Was ist PCB-Datenmanagement?

Für ein erfolgreiches Design und die Herstellung eines PCB muss man Daten verwalten. Jedes PCB-Projekt enthält jede Menge Daten zu Bauteilen, Front-End-Schaltplänen, dem physikalischen Layout sowie Fertigungsdateien. Möglicherweise ist weitere Dokumentation erforderlich, die nicht in Ihrer PCB-Designsoftware enthalten ist. Das alles muss vom Designer nachverfolgt und verwaltet werden, da die Arbeit mit unvollständigen oder veralteten Daten zu einem Design führt, das nicht wie gewünscht funktioniert.

PCB-Datenmanagement umfasst Anforderungen und Designinformationen in mehreren Bereichen. Zunächst gibt es funktionale Anforderungen an das Endprodukt, seine Spezifikationen und Toleranzen sowie seine Betriebsumgebung. Dann gibt es Daten, die jeder Komponente in verschiedener Form zugeordnet sind (Datenblätter, die elektronisch in einer Designwerkzeug-Bibliothek gespeichert sind, usw.). Dann gibt es Daten für die Leiterplatte selbst, ihre Materialeigenschaften, ihr physikalisches Layout und ihre Produktionsanforderungen. Letztendlich beginnen Designs nicht immer von Grund auf neu, sondern erfordern möglicherweise die Wiederverwendung von Teilen früherer erfolgreicher Designs als Ausgangspunkt.

Die kritischen Fragen für den Designer sind:

• Habe ich alle Daten, die ich brauche?
• Sind meine Konstruktionsdaten korrekt und aktuell?
• Hat jemand Änderungen vorgenommen, von denen ich noch nichts weiß?

Dieser Artikel soll PCB-Designern bei der Beantwortung dieser Fragen helfen und aufzeigen, wie moderne Werkzeuge die Abläufe der Datenverwaltung für professionelle Designfirmen und Originalhersteller (OEMs) verändern können.

Was ist PCB-Datenmanagement?

PCB-Datenmanagement bedeutet im weitesten Sinne die Erfassung, Speicherung, Überprüfung, Verwendung, Verteilung und Pflege derjenigen Daten, die beim Entwurf, der Herstellung und der Bestückung einer Leiterplatte verwendet werden. Während des gesamten Verlaufs eines PCB-Designprojekts werden Daten erstellt und erfasst, darunter:

• Bei der Generierung von Projekt- und Geräteanforderungen, Leistungsbeschreibungen (Statement of Work, SOW) 
• Im Front-End-Engineering, wenn ein Vorentwurf erstellt und Komponentendaten gesammelt werden
• Während des physikalischen Designs, bei dem mechanische und elektrische Designs in einer CAD-Software erstellt werden
• Sobald Designs an die Fertigung übergehen, wo die endgültigen Designdaten für die Produktion vorbereitet werden

Designentscheidungen in einem Aspekt des Designs erzwingen Änderungen an anderen Elementen, wie zum Beispiel eine Änderung an der Gehäuseform, was bedeutet, dass eine PCB-Komponente plötzlich zu groß ist, um hineinzupassen. Änderungen an der Betriebsumgebung bedeuten, dass das Design mit unterschiedlichen Umgebungstemperaturen oder höheren Vibrationswerten zurechtkommen muss. Das Design eines Bereichs der Steuerlogik kann zur Folge haben, dass das Design für die Stromversorgung Energie innerhalb unterschiedlicher Toleranzen bereitstellen muss. Die Liste der möglichen Änderungen ist endlos. Es ist zwingend erforderlich, über Abläufe zur Datenverwaltung zu verfügen, um auf Änderungen reagieren zu können.

