Herstellungsprozess

[casiopeia]

Der Käufer eines Komplettsystems bekommt normalerweise nichts davon zu sehen, der emsige PC-Schrauber sieht höchstens eine dünne, aufgrund der vielen Bauteile, wichtig wirkende, farbige Platte mit ein paar Anschlüssen. Dem Mainboard.
Im Vergleich Gehirn gegen CPU stellt das Mainboard die zentrale Anlaufstelle dar, das Nervensystem, ein Gebilde aus lauter Elektronik in dem alle Daten zusammenlaufen.
Es verbindet die CPU mit der Grafikkarte, mit den weiteren Steckplätzen, beherbergt lauter Controller, und, was am wichtigsten ist, es sorgt dafür dass alle Komponenten funktionieren und zusammenarbeiten. Also interessiert uns wie dieses „Meisterwerk“ gebaut wird.

Nicht alles ist neu:

Natürlich ist nicht jedes Mainboard eine komplette Neuentwicklung. So entstand aus dem nForce2 ein nForce3, aus dem wiederum ein nForce4, usw. Wichtig ist es also, mit einer wirklichen Neuentwicklung, eine solide Basis für künftiges zu entwickeln. Es geht sogar so weit dass man Boards auf Basis eines Athlon zu einem Board für einen Pentium umbauen kann, insofern die Basis stimmt. Das spart eine Menge Zeit und Entwicklungskosten, und wird damit für den Endverbraucher auch erschwinglicher. Meistens folgen Neuentwicklungen nur bei jedem zweiten/dritten oder späteren Board, insofern der Chipsatzhersteller (VIA, nVidia, AMD, Intel) nichts Gravierendes an den Rahmenbedingungen verändert. Denn: Das Referenzdesign steuert stets der Chipsatzhersteller bei! Er legt fest wie ein Mainboard ausgelegt sein muss um mit allen Komponenten einwandfrei funktionieren zu können. Dabei steht es den Mainboardherstellern allerdings frei das auf Basis des Referenzdesigns zu entwickeln, zu verändern und seine eigenen Erfahrungen einfließen zu lassen, und somit ein neues Layout zu entwerfen.

Fakten und Legenden:

Wie überall haben auch Mainboardhersteller eine kleine Gruppe von „Vordenkern“ verpflichtet die den ganzen Tag nichts anderes tun als über zukünftige Techniken und Mainboards zu sinnieren.
Wie ist das Design? Was wird verbaut? Was sind Techniken der Zukunft? Wie sind die künftigen Ansprüche der Kunden? Wie kann man Kosten und Zeit bei der Entwicklung sparen? Denn, eines ist klar, kein Segment ist so kurzlebig wie das eines Computers. Blickt man ein paar Jahre zurück, sagen wir 7 oder 8 Jahre, für ein Auto ein ganz normaler Zyklus, befinden wir uns im tiefsten Mittelalter.
Auf einer Cebit bekommt man dann Anekdoten aufgetischt wie ein Techniker ein neues Layout, bei der geselligen Bier-Runde, auf eine Serviette gekritzelt hat, und es später final auf einem Mainboard erschien. Generell haben Mainboardhersteller also ein gravierendes Problem: Die Zeit.

Simulation:

Bis ein Endverbraucher dann ein finales Board in den Händen halten darf vergeht einige Zeit in der einige Hürden zu nehmen sind. Ganz am Anfang steht die Designfindung. Daraufhin folgt der komplette Designprozess. Hier ist noch nicht von „Chipsatzregistern“ oder „BIOS-Programmierungen“ die Rede. Hier ist reinste Elektrotechnik am Werk. Wie viele Layer werden verwendet? Welchen Widerstand müssen die Leitungen 2845 bis 2941 besitzen, und wie dick müssen sie sein? Wie erreiche ich das Optimum das der Simulator ausgespuckt hat? Die Zeiten mit Taschenrechnern und Zettelwirtschaften sind ein Glück vorbei, heute gibt es Simulatoren die genau berechnen wo Stärken und Schwächen sind, und sie den Technikern aufzeigen. Weiterhin zeigen sie genau Abschirmungen und Störungen an. Denn, auf einem Mainboard sind tausende von Leitungen verlegt, und jede hat einen unangenehmen Effekt. Die Induktion. Das bedeutet dass jeder Leiter ein magnetisches Feld erzeugt. Und Magnetfelder gibt es auf Mainboards mehr als nur genug. Jeder Leiter erzeugt wie schon gesagt ein eigenes Induktionsfeld, und genau jenes erzeugt Störstrom auf den benachbarten Leiter. Wohlgemerkt, wie sprechen hier von Störströmen, das ist kein gewollter Effekt. Generell ist es derzeit nicht möglich diese Störströme komplett zu verhindern, was einem bleibt ist die Tatsache sie keinen Schaden anrichten zu lassen. Stellen wir uns vor auf Leiterbahn A wird eine binäre 0 gesendet, der Störstrom der Leiterbahn B macht, aufgrund Störstrom, aus der binären 0 aber eine binäre 1.
Kommt diese binäre 1 dann an ihrem Bestimmungsort an, sind Fehler vorprogrammiert. Das Board funktioniert entweder überhaupt nicht, oder nur instabil. Daher gilt es, die Leiterbahnen so zu verlegen dass Nachbarleiter keinen gravierenden Einfluss auf die Signale ausüben können.

