Im virtuellen Raum ist es nun möglich, nicht nur die Frequenzeigenschaften und das Rauschverhalten von Mixed-Signal-Schaltungen zu analysieren, sondern auch deren elektromagnetische Verträglichkeit zu bewerten, bevor integrierte Schaltungen auf einer Leiterplatte platziert werden. Diese Simulationen ermöglichen ein hohes Maß an Sicherheit hinsichtlich des Designs, ohne dass in leistungsstarke Testgeräte für eine umfassende Schaltungsanalyse investiert werden muss. Simulationen tragen dazu bei, Layoutfehler zu vermeiden, sodass die abschließenden Tests schnell und einfach mit gemieteten Geräten durchgeführt werden können.
Preisgünstige Werkzeuge wie Altium und LabVIEW von National Instruments eignen sich nicht nur für SPICE-Simulationen, die für die Bewertung der analogen Leistungsfähigkeit einfacher Schaltungen unerlässlich sind, sondern auch für Aufgaben, die die Leistungsfähigkeit eines Designs nach Layout und Montage bestimmen. So können beispielsweise Leiterplatten-Stapelrechner parasitäre Leiterbahnen identifizieren, die mit verlegten Leiterbahnen verbunden sind, und Signalintegritätsanalysatoren können potenzielle Übersprech- und Rauschprobleme aufzeigen.
Hardware-Prototypen und Kleinserienfertigung:
Trotz der heutigen Simulationsmöglichkeiten ist ein Hardware-Prototyp oft die einzig geeignete Lösung. Das Team benötigt möglicherweise Hardware-Implementierungen, um Annahmen zu testen, die in einer virtuellen Umgebung zu komplex oder zeitaufwendig sind. Beispielsweise muss ein softwareprogrammierter Regelkreis, der auf einem Mikrocontroller läuft, unter Umständen in Echtzeit anhand realer Signale evaluiert werden, um seine Stabilität unter verschiedenen Bedingungen zu bestimmen. Ein Software-Befehlssatzsimulator kann in diesem Fall möglicherweise nicht zeitnah Ergebnisse liefern oder realistische Eingangsdaten nicht verarbeiten. Andererseits lässt sich die Leistung verschiedener Antennen in einem Hochfrequenzdesign (HF) oft am besten durch das Testen unterschiedlicher Konfigurationen in Verbindung mit einem Hardware-Prototyp bewerten.
Es ist auch möglich, dass das Projekt nun einen Punkt erreicht hat, an dem Feldtests und die Kundenabnahme erforderlich sind. Insbesondere im Kontext des Internets der Dinge (IoT) ist es wichtig zu prüfen, wie die verschiedenen vernetzten Geräte untereinander und mit der Cloud interagieren. Das Team sollte nun Prototyping-Optionen und gegebenenfalls eine Kleinserienfertigung in Betracht ziehen, um ausreichend Hardware für einen erfolgreichen Feldtest bereitzustellen.
Dem Team stehen mehrere Optionen zur Verfügung. Welche die beste ist, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Die Möglichkeiten reichen von der Erweiterung eines bestehenden Einplatinencomputers um kundenspezifische I/O-Tochterplatinen bis hin zur Vergabe der Kleinserienfertigung an einen Subunternehmer. Soll sichergestellt werden, dass die Software in einem geschlossenen Hardwaretest der Kernfunktionen wie erwartet funktioniert, empfiehlt sich die Verwendung eines kompatiblen Einplatinencomputers und die Bestellung einer Prototyp-I/O-Platine, falls die verfügbare Platine die notwendigen Schnittstellen nicht aufweist oder diese nicht ausreichend funktionieren. Selbst wenn das endgültige Design eine kundenspezifische Leiterplatte erfordert, möglicherweise mit einer anderen Variante des On-Board-Mikrocontrollers, liefert der Prototyp genügend nützliche Informationen, um seinen Einsatz zu rechtfertigen und die für die Serienversion erforderlichen Softwareänderungen zu minimieren. Durch die Auslagerung der kundenspezifischen I/O auf eine Tochterplatine kann das Team den Zeit- und Kostenaufwand für die Entwicklung eines funktionsfähigen Prototyps reduzieren.
Kundenspezifische Prototypen:
Es wird Fälle geben, in denen die Kombination von Standardhardware mit kundenspezifischen Ein-/Ausgängen nicht die gleiche Leistung wie ein kundenspezifisch entwickelter Prototyp erzielt. Die Prüfung von Hypothesen zur Signalintegrität kann ein Leiterplattendesign erfordern, das dem endgültigen Serienmodell so nahe wie möglich kommt. Feldtests erfordern oft Hardware mit sehr begrenzten Abmessungen oder geringem Stromverbrauch. Die Entscheidung reduziert sich dann auf zwei Optionen: die Möglichkeiten eines hauseigenen Labors zum Bau eines funktionsfähigen Prototyps oder die zeitlichen und finanziellen Aspekte der vollständigen Hardwaremontage durch einen Subunternehmer.
Bei relativ geringer Hardwarekomplexität kann eine Steckbrett-Lösung sinnvoll sein. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn ein Einplatinencomputer mit einer kundenspezifischen I/O-Tochterplatine kombiniert wird, da die Anzahl der auf dem Steckbrett zu montierenden Komponenten relativ gering ist. Sind die Komponenten überwiegend diskret, lassen sich leichter Embedded-Bausteine beschaffen, die mit Steckbrett-Plattformen kompatibel sind. Erfahrene Distributoren beraten Entwicklungsteams hinsichtlich geeigneter Gehäuseoptionen für die Prototypenentwicklung und unterstützen den Übergang zu SMD-Bauteilen für die Serienproduktion.
