Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e.V.
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Teilautomatisiertes Routing von 3D-MID Baugruppen mit integrierten Design-Rule Checks

Abschluss des AiF-Projektes MID-Layout

 

Am 31.12.2014 wurde das Projekt Teilautomatisiertes 3D-Routing für mechatronische MID-Bauteile mit integrierten Design-Rule-Checks (Kurztitel: MID-Layout) abgeschlossen. Das IGF-Vorhaben 463 ZN der Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e. V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Bearbeitung des Projektes erfolgte an den Instituten FAPS (Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik, Prof. Dr.-Ing. Jörg Franke) der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg und der GFaI (Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik e. V., Dr.-Ing. Frank Weckend) in Berlin-Adlershof. Das große Interesse der Industrie mit 11 beteiligten Unternehmen zeigt die Bedeutung der Thematik.

Motivation und Ziel des Projektes

Produktentwicklungen sind heute ohne Software-Werkzeuge undenkbar. So sind zum Beispiel die Variantenbeherrschung oder die schnelle Reaktion auf veränderte Kundenwünsche ohne Rechnerunterstützung nicht in angemessener Zeit zu bewältigen. Auch die Reduzierung manueller Fehler durch Automatisierung komplexer Konstruktionsvorgänge und die Ableitung von Daten für die Fertigungssteuerung aus rechnerinternen Produktmodellen stellen enorme Vorteile dar. Dies gilt insbesondere für die Konstruktion mechatronischer Produkte. Hier kommt es darauf an, eine software-technische Tool-Kette bereitzustellen, die auf die jeweils eingesetzten Technologien zugeschnitten ist.

 

Grundlage jeglicher Tool-Kette ist eine Computer-Aided Design (CAD)-Software zur Modellierung des Entwurfsobjektes wie zum Beispiel Geometrie, Struktur, diverse Features, Parameter und zugehöriger Darstellungen (zum Beispiel Konstruktionszeichnungen). Dabei müssen die Konstruktionsfunktionen auf die speziellen Anforderungen der typischen Produkte, in diesem Fall 3D-MID, abgestimmt sein. Dadurch entstehen besondere Herausforderungen. Schwierigkeiten bei der gemeinsamen Entwicklung von Elektronik und Mechanik treten vor allem in technischen Geräten mit sehr kleinem Bauraum wie Digital-Kameras oder Mobiltelefonen auf. Ein Layout direkt im 3D-Modell stößt deshalb an Grenzen. Ein Ansatz zur CAD-Integration eines räumlichen Layouts wird in Bild 1 veranschaulicht. Ziel dieser Forschungsarbeit war es eine robuste algorithmische Basis für einen interaktiven teilautomatisierten 3D-Router zu schaffen. Durch die Zusammenarbeit mit einem industriellen Ausschuss konnten dazu grundlegende Design- und Fertigungsrichtlinien identifiziert werden.

 

Herausforderungen

Da während der Konstruktion von räumlichen Schaltungen Regelwerke berücksichtigt werden müssen, ist die Integration in entsprechende CAD-Tools durch eine automatisierte Anwendung anzustreben. Dementsprechend muss eine Überprüfung des Layouts in Bezug auf MID-Design-Richtlinien durchgeführt werden. Das Projekt MID-Layout setzt voraus, dass die Bauteile interaktiv platziert werden. Das dabei einfließende Expertenwissen sowie ästhetische Empfinden des Bearbeiters sind nur schwer durch ein vollautomatisches Platzierungsverfahren nachvollziehbar. Andererseits ist das Platzierungsproblem in der MID-Technologie nicht so akut, da sich die Anzahlen der Bauteile im Vergleich zum PCB-Entwurf oder gar zum Chip-Entwurf in deutlich geringeren Grenzen halten. Bezüglich der Layout-Unterstützung konzentrierte sich das Projekt auf das 3D-Routing. Auch hier liegt das Problem weniger in der Vielzahl der zu routenden Verbindungen, die durch aufwendige kombinatorische Strategien zu entflechten wären. Die Schwierigkeit liegt eher in den vielfältigen Möglichkeiten der Oberflächenstruktur des Schaltungsträgers. Im Projekt MID-Layout wurden teilautomatisierte Routing-Funktionen angestrebt, weshalb vom automatisierten 3D-Routing, aber nicht von einem 3D-Autorouter, gesprochen werden kann.

 

Realisierung und Implementierung

Die entwickelte Software MID-Layout ist als Plug-In für die PLM Software Systeme Siemens NX und Autodesk Inventor konzipiert und baut auf den mitgelieferten Programmierschnittstellen wie NXOpen oder der InventorAPI auf. Somit ist MID-Layout direkt in das Menü der jeweiligen CAD-Systeme integriert und der Benutzer greift auf die dreidimensionale Entwicklungsumgebung sowie die MCAD-Funktionalität zu.

