Leiterplatte designen: Welche CAD-Software sich wann lohnt

Er legt fest, wie teuer jede spätere Änderung wird, wie sauber die Übergabe an die Fertigung läuft und ob das Entwicklungsteam bei der ersten anspruchsvollen Starr-Flex-Platine noch arbeitet – oder bereits Excel-Listen zur Schadensbegrenzung führt.

Der Markt erzählt gern die bequeme Geschichte: Open Source für den Einstieg, integrierte Cloud-Suite für moderne Teams, High-End-Werkzeug für die wirklich schweren Fälle. Das ist nicht falsch, aber es verschweigt den kaufmännischen Kern. Nicht der Lizenzpreis entscheidet über die Wirtschaftlichkeit, sondern die Summe aus Layoutzeit, Fehlerkosten, Rückfragen aus dem CAM, Nacharbeit und dem Risiko, Fertigungswissen erst nach dem Gerber-Export zu entdecken. Total Cost of Ownership statt Tool-Romantik.

KiCad, Autodesk Fusion und Altium Designer decken unterschiedliche Risikoklassen ab. Wer sie nach der Zahl der Buttons vergleicht, vergleicht am Problem vorbei.

Die Softwarewahl beginnt nicht beim Budget, sondern beim Stack-up

Die erste Frage lautet nicht: „Was kostet die Lizenz?“ Sie lautet: Was muss diese Leiterplatte elektrisch, mechanisch und fertigungstechnisch leisten?

Ein einfaches zweilagiges Steuerungsboard mit überschaubaren Netzen stellt andere Anforderungen als eine mehrlagige Baugruppe mit differenziellen Paaren, kontrollierter Impedanz, dichter Bauteilplatzierung und mechanisch bewegten Flexbereichen. Wer beide Projekte mit derselben Softwareentscheidung behandelt, spart nicht – er verschiebt Kosten in die nächste Eskalationsstufe.

Vor dem ersten Bauteil im Layout müssen mindestens diese Punkte feststehen:

• Lagenaufbau und Materialsystem: Kupfergewichte, Isolationsdicken, Kern- und Prepreg-Aufbau sowie die Frage, ob der Leiterplattenhersteller den gewünschten Aufbau tatsächlich freigibt.
• Elektrische kritische Netze: Differenzpaare, Längenabgleich, Skew-Vorgaben, impedanzrelevante Signale und die Konsequenzen von Lagenwechseln.
• Mechanische Randbedingungen: Gehäusevolumen, Steckverbinderlagen, Kollisionsrisiken, Kühlkörper, Schraubpunkte und gegebenenfalls Biegeradien bei Flexbereichen.
• Fertigungsdaten und Datenhoheit: Benötigt der Fertiger klassische Gerberdaten, Gerber X2, ODB++ oder eine intelligente Datenübergabe nach IPC-2581?
• Änderungsdynamik: Bleibt der Entwurf für Monate stabil, oder ändern sich Bauteile, Gehäuse und Varianten bis kurz vor Serienfreigabe?

Gerade beim Leiterplattenlayout erstellen wird die falsche Reihenfolge teuer. Viele Teams definieren Designregeln aus alten Projekten oder aus irgendeinem Tutorial. Dann wird geroutet, bis der DRC grün wird, und am Ende stellt sich heraus: Die Regeln hatten mit dem tatsächlichen Fertigungsfenster nichts zu tun.

Eine Leiterbahnbreite von 0,2 mm oder 0,4 mm ist kein Fertigungsstandard, sondern zunächst nur ein Wert. Ebenso sind 0,25 mm Routingbreite und Abstand aus einem Tool-Beispiel keine belastbare Vorgabe für die Serie. Mindestabstände, Bohrdurchmesser, Ringbreiten und zulässige Kupfergeometrien hängen an Aufbau, Kupfergewicht, Material und Prozessfähigkeit des konkreten Herstellers.

Ein grüner DRC ist kein Freigabestempel der Fertigung. Er beweist nur, dass das Layout gegen die Regeln geprüft wurde, die jemand zuvor eingegeben hat.

Das klingt banal. In Audits zeigt sich regelmäßig, dass genau hier der wirtschaftliche Schaden beginnt: Konstruktion und Beschaffung behandeln die Designregel als CAD-Parameter, der Fertiger als Prozessgrenze. Zwischen beiden Sichtweisen entsteht die Rückfrage. Und jede Rückfrage ist Durchlaufzeit, Risiko und im Zweifel eine verspätete Allokation von Fertigungskapazität.

KiCad: wirtschaftlich stark, solange der Prozess nicht komplexer ist als das Werkzeugmodell

KiCad ist längst kein Spielzeug für Hobbyprojekte mehr. Schaltplaneingabe und Leiterplatteneditor sind integriert, Design-Rule-Checks prüfen unter anderem fehlende oder falsche Verbindungen, Mindestabstände und Mindestleiterbahnbreiten. Für die Datenübergabe stehen Gerber, IPC-2581, ODB++, GenCAD und weitere Formate zur Verfügung. Das ist für viele professionelle Entwicklungsaufgaben eine solide Basis.