Diese Probleme nehmen zu, wenn an einem neuen Produkt gemeinsam gearbeitet wird, sei es auf PCB-Ebene oder beim mechanischen Design. Zum Beispiel müssen feste Abläufe sicherstellen, dass jeder im Designteam weiß, wenn sich eine Spezifikation ändert oder wenn eine Komponente durch eine mit anderen physikalischen oder elektrischen Eigenschaften ausgetauscht wurde. Aufgezeichnete Änderungen und neue Informationen, die auf alle Daten angewendet werden, sind dann für alle Mitglieder eines Designteams sichtbar, wenn die Daten in einem gemeinsam genutzten System zusammenfließen, so dass sie von allen Projektbeteiligten eingesehen und abgerufen werden können.

Lassen Sie uns diese Definition noch ein bisschen aufschlüsseln. Bevor wir über die Datenverwaltung selbst sprechen können, sollten wir uns ansehen, was, wie und wo wir diese Informationen erfassen wollen. Sobald Sie eine Weile in der PCB-Branche gearbeitet haben, beginnen Sie zu erkennen, dass ein Großteil des PCB-Designs ein bisschen wie das Ausstechen von Plätzchen ist. Der Ausgangspunkt der meisten PCB-Designs sind entweder dieselben oder sehr ähnliche Informationen und die Quellen sind oft universell - wie eine Eichel, die zur mächtigen Eiche heranwächst, wenn sie in fruchtbaren Boden gepflanzt wird. Auch die ersten Startinformationen sind entscheidend für den Erfolg des Gesamtprojekts. Ich möchte hinzufügen, dass auch Ihr Design höchstwahrscheinlich nicht korrekt wird, wenn die Startinformationen für das PCB-Projekt schon nicht korrekt waren. Es ist äußerst wichtig sicherzustellen, dass Sie sich an dieser Stelle auf die Qualität der Informationen und nicht auf die Quantität konzentrieren.

Erstellung und Erfassung von Daten

Die Daten werden von allen Projektbeteiligten erstellt und zusammengestellt, darunter das PCB-Designteam, der Produkthersteller, externe Auftragnehmer und der Endkunde. Zu diesen Daten zählen unter anderem:

• Technische Frontend-Dokumentation, einschließlich Kundenanforderungen und SOWs
• Grundlegende Designdaten, einschließlich der Schaltpläne und Informationen zum PCB-Layout
• Beliebige Komponentenmodelle, die mechanische Teile wie Steckverbinder enthalten können
• Datenblätter und alle anderen Spezifikationen zu Komponenten, die vom Anbieter zur Verfügung gestellt werden
• CAD-Daten für das Gehäuse sowie Informationen zum Material und zur Bestückung
• Fertigungsdaten und Designergebnisse, wie zum Beispiel Zeichnungen für die Fertigung/Bestückung und Daten für die Werkzeugbereitstellung
• Code für eingebettete Firmware/Software

All diese Daten müssen nachverfolgt werden, und nicht alle werden vom PCB-Designteam erstellt. Das Problem ist, dass sich die Daten während des gesamten Entwicklungsprozesses ändern können. Kunden ändern ihre Anforderungen, und das Verständnis des Designteams für die Anforderungen kann sich mit der Auflösung von Unklarheiten und der Infragestellung von Annahmen ändern.

Diese Datenverwaltung wird sogar noch schwieriger, wenn man bedenkt, dass nicht alle Daten statisch sind. Während beispielsweise die Toleranzen und Spezifikationen von Komponenten in der Regel in Stein gemeißelt sind, können sich dynamische Daten wie Komponentenpreise und Lieferzeiten täglich ändern. Daher implementieren viele Unternehmen ein zentralisiertes PLM/ERP-System, das in ihre Inventar- und Lieferkettensysteme integriert ist. Diese Systeme sind im Wesentlichen Dateispeicher- und Freigabesysteme, jedoch mit integrierten Hierarchie- und Kategorisierungsfunktionen, so dass Änderungen und neue Daten auf Projektebene, Dateiebene oder Komponentenebene nachverfolgt und verwaltet werden können.

