Grundlagen von CAD, CAE, CAM und Leiterplattentechnologie

Grundlagen von CAD, CAE und CAM

CAD (Computer-Aided Design) ist die Technik zur computergestützten Gestaltung eines Produkts und seiner zugehörigen Programme und Systeme.

• Editor: Grafik-Editor (mit Komponentenbibliothek)
• Prozessor (Datenbankkonnektivität): Gestaltung des Schaltkreises. Entwurf durch Simulationsprogramme oder Implementierung auf einer Platine.

CAE (Computer-Aided Engineering) ist die elektronische Überprüfung der ordnungsgemäßen Funktionsweise eines entwickelten Produkts.

CAM (Computer-Aided Manufacturing) ist die Kontrolle des Herstellungsprozesses mithilfe von Computer und Software. Dies umfasst PCB-Design-Software und die Generierung von Dokumenten und Informationen für die praktische Umsetzung des Produktdesigns.

Auswahlkriterien für CAD/CAE/CAM-Systeme

1. Leistungsfähigkeit des Designpakets

• a) Erfassungssysteme

  Umfangreiche Bibliotheken (je größer, desto besser die Komponenten) und Generierung von Datenbankverbindungen in unterschiedlichen Formaten.

• b) Simulation

  Möglichkeit, Daten aus demselben Datenbankschema für die Erfassung und das PCB-Layout zu nutzen.

• c) PCB-Design

  Bestimmt weitgehend die Leistungsfähigkeit des Designs. Der Autorouter hat stets folgende wesentliche Ziele:

  • 100%ige Verdrahtung der Leiterplatte
  • Verdrahtung der Platine in kürzester Zeit
  • Qualität der Verdrahtung: Interkonnektionen

2. Computer-Hardware-Anforderungen

• a) Technologische Entwicklung

  • Rechenleistung für Installation und automatische Generierung
  • Bedarf an leistungsstarker Grafik
  • Lokales Netzwerk (LAN) für die gemeinsame Nutzung von Programmen, Bibliotheken und Komponenten

• b) Anwendungsbereiche

  Ein Standard-PC war ursprünglich nicht für das Design geeignet, aber die Entwicklung hat ihn in ein System verwandelt, das so leistungsfähig ist wie Workstations.

Leiterplatten (Laminate): Aufbau und Eigenschaften

Funktionen einer Leiterplatte

Die Hauptfunktion einer Leiterplatte ist die Bereitstellung von Platz für Komponenten und deren Verbindungen.

Vorteile gegenüber herkömmlicher Verkabelung

• Platzsparend
• Einfache Montage von Anbauteilen
• Keine gebrochenen Drähte oder Kurzschlüsse
• Hohe Reproduzierbarkeit
• Einheitliche elektrische Eigenschaften
• Hohe Zuverlässigkeit
• Einfachere Identifizierung von Teilen der Leiterplatte
• Massenproduktion und automatisierte Fertigung
• Vereinfachte Montage, die weniger qualifizierte Mitarbeiter erfordert und die Prüfung erleichtert (weniger Fehler)

Einschränkungen elektrischer Leiterplatten

• Erfordert fortgeschrittene Designkenntnisse
• Schwer zu reparieren
• Etwas teurere Produktion

Grundlegende Bausteine einer Leiterplatte

• Isolierender Träger
• Befestigungsbohrungen oder Leiterbahnen für Komponenten
• Steckverbinder
• Verbindungsplatten
• E/A-Anschlüsse (Eingang/Ausgang)
• Leitfähiges Material

Klassifikation von Leiterplatten

• Basierend auf dem Trägermaterial: Starr oder flexibel
• Anzahl der Leiterebenen: Einseitig (SC), Zweiseitig (DC) oder Mehrschichtig (MC)

Faktoren der Leiterplattendichte

Die Dichte hängt ab von der Größe und Form der Bauteile, der Anzahl der Leiterbahnen und Komponenten sowie der Vielschichtigkeit der Verbindungen. Das Dichtemaß ist definiert als: Anzahl der Löcher / Flächeneinheit.

Klassifizierungssystem für Leiterplatten

• Erste Ziffer: Art der Platte (SC, DC, MC) und der Verbindungstyp.
• Zweite Ziffer: Die maximale Konzentration der Leiterbahnen hängt ab von: Nennabstand der Komponenten, nominaler Abstand zwischen den Leitern. Unterschiede zwischen den Durchmessern von Pads und Löchern hängen ab von: Nennabstand der Komponenten, nominaler Abstand zwischen den Leitern, Unterschiede zwischen den Durchmessern von Pads und Löchern.

Verwendete Materialien für Trägerplatten

Eigenschaften der Materialien

• Physikalisch: Robustheit und Stabilität.
• Thermisch: Fertigungsprozesse, Temperaturkoeffizient des Materials.
• Elektrisch: Spannungsfestigkeit, Isolationswiderstand.

Materialtypen

• Papier, imprägniert mit Phenolharzen (Bakelit), oft mit metallisierten Löchern.
• Glasfaser-Polyester, starr, damit imprägniert.
• Epoxidharz-getränktes Papier.
• Epoxidharz-Glasfaser-getränktes Papier, oft metallisiert.
• Mylar-Folien, Teflon (flexibel).

Einschränkungen von Größe und Form der Leiterplatte

Diese werden bestimmt durch die Größe der Ausrüstung, die verfügbaren Werkzeuge und die Fertigungsstätten.

Faktoren, die die Kosten beeinflussen

• Anzahl der Schichten (Leiterebenen)
• Kundenspezifische Anforderungen
• Auswahl des Grundmaterials
• Basismaterialstärke (z.B. starre Platten aus Glas-Epoxid von 0,6 mm bis 2 mm mit Toleranz)
• Dicke der leitenden Schicht
• Größe von Pads und Löchern
• Interconnect-Design
• Wartungskosten
• Plattengröße

Verformung und Verzug von Leiterplatten

Einfluss der Temperatur

Höhere Verformung bei Phenolharz-Papiermaterialien; weniger Verzug bei Glasfaser-Epoxidharzen.

Einfluss des Fertigungsgrades

Abhängig vom Plattentyp (SC oder DC), der Plattengröße und dem Vorhandensein von ausgewogenen Metallstrukturen.

Minimierung der Verformung

Durch Dicke, Verstärkungen oder Stützstrukturen und gedruckte Leiterbahnanschlüsse.