Warum PCB-Design-Kurse im ingenieurwissenschaftlichen Lehrplan nicht fehlen dürfen

Wenn Halbleiter im menschlichen Körper die Organe wären, dann wäre eine Leiterplatte (PCB) das Skelett und die Gefäße: Sie gibt dem elektronischen Gerät seine Struktur. Moderne Elektronik, wie wir sie heute verstehen, wäre ohne Leiterplatten nicht möglich. Als Ummantelung für elektronische Bauteile werden Leiterplatten also nicht so schnell verschwinden. In allen elektronischen Geräten, von Smartphones bis hin zu Haushaltsgeräten, müssen Leiterplatten präzise konstruiert und sorgfältig hergestellt werden, sonst funktionieren diese Produkte nicht richtig.

Obwohl Leiterplatten so wichtig sind und praktisch in jedem elektronischen Produkt, das heute auf den Markt kommt, vorhanden sind, wären Sie überrascht, wie wenig sich das Universitätssystem auf die Förderung von Ausbildungsprogrammen konzentriert, die das Design und die Herstellung von solchen Leiterplatten in den Mittelpunkt stellen. Verständlicherweise hat die Halbleiterindustrie einen prominenten Platz eingenommen, da sie enorme technische Herausforderungen meistern muss, um mit dem Moore'schen Gesetz mitzuhalten. Im Ergebnis werden Leiterplatten manchmal als eine übertriebene Art und Weise angesehen, Computerchips miteinander zu verbinden.

Die Realität ist, dass keines der elektronischen Geräte, die wir nutzen oder auf die wir uns verlassen, richtig funktionieren kann, wenn Leiterplatten nicht korrekt designt und hergestellt worden sind. Das Design und die Herstellung von Leiterplatten stützen sich außerdem auch auf andere Bereiche der Ingenieurwissenschaft, die über die Elektronik hinausgehen. Ein PCB-Design-Kurs kann Studierende darauf vorbereiten, beide Seiten der Design- und Fertigungsgleichung zu bewältigen, was ihnen letztendlich beim Eintritt ins Berufsleben einen Vorteil verschafft.

Warum sollten PCB-Design-Kurse Teil ingenieurwissenschaftlicher Studiengänge sein?

PCB-Design kombiniert viele grundlegende Konzepte der Elektrotechnik und Elektronik, mit einem Schwerpunkt auf dem Design eines physischen Produkts. Das Design einer herstellbaren Leiterplatte ist wie das Lösen eines komplexen Puzzles, dessen Regeln auf grundlegenden Konzepten der Elektrotechnik beruhen. Es ist zudem ein unterhaltsamer und lohnender Beruf, der bei jedem Projekt zahlreiche spannende technische Herausforderungen mit sich bringt.

Leiterplattendesign macht nicht nur Spaß, sondern hat auch eine entscheidende Bedeutung in der Elektronikindustrie, die in den letzten Jahrzehnten oft übersehen wurde. Infolgedessen wird die Nachfrage nach kompetenten PCB-Designern in den kommenden Jahrzehnten voraussichtlich stark ansteigen, da die derzeitigen Arbeitskräfte zeitnah in den Ruhestand gehen. PCB-Design-Kurse verschaffen Studierenden also einen Vorsprung, falls sie eine Karriere als Hardware-Ingenieur anstreben. Studierende können also einige wichtige Vorteile aus PCB-Designkursen ziehen, wenn diese Teil eines regulären Elektrotechnik-Lehrplans sind.

Auseinandersetzung mit industriellen Design-Prozessen und -Software

Mehr als in anderen Bereichen des Ingenieurwesens folgt das PCB-Design einem spezifischen Engineering-Workflow, der Designteams vom Produktkonzept bis zum vollständig herstellbaren Design führt. Ein PCB-Design-Kurs macht die Studierenden mit einem standardisierten Arbeitsablauf vertraut, der in der gesamten Elektronikindustrie eingesetzt wird. Dieser Arbeitsablauf wird in der PCB-Design-Software umgesetzt. Die Studierenden haben also die Möglichkeit zu sehen, wie echte Projekte in einer professionellen Umgebung abgeschlossen werden. Dabei handelt es sich um wertvolle Erfahrungen, für die Studierende normalerweise ein Praktikum absolvieren müssten.

PCB-Design kombiniert mehrere Ingenieursdisziplinen

Das Leiterplattendesign hat eine solide Grundlage in der Elektrotechnik und erfordert, dass Studierende Konzepte aus der Digital-, Analog-, Leistungs- und Mikrowellenelektronik anwenden, oftmals bei der Arbeit an einem einzigen Design. Bei jedem Projekt muss ein/e DesignerIn Konzepte aus verschiedenen ingenieurwissenschaftlichen Disziplinen heranziehen, um Schaltpläne, das physische Layout und schließlich ein vollständig herstellbares Design zu erstellen.

Dazu gehören:

• Grundlegendes Schaltungsdesign und Schaltplanerfassung
• Simulation und Analyse von SPICE bis hin zu Vollwellen-3D-Feldlösern
• Physikalisches Layout, oft innerhalb mechanischer Einschränkungen
• Elektromagnetische Konzepte, insbesondere in Bezug auf Wellenausbreitung und Strahlung

Da ein einziges Leiterplattenprojekt Konzepte aus so vielen Bereichen der Ingenieurwissenschaft enthalten kann, ist das PCB-Design eine hervorragende Gelegenheit, die Konvergenz zwischen diesen Bereichen in der Praxis zu zeigen. Selbst wenn die Studierenden nach ihrem Abschluss nicht in der Leiterplattenbranche arbeiten, haben sie kooperative, multidisziplinäre technische Projekte kennengelernt, mit denen sie in der Arbeitswelt höchstwahrscheinlich später einmal konfrontiert werden.