 

MID-Layout bietet eine halbautomatische Unterstützung für die 3D-Platzierung von elektronischen Bauteilen an, die aus einer vorhandenen Komponentenbibliothek entnommen werden. Auch das Importieren von Netzlisten aus EDA-Tools ist möglich, um die Verbindungen der elektronischen Bauelemente untereinander einzulesen. An dieser Stelle hebt sich MID-Layout mit einem 3D-Autorouter gegenüber den kommerziellen Ansätzen besonders hervor. Dieser Router entflechtet die elektrischen Leiterbahnen auch über die Begrenzungen der 2D-Flächen hinweg. Mit den CAD-Daten des MIDs lassen sich Strukturierungsprozesse wie das Laser-Direkt-Strukturieren (LDS) über eine CAD/CAM-Kopplung ansteuern. Im Weiteren kann die genannte 3D-Funktionalität durch eine entkoppelte Funktionsstruktur auch auf andere 3D-MCAD-Systeme portiert werden.

 

Zentral wurde in diesem Projekt die teilautomatisierte Leiterbahnentflechtung durch eine Reduzierung des Komplexitätsproblems räumlicher Geometrien auf eine zweidimensionale Ebene behandelt. Dabei können einzelne Verbindungen zwischen verschiedenen Bauelementen über nicht-planare Flächen automatisiert erstellt und validiert werden.

Zur Umsetzung wurden Planarisierungsalgorithmen angewandt um auch gekrümmte, jedoch abwickelbare, Flächen in die Ebene zu transformieren und dort Routingalgorithmen aus dem EDA Bereich anzuwenden (siehe Bild 2). Hierdurch wird die Komplexität der Pfadfindung im 3D Umfeld deutlich reduziert. Die 3D-Schaltungsträger wer¬den dabei abgewickelt und in 2D dargestellt. 2D-Routingalgorithmen, welche schon in 2D-ECAD-(electronic CAD-) Systemen etabliert sind, können so direkt eingebunden werden. Abschließend erfolgt das Mappen der 2D-Routingergebnisse zurück auf die 3D-Darstellung der Schaltungsträger.

 

Für den Import der Schaltpläne wurde eine Schnittstelle zwischen dem ECAD System EAGLE sowie den MCAD Systemen entwickelt. Logische Verbindungen zwischen den Komponenten können so auch grafisch dargestellt werden. Die Platzierung von Elektronikbauteilen auf dem Schaltungsträgersubstrat ist bekanntermaßen mit zahlreichen Einschränkungen verbunden, welche durch die Fertigungs- und Design-Regeln vorgegeben sind. Typisch wären beispielsweise Flächen mit zu kleinen Radien, so dass Elektronikbauteile nicht mehr ausreichend auf dem MID befestigt werden können. Zudem sollten gewisse Flächen aus mechanischen Gründen lieber nicht bestückt werden, wenn dort etwa im späteren Betrieb zu hohe Belastungen vorliegen. Diese Flächen bilden die Gruppe der sogenannten Keep-Outs. Diese wurden bei der Umsetzung ebenso wie notwendige Design-Regel Prüfungen berücksichtigt. So erhält der Konstrukteur beispielsweise Hilfestellung bei der Platzierung durch das Hervorheben der Bauelemente in unterschiedlichen Farben (siehe Bild 3).

Ausblick

Aufgrund vielversprechender Ergebnisse zur Steigerung der Einsatzbereiche räumlicher Schaltungsträger ist es geplant, in einem Anschlussprojekt weiterführend die Verbindung zu CAM Systemen herzustellen und so Geometrien der Leiterbahnen direkt für die Fertigung nutzen zu können. So sind beispielsweise das automatisierte Ausleiten von Bauteilpositionen und Leiterbahnen nicht ohne aufwändiges Aufbereiten nutzbar. Beispielsweise muss für das Erstellen eines NC-Programms zum Strukturieren der Schaltungsträger die CAD-Dateien manuell angepasst und überprüft werden. Außerdem gibt es noch keine Lösung, die ein direktes Erstellen von lesbaren Datenformaten für fertigungstechnische Anlagen wie Bestückautomaten oder Strukturierungslasern erlaubt. Ein einheitlicher Algorithmus zur Extraktion und Erstellung von Maschinenschnittstellen, z.B. über Gerber Dateiformate oder NC-Programme, ist deshalb von dringender Notwendigkeit.

 

Publikationen im Rahmen des Projektes

 

Der Abschlussbericht des AiF-Forschungsvorhabens kann über die Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e. V. bezogen werden. Zusätzlich wurden Ergebnissedes Projekts in den folgenden Publikationen veröffentlicht:

[1] ZEITLER, J. ; FISCHER, C. ; GOETZE, B. ; MOGHADAS, S. H. ; FRANKE, J.: Integration of Semi-Automated Routing Algorithms for Spatial Circuit Carriers into Computer-Aided Design Tools. In: Proceedings of the 13th Electronic Circuits World Convention, 2014 

[2] ZEITLER, J. ; GOETZE, B. ; FISCHER, C. ; FRANKE, J.: Novel Approach for the Implementation of 3D-MID Compatible Routing Functionalities into Computer-Aided Design Tools. In: Advanced Materials Research 1038 (2014), S. 11–17 

 

Kontakt:

Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS)

Jochen Zeitler

Egerlandstraße 7-9

D-90429 Nürnberg

Tel.: +49 9131 85-28972

Fax: +49 9131 302528

Jochen.Zeitler@faps.fau.de

 www.faps.de

 

Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik e. V. (GFaI)

Dr. Bernhard Goetze

 Volmerstr. 3

D-12489 Berlin

Tel.: +49 30 814563-505

Fax: +49 30 814563-302

goetze@gfai.de

www.gfai.de

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