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Vom PCB-Design bis hin zu Nanopartikeln: wie man zu einer großartigen Entdeckung kommt

Diese Fallstudie über PCB Design ist auch die Geschichte eines der größten wissenschaftlichen Erfolge des Jahrhunderts, der durch die harte Arbeit vieler Menschen und dank des Einsatzes leistungsfähiger und hoch entwickelter Technologien erzielt wurde.

Alles begann 1913 mit den ersten Theorien zur Quantenmechanik: der Grundstein für eine der größten Revolutionen unserer Weltanschauung. Zusammen mit Albert Einsteins Relativitätstheorie von 1905 ermöglichte die Quantentheorie von Niels Bohr eine realistischere Beschreibung grundlegender Naturphänomene im Vergleich zur klassischen Physik. Quantenmechanik beschreibt Strahlung und Materie sowohl als Wellenphänomen als auch als Teilcheneinheit: das Gegenteil der klassischen Mechanik, bei der beispielsweise das Licht nur als Welle oder das Elektron nur als Teilchen beschrieben wird.

Zwischen Einstein und Bohr entwickelte sich eine legendäre Debatte, die erst in der zweiten Hälfte der 60er Jahre mit der Entwicklung des sogenannten Standardmodells weitgehend gelöst wurde. Das Standardmodell, welches die Eigenschaften der fundamentalen Wechselwirkungen innerhalb der Materie beschreibt, hatte unter seinen Voraussetzungen die Rolle des Higgs-Bosons, einer Art Partikel, der die Materie zugrunde liegt. Das 1964 theoretisierte Higgs-Boson wurde erst 2012 live „gesehen“ und dank der vom LHC-Beschleuniger am CERN in Genf durchgeführten Experimente bewiesen.

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Von Viareggio nach Genf auf der Suche nach den Geheimnissen der Materie

Der LHC im CERN ist ein Teilchenbeschleuniger mit einem Durchmesser von 27 km, mit dem die Struktur der Materie im subnuklearen Maßstab untersucht werden kann. Dank dessen Einsatzes können Antworten auf grundlegende Fragen zur Realität gesucht werden. Stellen Sie sich vor, wie hoch entwickelt eine solche Maschine sein kann! Ein Großteil der elektronischen LHC-Geräte ist von CAEN S.p.A. in Viareggio in der Toskana gebaut worden.

CAEN, ein Spin-off des italienischen Instituts für Kernphysik, liefert seit mehr als 40 Jahren die Elektronik für die wichtigsten Experimente im physikalischen Bereich: hauptsächlich Instrumente für Partikel- oder Strahlungsdetektoren. Dank einer engen Zusammenarbeit mit mehreren Forschungslaboren, einschließlich CERN, hilft das italienische Unternehmen Phänomene wie die Neutrinophysik oder die Untersuchung der Dunklen Materie zu erforschen. Darüber hinaus entwirft CAEN auch Instrumentierung für die Industrie.

Typische Produkte von CAEN sind Hoch- und Niederspannungsnetzteile für Teilchenphysik-Experimente und Geräte für die digitale Signalverarbeitung. Diese Geräte werden dank einer Forschungs- und Entwicklungsabteilung mit 40 Physikern und Ingenieuren hergestellt, die die Stärke dieses Unternehmens darstellt. Die R&D-Abteilung von CAEN ist genau das Element, mit dem die Elektronik für so fortgeschrittene wissenschaftliche Experimente wie die an Nanopartikeln eingesetzt werden kann.

Der Bedarf an fortschrittlichen Entwurfswerkzeugen

Eine weitere notwendige Voraussetzung für die Realisierung dieser hoch entwickelten Geräte ist die Verfügbarkeit von Entwurfs-Tools, mit denen komplexe Elektronikplatinen verwaltet werden können. „Als unser R&D-Team mit dem Entwurf von Hochgeschwindigkeitsplatinen mit DDR4-Speicher und Signalen bis zu 8 Gigahertz begann“ – so die Hardware-Projektmanager im Unternehmen – „konnten wir vom CAD keine Bestätigung erhalten, dass sie ordnungsgemäß funktionierten. Wir haben anfangs mit einem externen Partner zusammengearbeitet, der HyperLynx verwendet, um die Simulation in den Entwurfsablauf zu integrieren.“

