Genom åren har realtids 3D-grafik revolutionerat sättet som man interagerat med datorer. Med 3D PCB-verktyg har den revolutionen nu kommit till PCB CAD datorn. Jason Higston, Senior product manager hos Altium, beskriver här fördelar och arbetssätt.

Att konstruera och skapa nästa generations elektronikprodukter är en komplex process, särskilt när man tar hänsyn till dagens konkurrerande globala företagsamhet där teknikskifte har blivit vardagsmat och vidareutveckling regerar. Konstruktörer som misslyckas med att hantera dessa ändringar riskerar att hamna på efterkälken, eller ännu värre, inte kunna konkurrera alls. Ingenstans är denna trend tydligare än när det gäller kretskortsdesign. Det är en marknad där konsumentens krav på mindre, billigare, snabbare och mer funktionsfyllda elektronikprodukter kopplat mot kortare utvecklingscykler och geografiskt skilda utvecklingsteam, driver upp komplexiteten och pressar konventionella utvecklingshjälpmedel till bristningsgränsen.
Det som också ökar kretskortens komplexitet är ett ökande antal nät, hårdare designregler och ledartäthet. Samtidigt finns en trend av ständig utveckling mot högre klockfrekvenser och mer tätt packade komponenter. Detta påverkar alla marknadssegment och inte bara ”high-end” konsumentprodukter.
Lyckligtvis har ECAD-verktygen under åren stadigt utvecklats för att möta de nya utmaningarna i form av den utökade komplexiteten i konstruktionerna. En avgörande förändring, introduktionen av 3D-funktionalitet, utlovar att revolutionera sättet som konstruktörer inte bara skapar sin konstruktioner på utan också hur de konkurrerar på den globala arenan.

Utmaningar i en tredimensionell värld
Traditionellt sett har kretskortskonstruktörer förlitat sig på "mockupper" för att säkerställa passform och funktion innan produktion. Även om detta är en fungerande metod har den många nackdelar, inte minst det faktum att en kretskorskonstruktör inte kan vara säker på att hans kort passar förrän prototypen är tillverkad. Dessutom kommer användandet av mockupper som regel att lägga till fler iterationer i konstruktionsprocessen. Tar man hänsyn till att en ny runda kort, som tar en hel del arbetstid även för ganska okomplicerade kort, i genomsnitt kostar 60 000 kr [i] per runda, kan man förstå att ett sådant här tillvägagångssätt gärna undviks. Att lägga till mer tid eller kostnader till en konstruktion gör inte bara företaget mindre konkurrenskraftigt utan gör det också svårare när man ska hitta nya affärsmöjligheter.
En annan nackdel är att kretskortskonstruktion traditionellt har gjorts i 2D. I huvudsak har konstruktionerna skapats i 2D, måttsatts för hand, och sen skickats vidare till mekanik-konstruktörerna som använt CAD-verktyg avsedda för mekanik för att rita in det hela i 3D. Det här tillvägagångssättet är mycket tidskrävande då det utförs manuellt och har en benägenhet att generera en hel del fel. Dessutom ger det inte den avgörande skillnaden som man behöver för att skapa nästa generations elektronikprodukter. Problemställningen är klar. Kretskortskonstruktörer behöver ett bättre sätt att åskådliggöra och granska sina alltmer komplexa kretskort.
Givet att slutmålet för kretskortskonstruktören är att skapa produkter för den verkliga världen (som ju faktiskt har tre dimensioner) är bästa sättet att hantera denna utmaning att använda utvecklingsverktyg som har avancerade 3D-egenskaper. Sådana möjligheter ger konstruktören möjlighet att få verklighetstrogna vyer av sina konstruktioner innan produktion, vilket tar bort såväl behovet av mockupper som flera rundor av kort, vilket sparar både tid och pengar (Fig 1). Exakta 3D-modeller av komponenter kan lätt skapas och sen användas för att skapa en layout i äkta 3D.
En 3D-modell av produktens tilltänkta hölje kan också läggas in i ECAD-verktyget vilket möjliggör att kretskortet från början kan skapas för att få plats i höljet. Som resultat av detta kan konstruktörerna med större förtroende skicka iväg sina underlag för tillverkning.

Fig 1. Med 3D-möjligheter kan konstruktören utvärdera en konstruktions alla aspekter både från in- och utsidan

Möjligheten att kunna exportera i 3D gör att man dessutom kan göra ytterligare analyser, såsom termiska- eller EMC-tester i andra simuleringsverktyg. Det kan vara mycket kritiska funktioner som att t ex värmespridningen inne i höljet är beroende av kretskortets utformning och i dessa dagar där i stort sett varenda liten kompakt batteridriven produkt använder WiFi.
Av de här skälen är det av absolut nödvändighet att ha ECAD-verktyg med 3D-möjlighet för att under kontrollerade former, snabbt och kostnadseffektivt, kunna utveckla nästa generations elektronikprodukter.
 
