Success Story

Renishaw verbessert Layout und Impedanzkontrolle von Flex- und Semi-Flex PCB Designs durch Einführung von 3D-PCB-Design

Renishaw logoFlexible und starr-flexible Leiterkarten kommen in vielen Produkten des Messtechnik-Spezialisten Renishaw zum Einsatz. Ein Umstieg auf die neue CR-8000 Generation von Zuken und die damit verbundene Einführung der 3D-Technologie im PCB-Design ermöglichte wichtige Prozessverbesserungen, vor allem bei der Identifikation von Kollisionen beim Gehäuseeinbau und bei der Impedanzkontrolle für kritische Signale.

Renishaw ist eines der weltweitführenden Unternehmen im Bereich Fertigungs- und wissenschaftliche Technologie mit Kompetenzen in den Bereichen Präzisionsmessung und Medizintechnik. Seit seiner Gründung im Jahr 1973 hat Renishaw eine ganze Reihe von Produkten und Technologien auf den Markt gebracht, die heute als Meilensteine in der industriellen Messtechnik gelten. Ein Beispiel dafür ist eine neuen 5-Achsen und Multitasking-Technologie, mit der sich die Ausrichtung und Positionierungsgenauigkeit von industriellen Bearbeitungsmaschinen in Sekundenschnelle justieren lässt.

Peter Leonard, RenishawDie 3D-Technologie von CR-8000 ermöglicht vor allem bei der Entwicklung von Flex-Boards eine erhebliche Reduktion des Abstimmungsaufwands mit der Mechanik-Konstruktion.

Peter Leonard, Electronic Design Manager for Group Engineering

Auf einen Blick

  • Darstellung und Bearbeitung von Leiterplatten-Layouts in 3D vermin- dert Abstimmungsaufwand mit der Mechanik-Konstruktion.
  • Verbesserte Impedanzkontrolle durch Querschnittsanalyse in 3D und Einsatz von Field-Solver-Software beim PCB-Design.
  • 3D-Darstellung von Flex-PCBs ermöglicht Optimierung der Bauteil- platzierung.

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Renishaw productsRenishaw ist eines der weltweit führenden Unternehmen im Bereich Fertigungs- und wissenschaftliche Technologie mit Kompetenzen in den Bereichen Präzisionsmessung und Medizintechnik. Das Unternehmen bietet Produkte für unterschiedlichste Anwendungen, angefangen von der Triebwerks- und Windenergieanlagenherstellung bis hin zu 3D-Druck, Zahnmedizin und Gehirnchirurgie.

Starr-Flexible Leiterkarten

Viele der Messgeräte von Renishaw enthalten flexible und starr-flexible Leiterkarten. Diese Technologien, ins- besondere die starr-flexible Bauweise, stellen besondere Anforderungen an den Entwicklungsprozess, da sie in beengte Bauräumen eingepasst wer- den müssen und die Karten dabei mehrfach gefaltet werden, so dass sich ein dreidimensionales Gebilde ergibt.

Non-dynamic flexi

Bild 1: Diese starr-flexible Leiterkarte wird zu einem dreidimensionalen Körper mit sechseckigem Querschnitt von ca. 60mm Durchmesser gefaltet.


 Flexible PCB

Figure 2: Bild 2: Eine flexible Leiterkarte für einen Signalgeber: Das Design ist ca. 8 cm lang und muss mehrfach gebogen werden.

Es wird unterschieden zwischen ‚nicht-dynamischen‘ Leiterkarten, die nur beim Einbau gefaltet werden, und solchen, die eine permanent flexible Verbindung zwischen Boards herstellen. Letztere werden deshalb auch als ‚dynamisch‘ bezeichnet.

In der Vergangenheit erfolgte das Layout und Entflechtung von flexiblen und starr-flexiblen Leiterkarten in 2D. Die Entwickler übernahmen dabei eine 2D-Leiterkartenkontur von der (mit 3D-Baugruppen arbeitenden) Mechanikkonstruktion, auf der die Schaltungen dann platziert und geroutet wurden. Anschließend ging das 2D-Design zusammen mit Höhenkonturangaben (Skyline-Information) zurück an die Mechanikkonstruktion, wo ein dreidimensionales Modell der gefalteten Baugruppe erstellt wurde, so dass die Passform innerhalb des Gehäuses verifiziert werden konnte. Seit dem Umstieg auf die Design Gateway (Schaltplan) und Design Force (PCB Layout) Werkzeuge der CR-8000 Familie von Zuken findet die Auslegung in 3D ausschließlich in der Elektronik-Entwicklung statt.