CAD-Modelle und Datenblätter für Komponenten

Komponenten-Datenblätter sind die wichtigsten Dokumente, die beschafft und überprüft werden müssen, bevor Sie diese verwenden können. Sie sind die wichtigsten Dokumente für alles im weiteren Verlauf und deshalb sind sie ein kritisches Element. Sie müssen also korrekt sein. Ich habe zu viele Fälle gesehen, in denen ein Design vollständig unter der Annahme erstellt wurde, dass das Datenblatt korrekt ist, doch später tauchten Probleme auf, weil diese Annahme nicht überprüft wurde. Die Ergebnisse waren katastrophal. „Vertrauen ist gut, Kontrolle ist besser” sollte das Mantra eines jeden PCB-Designers sein. Je nachdem, wo ein CAD-Modell beschafft wurde oder was im Datenblatt aufgeführt ist, kann auch der Footprint falsch sein. Dies sollte überprüft werden, was historisch gesehen eine der Aufgaben eines PCB-Bibliothekars war.

Bei Bauteil- und PCB-Spezifikationen werden Datenblätter in der Regel vom Hersteller bezogen und vertrauensvoll übernommen. Normalerweise gibt es keine Ankündigungen, wenn Datenblätter überarbeitet wurden. Daher ist das Design-Team in erster Linie dafür verantwortlich zu überprüfen, ob es die neueste Version verwendet und keine Benachrichtigungen über Fehler in der öffentlichen Domain vorhanden sind. Oft geht es dabei um technische Erfahrung und die Auswahl von Komponenten von vertrauenswürdigen Herstellern, die nachweislich korrekte Daten liefern. Für Teile, die von mehreren Anbietern erhältlich sind, ist ein guter Tipp, die Datenblätter der Anbieter zu vergleichen und die Unterschiede zu untersuchen. Darüber hinaus können Anbieter mit einer Historie von Datenblattfehlern den Status „vertrauenswürdig“ verlieren, sodass jedes Mal, wenn ihre Produkte verwendet werden, zusätzliche Überprüfungen angestellt werden.

Wie ermitteln wir also die Genauigkeit eines Datenblatts? Eine großartige Technik besteht darin, mehrere Quellen zu verwenden, um Informationen zu überprüfen. Verlassen Sie sich nicht ausschließlich auf die Quelle eines einzelnen Teileanbieters und dessen Datenblatt. Schauen Sie sich verschiedene Quellen und Anbieter für Komponenten an und entnehmen Sie von jedem alle Datenblätter. Die Datenblätter können dann verglichen werden, um zu überprüfen, ob sie übereinstimmen.

Profi-Tipp: Ich persönlich würde mit der Überprüfung noch einen Schritt weiter gehen. Ich würde alle Datenblätter dieser speziellen Anbieter überwachen und feststellen, ob es Probleme mit anderen von ihnen bereitgestellten Produktdatenblättern gibt, da diese ebenfalls Fehler enthalten könnten.

Speicherung und Sicherheit

Der nächste Punkt ist die Speicherung. Nach Erhalt der Daten ist es wichtig, sie zu speichern und zu schützen. Dies wird durch die Architektur Ihrer Komponentenbibliothek erreicht. Es ist so gut wie garantiert, dass Ihre Bibliothek völlig anders strukturiert sein wird als die eines anderen Benutzers. Unabhängig davon, wie Ihre Komponentenbibliothek aussieht, sollten jedoch einige wichtige Dinge vorhanden sein.

Erstens sollte man bestimmte Komponenten schnell finden können. Das ergibt sich häufig direkt aus der Verwendung einer Namensstruktur oder -konvention, die die Durchsuchbarkeit optimiert. Schwieriger wird es, in einer Bibliothek etwas zu finden, die ein Durcheinander von Namensschemata enthält. Eine ausgezeichnete Ressource für dieses Problem ist die neueste Ausgabe von IPC-7251 (Through-hole Components) und IPC-7351 (SMT Components). Diese Normen erklären die sehr systematische Struktur, nach der Footprints benannt werden sollten, und diese sollte immer dann durchgesetzt werden, wenn ein benutzerdefinierter Footprint für ein Standardpaket erstellt wird.