Efterlyses: Möjlighet till full 3D
Värdet av att ha 3D-funktionalitet är obestridlig och som ett resultat hävdar nu ett antal företag att de erbjuder just detta, men alla verktyg som kan hantera 3D är inte lika. För att kunna utnyttja alla fördelarna med 3D är det viktigt att man har ett program som klarar betydligt mer än att bara se realistiska 3D-bilder utan också erbjuder fulla 3D-möjligheter, såsom:

• Möjligheten att kunna skapa 3D-animeringar. Med den här möjligheten kan konstruktören lätt dela med sig och visa upp sin produktdesign, eller tom skapa marknadsföringsmaterial. Det skapar också bättre samarbetsmöjligheter med övriga delar av projektteamet eller tillverkare. Med en 3D-video kan man visa för denne hur produkten kommer att se ut när den väl är tillverkad. Videon kan t ex också användas för att planera i vilken ordning komponenter ska monteras på kortet.
• Möjligheten att ta in 3D-modeller inte bara på komponenter utan också andra föremål. Här är det tvärstopp för en del verktyg som bara tillåter grundläggande visuell kontroll och isolationsavstånd mellan komponenter i 2D. Men det är lika viktigt att kunna ta med hölje och andra mekaniska objekt för att placering av komponenter och layout ska bli rätt vid första försöket.
• 3D-möjlighet i kontrollen av design reglerna (DRC) är en mycket viktig funktion då denna assisterar i realtid under layoutarbetet. En DRC som arbetar i 3D talar om för konstruktören huruvida problem uppstår mellan två komponenter eller kanske hölje och kylflänsar i alla tre axlarna.
• Möjlighet att se kopparstrukturen inne i ett flerlagerskort. Fast man använder ett ECAD-verktyg som hanterar 3D kan problem ändå uppkomma under själva tillverkningen. Att upptäcka problem på ett så sent stadium kan bli kostsamt. Att ha möjligheten att kunna se kopparstrukturen i 3D gör det lättare för konstruktören att verifiera och bedöma anslutningar till interna plan eller värmeavledningar.

Enhetligt verktyg
Altium Designer är ett exempel på ett utvecklingsverktyg med full 3D-funktionalitet. Ett enda komplett programpaket kan användas under alla faserna i elektronikutvecklingsprocessen. Från första början med schema och konstruktion, fysisk PCB layout och passform till signalintegritetsanalys och slutligen skapande av kretskortsunderlag för tillverkning (Se fig 2). Den här lösningen gör att ingenjörer, lika för nybörjare och experter, kan ändra till en mer ”mjuk” arbetsmetodik utan att behöva bli specialister på allt. Genom detta kan de ta fram mer innovativa konstruktioner på mindre tid och också ha möjlighet att undersöka olika konstruktionslösningar med en frihet och lätthet som inte är möjligt med andra system.

Fig 2. Altium Designer stödjer alla aspekter av konstruktionsarbetet med nästa generations elektronikprodukter

Altium Designer innehåller mjukvara som behövs för att hantera alla aspekter av elektronikutvecklingsprocessen. Allt arbete sker dessutom inne i den integrerade Altium Designer miljön. Det som knyter samman de olika programmodulerna till en enda integrerad miljö är Design Explorer Integration plattformen (DXP). Denna ger ett enhetligt användargränssnitt över alla verktygen såväl som en utökad funktionalitet mellan de olika delarna, vilket gör att användaren lätt och smidigt kan skifta mellan olika arbetsmoment. Den hanterar också en hel mängd funktioner som är gemensamma för de olika verktygen och sparar därför in dubbel implementation av samma funktion och förkortar utvecklingsprocessen.
Uppsättningen av tillgängliga finesser och funktioner kan variera beroende på vilken licensmodell som köpts men för utökad flexibilitet stöds såväl support- som FPGA-verktyg, tredjeparts HDL-simulatorer och syntesverktyg helt sömlöst. Altium Designer är också fullt anpassningsbart med ett kraftfullt skriptsystem och API:er.