Renishaw arbeitet seit dem Jahr 2000 mit PCB-Design-Software von Zuken. 2016 fiel die Entscheidung von der bisher eingesetzten CR-5000-Umgebung auf die neue CR-8000 Generation umzusteigen – nicht zuletzt weil diese die Möglichkeit bot, PCB-Baugruppen in der 3. Dimension darzustellen und zu bearbeiten.

Wir platzieren unsere Bauelemente in 3D und können so alle Vorgaben der Kollegen aus der Mechanik selbst kontrollieren. Anschließend schalten wir um auf 2D zum Routing der Verbindungen.

Peter Leonard, Renishaw

„Mit CR-8000 können wir den gesamten Ablauf innerhalb der ECAD-Umgebung abbilden“, kommentiert Pete Leonard, Electronic Design Manager for Group Engineering, Renishaw. „Wir platzieren unsere Bauelemente in 3D und können so alle Vorgaben der Kollegen aus der Mechanik selbst kontrollieren. Anschließend schalten wir um auf 2D zum Routing der Verbindungen.“

Darstellung und Bearbeitung in 3D

Bei der Erstellung des in Abbildung 2 gezeigten Flex-PCB Designs, wurde eine spezielle Lage definiert, der man den Namen ‚BendLine‘ gab. Auf dieser Lage wurden so genannte Polylinien gezeichnet, die die Achsen darstellen, um die das Flex-PCB gebogen werden soll. Jeder dieser Linien werden Werte für Biegerichtung, Biegewinkel und Biegeradius zugewiesen.

 Flexible PCB bending

Bild 3: Darstellung des Flex-Boards in 3D zur Visualisierung der Biegeradien.

Mit diesen Informationen können die Segmente der Leiterplatten im drei-dimensionalen Raum gegeneinander bewegt werden. Zusätzlich kann das Gehäuse als STEP-File importiert werden, um welches das Flex-PCB gebogen wird (Bild 4).

„In der Vergangenheit mussten unsere Leiterplatten-Konstrukteure ohne die 3D- Gehäusedarstellung auskommen“, sagt Leonard. „Heute können wir unsere Layouts in 3D darstellen und prüfen ob alles passt, oder ob es irgendwo Probleme gibt. Auf diese Weise können wir Einbauprobleme schon am Bildschirm erkennen und lösen“

Als nächster Schritt ist der Export von 3D-STEP-Darstellungen der bestückten Flex-Karte an die Mechanikentwicklung geplant: „Auf diese Weise können die Kollegen dann im Mechanik-CAD die Ausrichtung, Anordnung und Höhe der bestückten Komponenten darstellen. Wir planen auch, der Mechanik-Konstruktion die Berechtigung zu geben, bestimmte Merkmale wie zum Beispiel Sperrzonen zu definieren, die den PCB-Konstrukteuren bei der Bauteilplatzierung zu Gute kommen.“

 flexi design wrapped around housing

Bild 4: Die 3D-Darstellung des Flexboards wird um die als STEP-Datei importierte Trägerplatte gebogen.

Feinjustierung der Impendanz in 3D

Non-dynamic flexible PCB

Bild 5: Querschnitt durch ein nicht-dynamisches Flex-PCB. Eine biegeneutrale Achse verläuft durch die Mitte des Substrats (im Bild nicht sichtbar).

 Dynamic flexible PCB cross section

Bild 6: Querschnitt durch ein dynamisches Flex-PCB. Die Biegeachse verläuft im Idealfall durch die Mitte der Kupferlage.