Das R&D-Team hat somit beschlossen, PADS Professional in einigen Arbeitsstationen einzuführen, da die anderen PCB-Design-Tools Projekte dieser Komplexität nicht verwalten konnten. „Beim Entwerfen mit PADS Professional konnten wir eine viel schnellere Interaktivität feststellen. Insbesondere die Größe des Projekts rechtfertigte eine Entscheidung wie die Einführung eines neuen Tools im Unternehmen. Eine anfängliche Investition in die Ausbildung des Personals war erforderlich, war aber durch die erhöhte Entwurfsgeschwindigkeit gerechtfertigt. In PADS Professional lassen sich beispielsweise die Regeln für das Hochgeschwindigkeits-Timing einfacher festlegen. Wir haben aber auch erhebliche Unterschiede bei der Ausarbeitung weit verbreiteter Planplatinen und Routen festgestellt.“

Der LHC im CERN

Der LHC im CERN

Wenn PADS Professional den Unterschied macht

Die Fallstudie CAEN ist besonders bedeutsam im Hinblick auf die Unterschiede zwischen den verschiedenen Tools, die heute auf dem Markt verfügbar sind. Wenn beispielsweise andere Tools aufgrund des benutzerfreundlichen Interface-Designs den ersten Ansatz erleichtern, ist es viel vorteilhafter, ein Tool wie PADS Professional zu verwenden, wenn das Projekt etwas komplexer wird. Die Fähigkeit, schneller zu entwerfen, führt sofort zu geringeren Kosten und ein schnelleres Go-To-Market.

Aus rein technischer Sicht deutet die von uns beschriebene Fallstudie auf vier Merkmale, die PADS Professional einzigartig machen.

  1. Eine integrierte Datenbank für jedes Projekt, um die Integrität und Kontinuität der Daten zwischen Schaltplan und Leiterplatte sowie während des gesamten elektronischen Flusses durch einen synchronen Datenaustausch zu garantieren.
  2. Ein erweitertes Entwurfsregelsystem mit einer Struktur zum Festlegen physikalischer und elektrischer Regeln basierend auf einer Tabelle, die auf Datenbankebene strukturiert ist. Dies stellt die vollständige Einhaltung von Designproblemen durch eine einzige Anwendung sicher, auf die über den gesamten elektronischen Fluss zugegriffen werden kann.
  3. Die Verwaltung des Platzierungsplaners durch logische Gruppen, sodass man nicht mehr an jeder einzelnen Komponente arbeitet, sondern die Platzierung von Leiterplatten über die schematischen Logikfunktionen planen kann.
  4. Integrierte Signal-Integrity-Simulatoren vor und nach dem Layout basierend auf der weltweit anerkannten HyperLynx-Technologie von Mentor. Dies ermöglicht sowohl in der Spezifikationsphase als auch bei der Realisierung der Leiterplatte bis zu den heute verwendeten höchsten Frequenzen, die Kontrolle der Qualität der Signale.

Hier wird ein kleines Geheimnis hinter einer großen wissenschaftlichen Entdeckung enthüllt. Um herausfordernde Ziele zu erreichen braucht man sowohl kompetente, motivierte und einfallsreiche Leute als auch Top-Technologien. Um solche Technologien zu schaffen muss alles auf höchstem Niveau sein, beginnend mit der für das Design verwendeten Software.

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CAEN. Vom PCB-Design bis hin zu Nanopartikeln: wie man zu einer großartigen Entdeckung kommt

Unser eBook enthält ein erfolgreiches Beispiel von PCB-Design bei komplexen Projekten. Erfahren Sie mehr über:

  • wie ein kleines Designteam über eine sehr hoch entwickelte und dennoch einfach zu bedienende Software verfügen kann;
  • wie Sie die Integrität und Kontinuität der Daten zwischen Schaltplan und Leiterplatte sowie im gesamten elektronischen Flow sicherstellen können;
  • come disporre di un sistema di regole progettuali avanzato e utilizzarlo al meglio;
  • wie man ein fortschrittliches Designregelsystem haben und es in vollem Umfang nutzten kann;
  • wie man einen Platzierungsplaner für logische Gruppen verwaltet;
  • wie Signal-Integrity-Simulatoren vor und nach dem Layout integriert werden.
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Luca ValzaniaVom PCB-Design bis hin zu Nanopartikeln: wie man zu einer großartigen Entdeckung kommt