En närmare titt under motorhuven
Som ett verktyg med full 3D-funktionalitet erbjuder Altium Designer alla de 3D-möjligheter som tidigare nämnts. I den inbyggda PCB-editorn har konstruktören snabbt och enkelt tillgång till detta genom att helt enkelt bara skifta från 2D till 3D-läget. Som en kontrast kräver andra lösningar oftast att användaren öppnar sin konstruktion i ett separat program eller ”viewer” för att kunna få 3D. En klart begränsad och ofta felgenererande metod. När Altium Designer arbetar i 3D-läge kan det såväl skapa kompletta 3D-modeller för export som alla nödvändiga 2D underlag för produktion och dokumentation.
I Altium Designers 3D Visualization Panel kan man samtidigt se upp till tre olika 3D-tvärsnitt samtidigt. Detta ger konstruktören möjlighet att få full överblick på kortet samtidigt som han arbetar i antingen 2D eller 3D-läge. Det finns också ett antal fördefinierade vyer och realtids kamerarörelser som kan användas i 3D. Dessa vyer återspeglar möjligheten att vrida och vända på kretskortet precis som i verkligheten. Genom 3D ortografisk projektion har användaren möjlighet att se exakt objektgeometri inklusive positionering av komponenter som normalt sett skulle varit skymda. Resultatet av detta är en ännu mer realistisk vy av kortet och därmed bättre möjligheter att hantera konstruktionen.
En avgörande skillnad med Altium Designer är att det fungerar på datorer med relativt standard hårdvara. De flesta CAD-verktyg med 3D-funktionalitet kräver att användaren införskaffar dyr hårdvara och utnyttjar OpenGL för hårdvaruacceleration. Altium Designer däremot använder grafikkort avsedda för spel och DirektX för att ge användaren samma prestanda på en vanlig dator. Som ett resultat av detta är 3D-funktionalitet tillgänglig för alla, inte bara för dem som har råd att köra på dyra arbetsstationer.
Några av nyckelfunktionerna inom 3D som Altium designer erbjuder är:

• STEP import/export. Med den här funktionen kan användare lätt exportera till STEP för interoperabilitet med mekanikverktyg för ytterligare kontroll av mekanisk inpassning eller kanske termisk analys. Funktionen kan också användas när man har ett system bestående av flera kretskort som ska sättas samman. I det fallet kan man skapa 3D STEP modeller av varje kort som sedan passas samman. Allt i en och samma miljö.
• Noterbart är att man i Altium Designer också kan skapa 3D-modeller utan att behöva använda ett externt CAD program (Fig 3). En 3D-modell är ett primitivt polygonobjekt som kan lagras i biblioteken som ett footprint, PCB dokument eller vilket som helst av de använda mekaniska lagren. 3D-figurer kan användas i både 2D- och 3D-läge. I 3D-läge används de för att rendera upp en 3D-form för en komponent eller objekt. I 2D läge används konturen för att ge en noggrann komponentplacering.
• 3D-objektet fungerar som en platshållare för monterade eller länkade 3D STEP filer. Möjligheten att hantera STEP import på det här viset förbättrar ECAD-MCAD kompabiliteten genom att göra det möjligt för mekaniska modeller som representerar icke monterade friflytande objekt som t ex hölje eller inneslutningar att hanteras inne i Altium Designer och exakt passas in i 3D-miljön. Som ett resultat av detta kan användaren visuellt och noggrant verifiera konstruktionen inklusive isolationsavstånd mellan alla typer av 3D-objekt direkt i Altium Designer.
• Oavsett om 3D-objektet är skapat i Altium Designer eller importerat som STEP kan det sparas i biblioteken för användning i framtida projekt.

Fig 3. 3D-modeller används för att definiera den fysiska storleken och utseendet på en komponent i både horisontal- och vertikalplanet vilket ger en mer exakt isolations- och kollisionskontroll av Altium Designers DRC

• Skapa 3D-filmsekvenser. I Altium Designer skapar man enkelt 3D-video dokumentation av en kretskortsdesign. (Fig 4). Videon består av en sekvens av enstaka ögonblicksbilder av kortet i 3D. För varje bild kan användaren justera zoomning, vinkel och rotation i förhållande till föregående bild. 3D-video möjligheten kan användas i ett antal viktiga moment som t ex konstruktionsgranskning, genomgång av synpunkter vid avstämningspunkter under utvecklingen och bedömningar av olika varianter på konstruktionen.

Fig 4. Med Altium Designers 3D-funktioner kan användaren praktiskt taget skapa sina egna 3D-filmer

• 3D-kontroll av isolationsavstånd. Denna funktion gör att importerade höljen och inneslutningar kan vara med i konstruktionsarbetet (Fig 5) Med dessa modeller kan användaren säkerställa att kretskortet kommer att passa i höljet vid första försöket.