Die Möglichkeit, Leiterplattenaufbauten in 3D zu bearbeiten, erweist sich auch bei der Kontrolle der Impedanz der Flexboards als hilfreich, wie Adrian Welsford, Leiter Signal Integrity bei Renishaw, erläutert: „Die Kontrolle der Impedanz ist eine wichtige Voraussetzung für die eine saubere Signalübertragung. Dazu ist es erforderlich, dass insbesondere für Hochfrequenzsignale, aber auch für alle anderen Signale konstante Impedanzwerte auf der gesamten Übertragungsstrecke gegeben sind.“

Die Impedanz einer Flex-PCB-Leitung ermittelt sich aus dem Verhältnis von Induktivität und Kapazität, die sich ihrerseits aus der Länge und dem Durchmesser sowie den Abständen zwischen den Leitungen und der Stärke der sie umgebenden elektromagnetischen Felder ableitet. Für die Ermittlung und Kontrolle dieser Werte setzen die Entwickler bei Renishaw die Field Solver der PCB Layout-Software Design Force ein.

Bei nicht-dynamischen Flex-BCBs werden die Leitungen, die eine kontrollierte Impedanz erfordern, durch Kupferflächen neben den Leiterbahnen, sowie eine sandwichartige Anordnung der signalführenden Lage zwischen zwei Polyamidlagen realisiert. Bild 5 zeigt eine solche Anordnung im Querschnitt. Dabei fungiert das Polyamidsubstrat zwischen der Referenzlage (0V ref Cu) und der Signalleitung (Signal Cu) als dielektrische Lage.

Bei der Berechnung mit den Solvern von Design Force kann deshalb alles unterhalb der Referenzlage (0V ref Cu) außer Acht gelassen, während die Polyamid-Decklage und die Luftschickt über ihr in die Betrachtung mit einbezogen werden müssen.

Die umgebende Kupferabschirmungen (0V Cu fill) müssen aufgrund ihrer Nähe zu den Leiterbahnen in die Berechnungen des Solvers miteinbezogen werden.

„Wenn das Flex-Board gebogen wird, wirken Zug- und Druckkräfte auf die Kupferbahnen und die Referenzlage,“ er- klärt Welsford. „Wir versuchen deshalb, die Zug- und Druckkräfte dadurch auszugleichen, dass wir beim PCB-Design so viel Kupfer wie möglich auf der Signal-Lage belassen, damit das Bruchrisiko der Leitungen in Innenlagen minimiert wird. Zusätzlich bringt eine größere Dicke von Kupferleitungen, -füllungen und -lagen den Vorteil, dass die nicht-dynamischen Flex-Board ihre Form beibehalten, nachdem sie gefaltet wurden.“

Für so genannte dynamische Flex-PCBs wird nur mit einer einzigen Kupferlage gearbeitet (siehe Bild 6). Um eine möglichst lange Lebensdauer des Flex-PCBs zu erreichen, müssen Leitungen und Kupferflächen möglichst dünn gehalten werden, um die Biegebelastung zu minimieren. Dabei wird es allerdings häufig erforderlich, die Signalleitungen aufgrund der reduzierten Dicke breiter auszulegen. Dadurch kann es aber schwierig werden, die für eine Impedanz von 50 Ohm erforderlichen Abstände einzuhalten.

„Aus diesem Grund ist legen wir das Flex-Board mit etwas höherer Impedanz aus und kompensieren das durch dünnere Leitungen und entsprechend ausgelegte Komponenten auf der starren Leiterplatte“, erläutert Welsford.

Zu diesem Zweck setzt Renishaw das ebenfalls von Zuken angebotene Tool Constraint Manager ein. Mit diesem Werkzeug können die Grenzwerte für die charakteristische Impedanz im Stromlaufplan festgelegt werden. Diese werden dann von den Layout- und Routing-Programmen automatisch berücksichtigt: „Auf diese Weise können wir Gruppen von Netzen über Netzklassen selektieren und die Impedanz automatisch berechnen. Die erforderlichen Werte erreichen wir anschließend durch manuelle Anpassungen der Leiterbahnbreiten“, fasst Welsford zusammen.

Insgesamt konnte durch den Einsatz der 3D-Werkzeuge im PCB-Design der Abstimmungsaufwand zwischen Leiterplatten-Entwicklung und Mechanik-Konstruktion deutlich reduziert werden. Da Einbauprobleme bereits im Entwicklungsstadium erkannt und behoben werden können, bedeutet dies auch erhebliche Zeit- und Kostenvorteile.

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