Auseinandersetzung mit der Fertigung

Letztendlich geht es bei der Hardware-Entwicklung darum, ein Design zu entwickeln, das in großen Mengen hergestellt werden kann. Beim Leiterplattendesign liegt der Schwerpunkt auf dem Design for Manufacturing (DFM), also dem Design für die Fertigung. Hier gilt es entsprechend die durch die Herstellungsprozesse auferlegten Beschränkungen beim Design eines physischen Layouts zu berücksichtigen.

Das PCB-Design bietet den Studierenden eine hervorragende Einführung in DFM-Strategien und hilft ihnen dabei einen Denkprozess für Projekte zu entwickeln, bei denen Fertigungseinschränkungen eine Rolle spielen. Studierende, die DFM verstehen, sind besser darauf vorbereitet ins Berufsleben einzusteigen und an realen Produkten zu arbeiten, die in großen Stückzahlen hergestellt werden sollen.

Ein positiver Nebeneffekt des frühzeitigen Kontakts mit dem PCB-Design-Prozess ist, dass die Studierenden ein Interesse an einer Tätigkeit im Bereich der Leiterplattenherstellung entwickeln. Mit dem erneuten Fokus auf Onshoring und neuen Investitionen in fortschrittliche Fertigungstechniken werden Studierende in diesem Bereich interessante und abwechslungsreiche technische Herausforderungen finden. Ein PCB-Designkurs kann Studierende auf Erfolgskurs bringen, wenn sie sich für eine Karriere in der Fertigung entscheiden.

Bevor es an die Serienfertigung geht, erhalten die Studierenden eine hervorragende Einführung in den Frontend-Design- und Entwicklungsprozess, indem sie funktionale Prototypen und Proofs-of-Concept erstellen. Der nächste Schritt, um die Fähigkeiten und Kenntnisse der Studierenden zu verbessern, sind das Design und die Produktion einer eigenen Leiterplatte, die der Funktionalität des Prototyps aus der ersten Runde entspricht.

Siddharth Deliwala, Direktor der ESE-Lab-Programs an der School of Engineering and Applied Science der University of Pennsylvania, sagt dazu Folgendes:

„Das Verständnis von Prototyping-Fähigkeiten ist ein notwendiger Schritt für ECE-Studierende, um hervorragende DesignerInnen in den Bereichen HF- und digitales High-Speed-Design zu werden. Altium Education ist die perfekte Einführung in das PCB-Design für Studierende, die sie vor jedem fortgeschrittenen ingenieurwissenschaftlichen Kurs belegen sollten.“

PCB-Designer sind gefragt

Am wichtigsten ist vielleicht, dass in den kommenden Jahrzehnten aufgrund des Arbeitskräftemangels eine sehr hohe Nachfrage nach Leiterplattendesignern prognostiziert wird. Schon heute zeichnet sich ein Arbeitskräftemangel am Horizont ab, da der Großteil der Leiterplattendesigner in Nordamerika kurz vor dem Rentenalter steht. Laut aktuellen Umfrageergebnissen, die 2021 in der Zeitschrift „Printed Circuit Design & Fab“ (PCD&F) veröffentlicht wurden, wird sich der Arbeitskräftemangel in der nordamerikanischen Kohorte von PCB-Designern voraussichtlich nur noch verschlimmern.

Hier sind einige der Ergebnisse dieser Umfrage:

• 61 % der Designer gaben an, über 50 Jahre alt zu sein, während nur 23 % jünger als 35 Jahre waren
• 55 % der Designer planten, sich innerhalb der nächsten 10 Jahre aus dem Beruf zurückzuziehen
• Davon würden mehr als 25 % innerhalb der nächsten fünf Jahre in den Ruhestand gehen
• 78 % der Designer gaben an, dass sie aufgrund ihres Alters in den nächsten 15 Jahren nicht mehr in diesem Bereich tätig sein würden

Wir stellen vor: Altium Education

Die Elektronikindustrie und die Wissenschaft haben also die Chance und die Verantwortung, die nächste Generation von Entwicklungsingenieuren auszubilden. Aufgrund des beispiellosen Arbeitskräftemangels und der Schwierigkeit, qualitativ hochwertige Bildungsressourcen online zu finden, hat es sich Altium zur Aufgabe gemacht, ein kostenloses Bildungsprogramm zu entwickeln — sowohl für Sekundarschulen als auch für Volkshochschulen und Universitäten.

Das Altium Education-Programm ermöglicht es Lehrkräften und Studierenden gleichermaßen, Lehrinhalte für branchenführendes PCB-Design in ihren eigenen Lehrplan oder das eigenständige Lernen zu integrieren. Der Lehrplan ist als modulares Format konzipiert: Lehrkräfte können also einzelne Module in ihre bestehenden Ingenieurkurse integrieren oder den gesamten Kurs als solchen verwenden.

Studierende, die an PCB-Design interessiert sind, können diese Kurse auch eigenständig bearbeiten. Und das Beste daran: Die Kurse sind kostenlos verfügbar. Solange Studierende eine gültige E-Mail-Adresse von einer anerkannten Bildungseinrichtung besitzen, können sie eine Bildungslizenz von Altium Designer anfordern und somit die Designbeispiele im Kurs durcharbeiten.

Sie möchten mehr über den Altium-Education-Lehrplan für Universitätsstudierende erfahren? Dann registrieren Sie sich einfach direkt hier für den Kurszugang. Die Anmeldung ist kostenlos. Sie können also sofort damit beginnen, unsere Bildungsressourcen zu erkunden. Wir hoffen, dass diese Ressourcen Sie dazu inspirieren PCB-Design-Themen in Ihre Kurse zu integrieren.