Die Bedeutung der Verpackung:
Verpackungsoptionen sind ein entscheidender Faktor bei der Entscheidung, ob es sinnvoller ist, fertig montierte Prototypen von einem Subunternehmer zu beziehen oder die Montage teilweise im eigenen Labor durchzuführen. Ein gängiger Ansatz besteht darin, mithilfe von Tools wie denen von Altium und Autodesk eine Leiterplatte als Prototyp zu entwerfen und anschließend die benötigten Komponenten im Labor zu montieren. Dies erfordert sowohl Designkompetenz als auch Zugang zu kostengünstiger Labor- und Testausrüstung.
Im Gegensatz zur Steckplatinen-Lösung können Entwickler neben Bauteilen in Steckgehäusen auch SMD-Bauteile verwenden. Allerdings gibt es praktische Grenzen für die Realisierbarkeit von Montage und Lötung im Labor. Dies liegt schlicht an der unterschiedlichen Genauigkeit der manuellen Bestückung im Vergleich zu automatisierten Bestückungsautomaten, die winzige Bauteile mit Submillimetergenauigkeit platzieren können. Die Oberflächenspannung des heißen Lötzinns (vorausgesetzt, es wird ausreichend präzise auf die Leiterplatte aufgetragen) trägt zwar bis zu einem gewissen Grad zur Positionierung kleiner diskreter Bauteile bei. Dennoch ist die manuelle Bestückung diskreter Bauteile in größeren SMD-Gehäusen oder Steckversionen deutlich einfacher als die von SMD-Bauteilen der Baugröße 0402 oder kleiner.
Ähnlich verhält es sich mit oberflächenmontierbaren Bauteilen mit umlaufenden Pins, wie z. B. QFP-Gehäusen (Quad Flat Pack). Diese lassen sich im Labor einfacher positionieren und löten als BGA-Gehäuse (Ball Grid Array), da die Pin-Ausrichtung vor dem Löten überprüft werden kann. Viele oberflächenmontierbare integrierte Schaltungen (SMICs) sind in verschiedenen Gehäuseformen erhältlich. Daher eignet sich die QFP-Version für Kleinserien und Prototypen, während in der Serienproduktion BGA- oder CSP-Gehäuse zum Einsatz kommen. Distributoren mit Erfahrung in der Entwicklungsunterstützung können beraten, welche Komponenten sich für einen Dual-Pack-Ansatz eignen. Dabei wird für den Prototyp ein Gehäuseformat verwendet, während die finale Leiterplatte die kostengünstigere oder kompaktere Variante nutzt. Simulationstools helfen, mögliche Änderungen der Signalintegrität oder des I/O-Routings zu identifizieren, die für den Übergang vom Prototyp zur Serienproduktion erforderlich sein können.
Laborwerkzeuge für die Montage:
Verschiedene gängige Laborwerkzeuge, wie z. B. Lötkolben mit feiner Spitze, erleichtern die Montage im Labor. Ein Mikroskop ist heutzutage unverzichtbar für die Bestückung von Leiterplatten mit feiner Rasterteilung. Ein Stereomikroskop mit Zoomfunktion verfügt typischerweise über eine Ringbeleuchtung, die die präzise Platzierung der Bauteile und die Inspektion nach dem Reflow-Löten unterstützt. Die Lötpasteninjektion ist ein weiteres wichtiges Werkzeug. Druckluft wird üblicherweise verwendet, um kontrollierte Mengen Lötpaste wiederholt auf die Leiterplatte aufzutragen. Die hohe Dosiergenauigkeit vereinfacht die Montage von Gehäusen wie QFPs mit vielen eng beieinander liegenden Pins erheblich.
Für den Reflow-Lötvorgang selbst kann ein Techniker eine Reflow-Heizplatte verwenden, die für das Reflow-Löten kleinerer Bereiche der Leiterplatte ausgelegt ist. Alternativ können alle Bauteile vor dem Überführen in einen Tisch-Reflow-Ofen bestückt werden.
Da ein gewisses Maß an Lötfehlern unvermeidbar ist (außer bei den erfahrensten Ingenieuren), sind Prüf- und Instandsetzungswerkzeuge unerlässlich. Heizplatten und Heißluftgeräte helfen, falsch ausgerichtete oder defekte Bauteile zu entfernen und sie für das Nachlöten vorzubereiten. Ein Multimeter ist ein wichtiges Prüfgerät, da es zum Prüfen der Konnektivität an allen sichtbaren Anschlüssen und Leiterbahnen verwendet werden kann. Farnell führt ein breites Sortiment an Laborgeräten von Spezialisten wie Metcal und Weller und verfügt über internes Fachwissen, um Sie hinsichtlich Ihrer Prototyping- und Instandsetzungsmöglichkeiten zu beraten.
Fazit:
Designteams haben bei der Erstellung und Verwendung von Prototypen während der Produktentwicklung zahlreiche Möglichkeiten. Erfahrene Distributoren können wertvolle Beratung zur Verfügbarkeit geeigneter Komponenten für die Labormontage und zu den besten Liefermethoden für Zulieferer bieten. Sie helfen außerdem dabei, Verpackungs- und Lieferoptionen an die Serienproduktion anzupassen. Darüber hinaus können sie Teams bei der Auswahl der besten Werkzeuge für die Labormontage unterstützen, wenn die Eigenmontage die optimale Lösung darstellt. Nun braucht es nur noch die Vorstellungskraft und das Können der Ingenieure, um eine Produktidee in die Realität umzusetzen.
Von Simon Meadmore, Global Head of IP&E bei Farnell – www.farnell.com -