Zweitens brauchen Sie eine Komponentenbibliothek mit einer leicht erweiterbaren Architektur. Auf diese Weise wächst mit dem Unternehmen und den Produktlinien auch die Bibliothek und die Liste der verifizierten und qualifizierten Komponenten, die für die Wiederverwendung des Designs zur Verfügung stehen.

Alle Daten gesammelt und verwaltet zu haben ist nur so lange toll, bis etwas Katastrophales passiert, das alle Daten betrifft. Computer können abstürzen oder gehackt werden, Daten können über unzulässige File-Sharing-Dienste öffentlich zugänglich gemacht werden, E-Mails können gelöscht oder beschädigt werden. All dies birgt das Risiko, dass geistiges Eigentum preisgegeben, verloren oder beschädigt wird.

Sie können all diese Ziele erreichen, indem Sie Ihre Komponentenliste nach Kategorie und Familie an einem einzigen sicheren Ort organisieren. Moderne Cloud-Plattformen erleichtern diese Aufgaben. Sie können Sicherheit und Datenschutz Ihrer gespeicherten Daten durchsetzen und gleichzeitig Daten in erforderliche Kategorien gruppieren, um die Überprüfung und Verteilung zu unterstützen.

Schließlich ist die Verteilung von Daten an bestimmte Personen von entscheidender Bedeutung und ein wichtiger Teil der Sicherheit in Ihrem Designprozess. Ein Standpunkt, der oft vertreten wird, ist, dass die Datennutzung unternehmensintern und die Verteilung extern gehandhabt werden soll. Wenn Sie mit der Verteilung von Daten arbeiten, denken Sie immer als erstes an Sicherheit als entscheidenden Faktor. Die beiden großen „Pakete”, die sich aus den Daten und dem Designprozess ergeben, sind die Fertigungs- und Bestückungsinformationen. Die Standardregel lautet, dass diese beiden in entgegengesetzte Richtungen geschickt werden und sich niemals treffen sollten. Denn mit beiden Paketen zusammen könnte eine skrupellose Person Ihr Design reproduzieren.

Verifizierung

Die erste Regel der Verifizierung lautet, dass die Person, die die Arbeit durchgeführt hat, nicht auch die Person sein sollte, die sie überprüft. Die Person, die die Arbeit durchgeführt hat, kann ihre eigenen Fehler oft nicht mehr sehen, was dazu führt, dass sie diese im Überprüfungsschritt meistens auch wieder übersehen wird. Es empfiehlt sich immer, eine zweite Person hinzuzuziehen, die die Daten mit ganz neuen Augen betrachten kann.

Der Verifizierungsprozess ist ein Auditprozess. Während Komponenten oder Daten überprüft werden, sollten sie unter Quarantäne gestellt werden, damit sie nicht in freigegebenen Designs verwendet werden. Lassen Sie mich diesen Punkt verdeutlichen: Bevor das PCB-Design für die Herstellung freigegeben wird, führen Sie den Auditprozess für alle neuen Komponenten durch. Auf diese Weise bewahren Sie die Integrität des PCB-Designs und Ihren Verstand.

Während des PCB-Designprozesses verwenden Sie bestimmte Informationen an bestimmten Stellen des Designs. Beispielsweise achten Sie bei der Erstellung des Schaltplans im Design besonders auf den Schaltungsfluss und die Konnektivität. Am wichtigsten sind die Schaltplansymbole der Komponenten. Der Elektronikentwickler würde sich beispielsweise die parametrischen Informationen zu einem bestimmten Teil ansehen und sicherstellen, dass es die gesuchten Designanforderungen für das Produkt erfüllt.

