Integration halbautomatisierter Routingverfahren für räumlich spritzgegossene Schaltungsträger in CAD Tools (MID-Layout)

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Johanna Kranz
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1 Prof. Dr.-Ing. Jörg Franke Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Integration halbautomatisierter Routingverfahren für räumlich spritzgegossene Schaltungsträger in CAD Tools (MID-Layout)

Übersicht Projekt MID-Layout - Teilautomatisiertes 3D-Routing für mechatronische MID-Bauteile mit integrierten Design-Rule-Checks Kooperierende AiF - Mitgliedsvereinigungen: Gesellschaft zur

2 Übersicht Projekt MID-Layout - Teilautomatisiertes 3D-Routing für mechatronische MID-Bauteile mit integrierten Design-Rule-Checks Kooperierende AiF - Mitgliedsvereinigungen: Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik e.v. Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen e.v. Durchführende Forschungsstellen: Forschungsstelle 1 Forschungsstelle 2 Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik Egerlandstr. 7, Erlangen Prof. Dr.-Ing. Jörg Franke (Leiter der Fo-Stelle) C. Fischer (Projektleiter) / J. Zeitler Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik e.v. Volmerstr. 3, Berlin Prof. Dr. sc. A. Iwainsky (Vorstandsvorsitzender) Dr.-Ing. F. Weckend (Leiter der Fo-Stelle) Dr. B. Goetze (Projektleiter)

7, 91058 Erlangen Prof. Dr.-Ing. Jörg Franke (Leiter der Fo-Stelle) C. Fischer (Projektleiter) / J. Zeitler Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik e.v. Volmerstr.

3 Source: TRW / I&T Entwicklung alternativer elektronischer Baugruppen. Optische Komponenten Folienschaltungen MID - Strukturen Standardbaugruppen Gemeinsame Basistechnologien

4 Die neuen BMW-Motorräder erhalten den neuen Multifunktions-Handgriff hergestellt in MID-LDS-Technologie. Elektronischer Motorrad-Handgriff Eigenschaften: Branche: Automobilindustrie Hersteller: Kromberg & Schubert GmbH & Co. KG Herstellungsprozess: Laser Direkt Strukturieren LDS Material: Ultramid T 4381 LDS Vorteile: MID integriert 14 Schalter, Stecker und andere elektronische Komponenten. MID integriert vielfältige Funktionen wie Beleuchtung, Hupe, Navigation und Blinker. Polyamid (Ultramid T 4381 LDS) mit ausgezeichneten mechanischen und thermischen Eigenschaften. Quelle: Kromberg & Schubert GmbH & Co. KG/BASF AG

KG Herstellungsprozess: Laser Direkt Strukturieren LDS Material: Ultramid T 4381 LDS Vorteile: MID integriert 14 Schalter, Stecker und andere elektronische

Gehäusekonstruktion Produktmodellierung FEM-Simulation Spritzguss NC-Programmierung 3D-Bauelementebibliothek

5 Das FAPS-3D-ECAD System MIDCAD bietet Funktionen zum Platzieren und Routen. 2D-ECAD 3D-MCAD 3D MID-Layout 3D-MCAD Logikentwicklung 2D-Layout 2D-Routing Funktionssimulation Design Rule Checks Gehäusekonstruktion Produktmodellierung FEM-Simulation Spritzguss NC-Programmierung 3D-Bauelementebibliothek MID-spezifische Feature-Bibliothek 3D-Platzierung und -Routing MID-spezifische Design-Rule Checks Schnittstelle für CAE/CAM-Werkzeuge Ableiten von Fertigungsinformationen

6 Das Projekt MID-Layout wird vor allem zur Phase des Designs zugeordnet. Herstellung Design Strukturierung Metallisierung Montage Schaltungsträger Autodesk Inventor Siemens PLM NX ECAD (Eagle) Kunststoff-Spritzguss (mit 1 oder 2 Komponenten) Folienhinterspritzen LDS (Laser-Direkt-Strukturieren), Fa. LPKF Heißprägen Aerosol-Jet-Print 2-Komponenten-Spritzguss 3D-Bestückung von Surface-Mounted Devices (SMD) Verbinden durch Löten/Leitkleben Quelle: LPKF Laser & Electronics AG Projekt MID-Layout: Betrachtung der Konstruktion (CAD) mit Bezug auf die davon abzuleitenden Fertigungs-Steuerungsdaten (Design-Rules)

Komponenten) Folienhinterspritzen LDS (Laser-Direkt-Strukturieren), Fa.