Fig 5. Realtids isolationskontroll och kollisionskontroll minskar dramatisk tiden för korrekt utplacering av komponenter och prototyprundor av kortet

• 3D-visning av brott mot reglerna för kopparlagren. Den här funktionen ger användaren möjligheten att hantera kopparlagren inne i laminatet i syftet att se och verifiera anslutningarna så de inte bryter mot reglerna. Om problem hittas kommer de att markeras ut i 3D (Fig 6) och ger användaren möjlighet att zooma in och se problemet, vilket annars kanske inte hade hittats förrän kortet skulle tillverkats.
• 3D-hänsyn till olika varianter. Med den här funktionen har alla 3D-modeller inbygg hänsyn till olika konstruktionsvarianter. 3D-videor, exporterade STEP modeller och tillverkningsunderlag baseras på den valda konfigurationen av kortet.
• 3D Sektionsvyer. Den här funktionen gör att man kan se 3D-tvärsnitt av en design. Allt man behöver göra är att klicka med musen på den del av kortet man vill granska mer detaljerat. Därmed får man automatiskt upp ett 3D-tvärsnitt av den valda sektionen.
• 3D-vyer, inklusive inspelade videos kan avsevärt förbättra möjligheterna att kontrollera sin konstruktion.

Fig 6. Genom att man i 3D direkt kan se om man brutit mot designreglerna för kopparlager, nät, nätklasser och 3D-objekt är det mycket lättare att hitta och åtgärda problem

Utnyttja fördelarna
Att designa i 3D ger en mängd fördelar. Det kortar ner designcykeln genom att minska antalet iterationer mellan MCAD-ECAD till en, eller i vissa fall noll, och minskar antalet fel vilket i sin tur ökar produktiviteten dramatiskt. Och, genom att ta bort osäkerheten huruvida kortet kommer att passa i höljet kan industridesigners fokusera ännu mer på att göra produkten estetiskt tilltalande.
Andra viktiga fördelar med att jobba i 3D:

• Konkurrensfördelar. Genom att jobba i 3D kortas konstruktionstiden, tillverkningen strömlinjeformas och man snabbar upp produktens introduktion genom att kommunikationen går bättre inom hela organisationen, såväl med leverantörer som kunder. Genom att snabbt få produkten på marknaden med högre kvalitet ökas försäljningen, medan minskade utvecklingskostnader också ger högre marginaler.
• Förbättrat globalt samarbete. En verklighetstrogen 3D-bild skapar en mer effektiv kommunikation med leverantörer, kunder och tillverkare. Det ger tom möjlighet för icke CAD-folk att delta i processen. T ex genom att ge ett förslag till kunden att bedöma och utvärdera. Detta är speciellt viktigt då många företag nu väljer att lägga ut tillverkningen, antingen lokalt, eller kanske i Kina. Det hör till sakens natur att man då öppnar dörren vidöppen för missförstånd gällande konstruktionen eller funktionen för den slutgiltiga produkten. En 3D-bild utgör då ofta en lättförståelig grund som alla inblandade kan utgå ifrån.
• Effektivare konstruktionsgenomgångar och modifieringar. Möjligheten att kunna skapa 3D-renderingar gör det enklare att ta fram förslag och göra genomgångar med alla i projektgruppen. Det gör det också lättare för konstruktören att göra ändringar eller lägga till sena ändringar. Så fort en ändring gjorts kan man skapa en 3D-animering som bekräftelse på ändringen.
• Effektivare tillverknings- och monteringsprocess. 3D-modeller ger en bas från vilken tillverkare kan arbeta från. De är detaljerade och ger en klar bild av konstruktionsidén och dess syfte. Det ser också till att man tidigt i konstruktionsprocessen hittar fel som i vanliga fall inte hade hittats förrän vid tillverkningen. Slutresultatet blir att tillverkningsprocessen av en produkt där man kan använda 3D-modeller blir mycket mer noggrann och effektiv.
• Förbättrad försäljning och marknadsföring. 3D-modeller av produkten kan användas som ett värdefullt marknadsverktyg och kan skapa mervärde genom att låta kunderna se sina produkter innan de tillverkas. De ger också säljorganisationen möjlighet att snabbare kunna offerera dem till slutkunder.

Jason Higston, Senior product manager, Altium

[i] Boucher, M. “Why Printed Circuit Board Design Matters to the Executive: How PCBs Are a Strategic Asset for Cost Reduction and Faster Time-to-Market” (2010 Aberdeen Group Case Study, p8)

Filed under: EDA