Auf der PCB-Seite würden Sie zu den PCB-Footprint- und 3D-Modell-Informationsdaten wechseln. Diese Daten werden verwendet, um das Routing und die mechanischen Anforderungen zu überprüfen. An dem Punkt kommt auch der Maschinenbauingenieur mit ins Boot und beginnt seine Arbeit.

Wartung und Versionskontrolle

Der letzte Aspekt der Definition ist die Wartung, die Nachverfolgung des Revisionshistorie und die Versionskontrolle. Da die meisten Daten, die in einem PCB-Projekt verwendet werden, dynamisch sind (im Gegensatz zu statisch), ändern sich die Daten. Das bedeutet, dass es einen Plan geben muss, um festzustellen, welche Änderungen aufgetreten sind und wie sie sich auf den Aktualisierungsprozess in der Datenbank auswirken. Auf diese Weise bleiben Ihre Daten sowohl für die Bedürfnisse des Unternehmens als auch für die sich ständig verändernde Elektronikbranche relevant.

Eine Herausforderung besteht darin, dass PCB-Designdatensätze normalerweise sehr umfangreich sind und nicht kompatible Elemente enthalten. Die Daten, die in ECAD-Tools (Electrical Computer-Aided Design) und MCAD-Tools (Mechanical Computer-Aided Design) enthalten sind, sind selten miteinander kompatibel, geschweige denn mit den Daten in Anforderungsmanagement-Tools. Effektives Datenmanagement erfordert eine einzige integrierte Lösung, die Tools aus Sicht des Designteams nahtlos und mühelos mit verwalteten Datenbibliotheken verknüpfen kann.

Jede Lösung muss statische und dynamische Daten aus verschiedenen Quellen in einer einzigen Informationsquelle zusammenführen, bei der sich Designer sicher sein können, dass sie aktuell und genau ist. Die Automatisierung dieses Prozesses ist unerlässlich, um den Aufwand des Datenmanagements zu minimieren und menschliche Fehler zu vermeiden. Dies erfordert eine Verbindung zur Lieferkette, die Durchsetzung einer Quelle verifizierter Komponentendaten und die Implementierung eines integrierten Versionskontrollsystems im Designprozess.

Die Einführung einer Lösung wie Altium zur Bereitstellung einer einheitlichen Datenmanagement-Plattform für den Entwicklungsprozess ist eine hervorragende Grundlage für effektive Datenmanagementprozesse, die auf alle Ihre Designdaten angewendet werden. Aber es gibt noch viel zu tun, um automatisierte Prozesse rund um den Entwicklungslebenszyklus zu erstellen, menschliche Fehler zu beseitigen und die Gültigkeit des Datensatzes sicherzustellen. Das Überwachen dynamischer Daten auf Änderungen und die Verwaltung von Aktualisierungen des Datensatzes kann eine aufwändige Tätigkeit sein, die sich angesichts der möglichen Folgen der Verwendung fehlerhafter oder veralteter Daten ideal für die Automatisierung eignet.

Wenn Sie Daten aus Ihren Altium Designer^®-Projekten verwalten müssen, können Sie die integrierten Bibliotheks- und Datenbankfunktionen verwenden, um proprietäre Komponenten und Projekte in der Altium 365^™-Plattform oder Ihrer lokalen Altium Concord Pro-Instanz zu verfolgen. Dieses einzigartige Datenmanagementsystem verfolgt auch Ihre Fertigungsdaten für jede Projektrevision. Außerdem haben Sie Zugriff auf die neuesten Komponentendaten der wichtigsten Händler sowie auf den von IHS Markit bereitgestellten Lebenszyklusstatus für Komponenten.

Wir haben nur an der Oberfläche dessen gekratzt, was mit Altium Designer auf Altium 365 möglich ist. Starten Sie noch heute Ihre kostenlose Testversion von Altium Designer und Altium 365.