Layer: Schichten der Platine

Ein entscheidendes Qualitätsmerkmal sind die Layer eines Mainboards. Auf einem Board werden „natürlich“ keine Leitungen verlegt, vielmehr werden sie auf das Trägermaterial, meist isolierender Kunststoff, gepresst. Die Kunst ist es weiterhin, bei der Entwicklung die Anzahl der Layer möglichst gering zu halten. Damals bestanden Mainboards aus bis zu 10 Layern, heutzutage bestehen sie nur noch aus 4 Layern. Layer 1 bildet dabei die oberste Schicht mit den Signalleitungen. Layer 2 liegt darunter und besteht typischerweise aus einer Kupferplatte für die Stromversorgung. Layer 3 besteht ebenfalls aus einer Kupferschicht, übernimmt hier aber die Aufgabe der Erdung, sprich die Masse. Auf Layer 4 befinden sich wieder Signalleitungen. Wie schon mit der Induktion angesprochen macht die Verteilung der Signalschichten durchaus Sinn. Hinzu kommt aber noch ein Effekt. Die Stromstärke. Während Signalleitungen nur winzige Stromstärken benötigen, da sie nur Signale schicken, sind Stromführende Leiter andererseits mit bis zu mehreren Dutzend Ampere bestückt, die eine Signalleitung im Handumdrehen zum Schmelzen bringen würde.
Die Hersteller sind natürlich darauf bedacht möglichst wenig Layer zu verbauen, je weniger Layer, desto weniger Herstellungsschritte und Kosten. Das Optimum liegt derzeit bei wie gesagt 4 Layern. Zum Vergleich, eine GeForce 5800Ultra hatte gar 12 Layer. Zwischen den Layern befinden sich hauchdünne Dieelektrika zur Isolation, die auch „Core“ oder „Pre-Preg“ genannt werden.

Stromversorgung:

Brandheiss, im wahrsten Sinne des Wortes, ist inzwischen auch die Stromversorgung. In einer Zeit in der Prozessoren die Wattzahlen eines Kernkraftwerkes erreichen kommen auf die Spannungswandler ganz neue Herausforderungen zu. Daher werden heutzutage „3-Phasen-Wandler“ verbaut. Ein Wandler ist dabei ein Satz Kondensatoren, einer Spule pro Phase und ein paar CVR-Elementen (Core-Voltage Regulator). Letzterer sorgt für die möglichst gleichmäßige Regulierung der Spannungen, die ersten beiden sorgen für die oszillierende Versorgungsspannung des Prozessors.
Stromstärken und Verlustleistung sind mittlerweile so hoch dass Mainboardhersteller damit begonnen haben passive oder gar aktive Kühlkörper auf die Spannungswandler zu verbauen.

Weitere Prozesse:

Nach der Designfindung folgt die Auswahl der Materialien. Hier gilt es, den optimalen Mittelweg zwischen Kosten und Nutzen zu finden. Was bringen mir hervorragende Materialien wenn das Board später, aufgrund des hohen Preises, im Regal verstaubt?
Jetzt werden etliche Prototypen erstellt mit denen die Ergebnisse des Simulators verglichen werden können. Es geht immer noch ausschließlich um die elektrischen Eigenschaften. Es sind also noch keine Prozessoren oder Grafikkarten auf dem Board verbaut.
Erst mit den Vorserienboards wird die Feinabstimmung übernommen. In dieser Phase dürfen nun endlich auch die BIOS-Programmierer ans Werk und die verbauten Teile softwareseitig optimieren.
In der Zwischenzeit sind die Produktionsingenieure damit beschäftigt sich auszudenken wie das neue Mainboard am besten herzustellen ist. Günstig, wenig Arbeitsschritte, und so dass die restliche Produktion nicht beeinflusst wird. Denn, die Hersteller lassen verschiedene Platinen (Intel, AMD, VIA und nVidia) auf ein und demselben Band herstellen. Möglich wird das durch „intelligente“ Fertigungsmaschinen.
Was nun noch folgt ist die Qualitätskontrolle, was bringt mir ein billiges Board, das optimiert ist, aber so von Fehlern strotzt dass der Kunde der Leidtragende ist? Nichts. Die Qualitätskontrolle ist für jeden Hersteller immens teuer, aber jeder verwendet sie. Die Konkurrenz ist groß, und von Asus auf MSI zu wechseln ist für den Endkunden nur ein Gang zum Händler des Vertrauens. Dennoch kommt es vor das manche Boards von Anfang an mit Fehlern versehen werden die erst später ans Licht geraten und nicht ersichtlich waren.
Abhilfe schaffen hier meist BIOS-Updates, allerdings auch nicht immer. Dennoch funktioniert die Kontrolle immer besser. Nehmen wir heutige Boards als Maßstab, und vergleichen sie mit den Boards von damals, ist es doch erstaunlich wie Fehlerfrei sie heute gegenüber damals sind.

[Maskulin]

Cooles Thema Casio. Respekt dafür!!

Habe mal vor Jahren ein Video gesehen, ist schon nee Zeit lang her, glaube das war bei TSMC oder so. Irgendwo in Taiwan.

Da haben die gezeigt, was für Maschinen bei der Mainboardherstellung verwendet werden, welche sonstige Materialen, welche sonstige Technik etc. zum einsatz kommt. Das war ein cooles Video. Leider nur englishe Untertitel, die recht schnell abliefen. Daher musste man den Film mehrmals sehen, um alles zu verstehen. Außer man kann Taiwaneisch oder wie auch immer das da heisst.

War schon krass das ganze. Und mal gut zu wissen wie das da abgeht.

Menschen (ist ja klar) kamen nur gan zselten zum einsatz.

Und wie sich eine Platine quasi verändert, von einer riesigen Partine wo nichts drauf ist und die vorher in so ner Ätzenden Flüssigkeit getränt wurde um die Leiterbahnen darauf zu integrieren bis zur Endgültigen mit Kondensatoren, Widerständen, integrierte Chips etc.

Sollte ich mal zufällig das video nochmal finden, poste ich den link mal hier rein.

War sehr Interessant!