Import der Netzliste Hoher Zeitaufwand bei Platzierung und Routing; zusätzlich

7 Typische Schritte die beim Layout Design eines MID Produkts auftreten können. 1. Konstruktion des räumlichen Schaltungsträgers 2. Import der Netzliste Hoher Zeitaufwand bei Platzierung und Routing; zusätzlich problematisch: Änderungen und komplexe Baugruppen 4. Routing und Modellierung der Leiterbahnen 3. Platzierung der elektronischen Bauelemente

der Flächen-Verbindungen in einem Nachbarschafts-Graphen Vergleich von 2D-Routing- Algorithmen und Integration in eine neue, robuste Methode für

8 Durch Planarisierung sollen gut funktionierende 2D-Routingalgorithmen in ein räumliches Umfeld gebracht werden. MID-Layout Forschungsprojekt (AiF) Topologie Reduktion der Komplexität: Unterteilung der Oberfläche in einzelne Flächen (B-Rep) Repräsentation der Flächen-Verbindungen in einem Nachbarschafts-Graphen Vergleich von 2D-Routing- Algorithmen und Integration in eine neue, robuste Methode für 3D Interaktives Routen für 3D-Oberflächen mit Vorschlägen und Korrekturen Echtzeit-Konstruktion basierend auf den Daten in einer Zwischenschicht B C A D B C E D A E

9 Der Konstrukteur definiert Arbeitsflächen die für die Bearbeitung gesperrt sind (Keep-Out Flächen). uneingeschränktes Routing Platzierung von Bauelementen möglich Routen von Leiterbahnen uneingeschränkt erlaubt eingeschränktes Routing Keine Platzierung von Bauelementen erlaubt Routen von Leiterbahnen erlaubt Flächen sollten vermieden werden kein Routing Keine Platzierung von Bauelementen erlaubt Kein Routen von Leiterbahnen erlaubt Flächen sind z.b. von Bedeutung als mechanische Kontaktflächen

Routing Keine Platzierung von Bauelementen erlaubt Routen von Leiterbahnen erlaubt Flächen sollten vermieden werden kein

10 max. Höhe Das Routing der Leiterbahnen ist durch technologiebedingte Design Regeln beeinflusst. 1 Durchkontaktierungen (VIA) 2 Kantenradien für Leiterbahnen empfohlener Kantenradius: min. 150 μm Öffnungswinkel vorgeschlagener Kantenradius min. Breite min. Breite 3 Abstände zwischen Leiterbahnen 4 Abstand zu Wandungen Abstand zwischen Leiterbahnen Abstände zwischen Leiterbahn und Wandungen Leiterbahnbreite Leiterbahn

150 μm Öffnungswinkel vorgeschlagener Kantenradius min. Breite min.

11 Einige Funktionen zum Schaltplanimports und der Design-Regel Prüfung sind schon verfügbar

12 Das Routing unter Berücksichtigung von Design Regeln soll durch ein 3-Schichtenmodell realisiert werden. 1 Implementierung der Layout-Algorithmen Funktionen des 3D-Routings Automatisierte Prüfung der Design Regeln Input / Output I / O n Transformationsebene zwischen 3D MCAD und Routingergebnis MID-spezifische Datenaufbereitung Input / Output (ohne GUI) n I / O Spezifisches 3D MCAD/2D ECAD System Programmierschnittstelle zur Ausleitung der 3D Geometrien Interaktives Routing MCAD/ECAD MID-Layout Routingalgorithmen Produktmodell Bedienoberfläche (GUI)

Transformationsebene zwischen 3D MCAD und Routingergebnis MID-spezifische Datenaufbereitung Input / Output (ohne GUI) n I / O Spezifisches 3D

13 MCAD MCAD API Layout-Algorithmen ECAD ECAD API Das Routing soll durch das 3-Schichtenmodell zusätzliche technologiespezifische Informationen berücksichtigen. CAD-Schicht Netze Produktmodell Netze MID-Layout Bauelemente Bauelemente Planarisierung Design-Regeln Baugruppe B-Rep Keep-Outs platzierte BE B-Rep Keep-Outs Planarisiertes Produktmodell Routing Aufgabe Leiterbahnen Routing Aufgabe Leiterbahnen Routing-Resultat Routing ECWC 13 - Integration of Semi-Automated Routing Algorithms for Spatial Circuit Carriers into Computer-Aided Design Tools 5/21/

CAD-Schicht Netze Produktmodell Netze MID-Layout Bauelemente Bauelemente Planarisierung Design-Regeln Baugruppe B-Rep Keep-Outs platzierte

14 Ergebnis ist eine funktionierende Schaltung auf dem 3D-Modell im MCAD System. Projektvorstellung MID-Layout

15 Die Erfolgskontrolle muss anhand wichtiger Beispiele aus dem Design abgesichert werden. Einfache Erstellung komplexer Schaltungen: manuelle Erstellung sehr zeitaufwändig und mühsam Kurze Wege bei Leiterbahnen: Einsparung von Zykluszeit bei Strukturierung/Metallisierung und bei Material Schnelleres Design für Varianten und Änderungen des Entwurfs Arbeitserleichterung des Entwicklers für den gesamten Erstellungsprozess

Leiterbahnen: Einsparung von Zykluszeit bei Strukturierung/Metallisierung und bei Material Schnelleres

16 Noch eine kurze Zusammenfassung. Entwicklung eines Werkzeugs zur einfachen und schnellen Erstellung von 3D-MID Fokus auf automatisiertem Routing Implementierung von bestehenden Routingverfahren durch Reduzierung der Komplexität Berücksichtigung von technologiespezifischen Design-Regeln und Nutzerdefinierten Keep Out Flächen D Eingreifen des Konstrukteurs C möglich E Anbindung an mehrere CAD Systeme durch gekoppelte Softwarestruktur möglich B A

Implementierung von bestehenden Routingverfahren durch Reduzierung der Komplexität Berücksichtigung von

17 Prof. Dr.-Ing. Jörg Franke Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg DANKE

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