Der betriebswirtschaftliche Vorteil ist offensichtlich: Keine hohe Einstiegshürde bei der Lizenz, keine künstliche Bremse, wenn weitere Entwickler, externe Layoutdienstleister oder neue Standorte Zugriff benötigen. Gerade bei Kleinserien, Prüfadaptern, Steuerungen, Hilfsplatinen und überschaubaren Mehrlagenlayouts kann das den Entwicklungsprozess deutlich entlasten.

Aber Open Source beseitigt keine physikalische Komplexität. Sie verlagert die Verantwortung stärker in das Team.

KiCad empfiehlt selbst, Stack-up und Designregeln vor Beginn des Layouts anhand der Fähigkeiten des konkreten Leiterplattenherstellers festzulegen. Netzklassen können Breiten und Abstände automatisiert verwalten und prüfen. Das ist nützlich – sofern der Entwickler nicht mit generischen Regeln arbeitet, sondern die Vorgaben sauber aus der Fertigungsfreigabe übernimmt.

Die markanteste Grenze liegt dort, wo der Lagenaufbau nicht mehr in ein einfaches Standardschema passt. KiCad unterstützt nach Dokumentationsstand physikalische Stack-ups mit gerader Anzahl von Kupferlagen. Für ungerade Lagenzahlen, etwa bei bestimmten flexiblen Leiterplatten oder Metallkern-Leiterplatten, wird mit einer zusätzlichen ungenutzten Lage gearbeitet. Das ist eine Umgehung, keine elegante Prozessabbildung.

Wer daraus ableitet, KiCad sei grundsätzlich untauglich für Starr-Flex, macht es sich zu leicht. Die Einschränkung betrifft eine konkrete Stack-up-Situation, nicht jede Starr-Flex-Anwendung. Aber sie ist ein Warnsignal: Sobald der Entwurf von Sonderaufbau, Biegebereich, Impedanzvorgabe und mechanischer 3D-Integration lebt, muss das Team prüfen, ob sein Werkzeug den realen Fertigungsaufbau abbildet – und nicht nur eine angenäherte Version davon.

Wo KiCad seine wirtschaftliche Stärke ausspielt

KiCad ist die vernünftige Wahl, wenn:

1. das Projekt eine klare, beherrschte Technologie nutzt – etwa Standardlagenaufbau, definierte Designregeln und keine ungewöhnlichen mechanischen Abhängigkeiten;

2. die Organisation CAD-Disziplin intern beherrscht – Bibliotheken, Footprints, Freigabestufen und Fertigungsdaten sind nicht dem Zufall überlassen;

3. die Fertigungsdaten vor Serienstart mit dem Leiterplattenhersteller abgestimmt werden – nicht erst, wenn der erste CAM-Report Probleme meldet;

4. die Skalierung über Wiederverwendung statt Tool-Automatisierung erfolgt – also über saubere Vorlagen, Netzklassen und belastbare Datenbibliotheken.

Die Kehrseite: KiCad kompensiert keine schwache Datenorganisation. Wer ohne gepflegte Footprints, ohne klaren Stack-up und ohne verbindliche DFM-Rückkopplung arbeitet, kauft keine Freiheit. Er produziert lediglich günstigere Fehler.

Autodesk Fusion: sinnvoll, wenn Mechanik und Elektronik wirklich zusammenarbeiten

Autodesk Fusion positioniert sich zwischen klassischem Leiterplattentool und interdisziplinärem Entwicklungsarbeitsplatz. Schaltplan, 2D-Leiterplattenlayout und 3D-Leiterplatte liegen in einem Elektronik-Designdokument. Das ist kein Nebendetail. Bei kompakten Geräten, Gehäusezwängen, Steckverbindern, Displays und kollisionskritischen Baugruppen kann die Verbindung von ECAD und MCAD mehr wert sein als die nächste exotische Routingfunktion.

Der CAM-Prozessor kann Gerber-, ODB++-, Bestückungs-, Netzlisten-, Stücklisten- und PDF-Daten ausgeben. Priorisierte Designregeln prüfen unter anderem Abstand, Kupferbreite und Via-Bohrdurchmesser. Auch hier gilt: Die Regeln werden zu Beginn definiert, anschließend folgt der DRC. Die Software kann also einen strukturierten Übergang von Entwurf zu Fertigungsdaten unterstützen. Sie ersetzt jedoch nicht die Abstimmung mit der realen Prozessfähigkeit.

Fusion lohnt sich vor allem dort, wo ein Leiterplatte-entwerfen-Tool nicht als isolierter Arbeitsplatz betrieben wird. Wenn Mechanik und Elektronik im selben Änderungszyklus laufen, wenn Gehäuseänderungen regelmäßig Platzierung und Steckverbinder betreffen oder wenn ein Team seine 3D-Prüfung nicht über STEP-Exporte, E-Mails und Versionsrätsel organisieren will, entsteht ein handfester Zeitvorteil.

