Als letzter Schritt in der Entwicklung digitaler Systeme steht deren physikalischer Aufbau, d.h. der Entwurf und die Herstellung der Leiterplatte, auf der die Bauelemente des Systems elektrisch verbunden werden. Der experimentelle Aufbau der Systeme ist in manchen Fällen unverzichtbar, um das Zusammenspiel der Hardware mit anderen Systemen zu testen und eventuelle Fehlerfälle aufzudecken, die durch reine Simulation nicht erkannt werden können.

Software-Werkzeuge

Schaltplaneingabe

Der erste Schritt im Entwurf einer Leiterplatte ist die Eingabe des Schaltplans. Sämtliche Bauelemente, die verwendet werden sollen (Widerstände, Kondensatoren, Stecker, ICs etc.), müssen sich dazu in einer Bauteilbibliothek befinden. Die Elemente werden in den Schaltplan eingefügt und anschließend verdrahtet.

Layoutentwurf

Nach Eingabe und Prüfung des Schaltplans kann die physikalische Struktur der Platine entworfen werden. Dazu werden sämtliche Bauelemente aus dem Schaltplan auf der Platine positioniert und durch Leiterbahnen miteinander verbunden (Routing). Das Tool unterstützt den Entwickler, indem es die Verbindungen anzeigt, die dem Schaltplan zufolge gemacht werden müssen. Zum Abschluß kann das Layout mit umfangreichen Funktionen automatisch überprüft werden.

Als Software-Werkzeug für den Entwurf der Leiterplatten wird am IND die Integra-Station von Mentor Graphics verwendet. Dieses professionelle Entwicklungswerkzeug wird auch in der Industrie häufig eingesetzt und ermöglicht die Erstellung von mehrlagigen Leiterplatten.

Es wird eingesetzt

• bei der Durchführung von Studien- und Diplomarbeiten und
• im Praktikum "Datenverarbeitung".

Leiterplattenerstellung

Am IND wird ein Fräsbohrplotter verwendet, um zweilagige Platinen selber herzustellen. Mehrlagige Platinen sind aufwendiger in der Fertigung und werden extern gefertigt.

Datenaufbereitung

Für die physikalische Fertigung der Platinen muss zunächst das proprietäre Datenformat der Integra-Station in ein standardisiertes CAM-Format umgewandelt werden (Gerber-Format). Die Daten im Gerber-Format werden von der Software CircuitCAM zur Berechnung der Bohr- und Fräsdaten verwendet. Das letzte Tool in der Kette (BoardMaster) übernimmt die Fräsdaten und steuert damit den Fräsbohrplotter.

Galvanische Durchkontaktierung

Im ersten Fertigungsschritt werden sämtliche Löcher durch den Fräsbohrplotter in die Platine gebohrt. Direkt im Anschluss erfolgt die Durchkontaktierung. Dazu wird die Platine für ca. 45 Minuten in ein Bad getaucht, in dem Kupfer galvanisch aufgetragen wird. Dieses Kupfer wandert auch in die Löcher und sorgt so für eine elektrische Verbindung von Ober- und Unterseite der Platine (sog. Durchkontaktierung).

Fräsbohrplotter

Im Anschluss an die Durchkontaktierung wird die Platine wieder in den Fräsbohrplotter eingespannt und die Leiterbahnen auf Ober- und Unterseite der Platine werden durch abfräsen des Kupfers zu beiden Seiten der Bahnen gebildet (Isolationsfräsen). Am IND wird ein Fräsbohrplotter von LPKF (ProtoMat95s/II) verwendet. Durch den automatischen Werkzeugwechsel laufen alle Vorgänge beim Fräsen und Bohren (bis auf das Einspannen der Platine) automatisch ab. Der Fräsbohrplotter kann zwischen verschiedenen Werkzeugen wählen (Bohrer, Universal-Fräser, Mikro-Fräser etc.). Hier ein paar interessante Leistungsdaten des Plotters:

• Auflösung des Schrittmotors: 6,25 um
• Fräsbohrspindel mit 10.000 - 60.000 Umdrehungen/min
• Mindestleiterbahnbreite: 0,1 mm (4 mil)
• Mindestabstand der Leiterbahnen: 0,1 mm (4 mil)
• Kleinster Bohrdurchmesser: 0,2 mm (8 mil)

Er wird eingesetzt

• zur Durchführung von Studien- und Diplomarbeiten und
• im Praktikum "Datenverarbeitung".

Erstellung von Daten für externe Produktion von Mehrlagenkarten

Der externe Hersteller benötigt im wesentlichen die Gerber-Daten des Layouts. Hierfür wird von der Integra-Station für jede Lage der Platine ein separates Gerber-File erzeugt. Auch für die Bohrungen wird eine Datei generiert. Weitere Lagen können die Lötstopmaske und die Maske für die Lötpaste sein. Für bestimmte Bauteile, z.B. ICs im BGA-Gehäuse, kann die Bestückung ebenfalls extern erfolgen.

Aufbau und Test

Arbeitsplätze

Nach der Fertigung der Platine erfolgt deren Bestückung mit den Bauteilen. Hierfür stehen mehrere Arbeitsplätze mit Lötstationen und Werkzeug zur Verfügung.

Logikanalyzer

Um die korrekte Funktionsweise der aufgebauten Hardware zu überprüfen oder um Fehler in digitalen Systemen aufzuspüren, ist ein Logicanalyzer unerlässlich. Zwei Analyzer können am IND verwendet werden. Für eine große Anzahl an Kanälen kann das Zeitverhalten untersucht werden (Timing-Analyse) oder das rein logische Folgeschaltverhalten (State-Analyse), wobei dem Analyzer hierbei zusätzlich der Takt des untersuchten Systems zugeführt werden muss:

• 1. Logicanalyzer: 4 GHz Timing, 1 GHz State, 32 Kanäle
• 2. Logicanalyzer: 500 MHz, Timing, 110 MHz State, 64 Kanäle

Patterngenerator

Manchmal genügt es nicht, ein digitales System nur passiv mit dem Logikanalysator zu beobachten. Vielmehr muss man das System mit bestimmten Signalen an seinen Eingängen reizen, um zu testen, ob es in der gewünschten Weise reagiert. Hierzu kann ein Pattern-Generator verwendet werden. Am Institut steht ein 40 Bit breiter 200Mvector/s Generator zur Verfügung.

Speicheroszilloskop

In den heutigen digitalen Systemen mit ihren hohen Taktfrequenzen sind analoge Effekte, wie z.B. Reflexionen an Leitungsenden etc., nicht zu unterschätzen. Mit dem 2-Kanal-Speicheroszilloskop können bei 2 GSamples/s hochfrequente Signale auf ihr analoges Verhalten untersucht werden.

Viele weitere Laborgeräte, wie z.B. Impulsgeneratoren, Labor-Netzteile, Oszilloskope können zur Untersuchung der Hardware verewendet werden.