erster Produktionslauf, ist weniger häufig auf Varianten angewiesen als diese beiden anderen Fälle.

Prototyping-Varianten

Während des Prototypings bieten PCB-Designvarianten Ingenieuren eine strukturierte Möglichkeit, mehrere Konfigurationen ausgehend von einem einzigen Board-Aufbau zu testen. Konfigurationspins an ICs sind dabei ein typisches Ziel: Anstatt Leiterbahnen zu trennen oder Widerstände provisorisch einzulöten, erstellt ein Designer separate Varianten, in denen bestimmte Pull-up- oder Pull-down-Widerstände als DNI markiert sind. So wird das Testen von Konfigurationen nach dem Trial-and-Error-Prinzip auf organisierte und reproduzierbare Weise ermöglicht.

Im Prototyping wirkt sich die Verwendung von DNI-Kennzeichnungen in erster Linie auf die Informationen in der BOM aus, in der bestimmte Positionen mit „Bestückt“ oder „Nicht bestückt“ gekennzeichnet werden, um anzugeben, welche Teile DNI sind. Dies ist der einfachste Weg, um eine BOM so einzurichten, dass die Bestückungsanweisungen korrekt wiedergegeben und leicht lesbar sind.

Bestückte/nicht bestückte Bauteile können im Schaltplan visuell dargestellt und in die BOM 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 besitzt, ermöglicht die Definition einer Produktionsvariante dem Engineering-Team, die Ersetzung innerhalb der Designdatenbank formal festzulegen, anstatt informelle Abweichungsdokumente auszustellen. Diese Vorgehensweise hält alternative Konfigurationen nachvollziehbar und stellt sicher, dass jeder Produktionslauf mit einer spezifischen, dokumentierten Variante mit eigenem Ausgabepaket verknüpft ist.

Diese Nutzung von Varianten ermöglicht eine gewisse Agilität während der Produktion, um auf Störungen in der Lieferkette und Probleme bei der Qualitätskontrolle zu reagieren. Häufig kommt es vor, dass während der Produktion ein bestimmtes Teil nicht mehr auf Lager ist oder ein Footprint geändert werden muss (zum Beispiel von LMC zu MMC bei SMD-Passivbauteilen), um einen Bestückungsfehler zu beseitigen. 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. Der Grund dafür ist, dass bei der Definition der Variante oft auch die Fertigungsdaten geändert werden, wie etwa bei Änderungen am Footprint. Auch andere Dokumentationsteile müssen möglicherweise angepasst werden, beispielsweise Fertigungs- und Bestückungshinweise in Masterzeichnungen.

Die beste PCB-Designsoftware zur Verwaltung von Varianten

Das Variantenmanagement ist eine vergleichsweise neue Funktion, die in Altium Designer vollständig implementiert wurde, der beliebtesten und leistungsfähigsten PCB-Designsoftwareplattform der Branche. Benutzer können Designvarianten in jeder Phase des Produktlebenszyklus erstellen und bearbeiten. Durch 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 Einrichtung von Varianten in Altium Designer wird über den Dialog „Variant Management“ gesteuert 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, aussagekräftigen Namen zu, der ihren Zweck oder Konfigurationszustand widerspiegelt.
• Wählen Sie einzelne Bauteile aus und weisen Sie ihnen auf Bauteilebene den Installationsstatus (Bestückt oder Nicht bestückt), alternative Teilenummern oder alternative Footprints zu.
• Vergewissern Sie sich, dass Schaltplan und BOM 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 der BOM zu erzeugen.

Dieser Workflow hält alle Variantendefinitionen innerhalb der Projektdatei, anstatt sie auf 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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