Die Falle liegt im Wort „integriert“. Integration ist nur dann produktiv, wenn die Prozessverantwortung ebenfalls integriert ist. Ein Mechanikkonstrukteur, der ohne Rücksicht auf Rückstrompfade oder Keep-out-Anforderungen Änderungen fordert, verbessert keine Elektronikentwicklung. Er beschleunigt nur die Eskalation.

Fusion ist damit keine pauschale Mittelklasse-Empfehlung, sondern ein Prozesswerkzeug. Wer vor allem mechanische Abhängigkeiten beherrschen muss, sollte es ernsthaft prüfen. Wer dagegen ein hochdichtes, impedanzkritisches Starr-Flex-Design mit straffen SI-Vorgaben aufsetzt, darf sich vom attraktiven Gesamtpaket nicht in falsche Sicherheit wiegen lassen.

Altium Designer: nicht luxuriös, sondern bei Komplexität eine Kostenfrage

Altium Designer ist dort stark, wo Layout nicht mehr bloß Platzierung plus Routing bedeutet, sondern ein Regelwerk mit elektrischen, physikalischen und fertigungstechnischen Abhängigkeiten steuern muss. Das System unterstützt interaktives Routing von einfachen zweiseitigen Platinen bis zu hochdichten, schnellen, mehrlagigen Starr-Flex-Leiterplatten. Differenzpaare sowie Längen- und Skew-Abgleich gehören zu den klar dokumentierten Funktionen.

Entscheidend ist der Umgang mit kontrollierter Impedanz. In Altium kann eine Routingregel ein Impedanzprofil verwenden. Die bevorzugte Leiterbahnbreite wird dann je Routinglage aus dem Profil berechnet; beim Lagenwechsel kann sie automatisch angepasst werden. Das ist kein Marketing-Gimmick, sondern reduziert eine klassische Fehlerquelle: Das Signal wechselt die Lage, die Geometrie bleibt stumpf gleich, die Zielimpedanz ist nur noch Wunschdenken.

Natürlich gilt auch hier: Ein Impedanzprofil fällt nicht vom Himmel. Es benötigt einen abgestimmten Stack-up, reale Materialdaten und ein Verständnis dafür, welche Netze tatsächlich kontrollierte Impedanz erfordern. Nicht jede Leiterplatte braucht diese Disziplin. Wer eine einfache Steuerplatine mit solcher Methodik überzieht, produziert Overhead. Wer sie bei schnellen Schnittstellen ignoriert, produziert später Messaufwand, Redesigns oder im schlechtesten Fall ein Serienproblem, das erst beim Kunden sichtbar wird.

Altium empfiehlt vor der Erzeugung finaler Fertigungsdaten einen umfassenden DRC-Lauf. Geprüft werden logische und physische Integrität gegen die aktivierten Designregeln. Das ist genau die richtige Logik – mit einem Vorbehalt: Die Qualität des Ergebnisses steht und fällt mit dem Regelwerk.

Bei komplexen Layouts ist nicht die Lizenz teuer. Teuer ist ein Werkzeug, das kritische Abhängigkeiten erst sichtbar macht, nachdem die Fertigung Rückfragen stellt.

Wann ist der Umstieg auf Altium wirtschaftlich? Nicht ab einer bestimmten Leiterplattenfläche, nicht ab einer bestimmten Anzahl von Bauteilen und auch nicht ab einer pauschalen Lagenzahl. Solche Grenzwerte sind Verkäuferfolklore. Der Punkt ist erreicht, wenn die manuelle Kontrolle kritischer Regeln mehr Ingenieurzeit bindet als ein spezialisiertes System kostet.

Das betrifft typischerweise Projekte mit:

• mehreren impedanzkritischen Netzen und wiederholten Lagenwechseln;
• differenziellen Paaren mit verbindlichem Längen- und Skew-Abgleich;
• hoher Packungsdichte und vielen konkurrierenden Routingzwängen;
• Starr-Flex-Aufbauten, bei denen Mechanik, Biegezonen und elektrische Anforderungen nicht getrennt behandelt werden können;
• Variantenmanagement, bei dem Änderungen in Stücklisten, Layout und Fertigungsunterlagen kontrolliert durchlaufen müssen;
• einem Seriengeschäft, in dem ein vermiedener Layoutfehler mehr wert ist als die Diskussion über Lizenzkosten.

Altium ist deshalb kein Statussymbol für die Entwicklungsabteilung. Es ist ein Werkzeug für Situationen, in denen Komplexität in einem Standard-PCB-Layout-Programm nicht mehr transparent steuerbar bleibt. Wer diese Schwelle nicht erreicht, bezahlt womöglich für Funktionen, die er nie produktiv nutzt. Wer sie überschreitet und beim Basistool bleibt, bezahlt später in Nacharbeit.

Fertigungsdaten: Gerber ist kein Synonym für eindeutige Übergabe

Die Softwareentscheidung endet nicht beim Routing. Sie wird an der Übergabe in die CAM-Abteilung sichtbar.

Gerber bleibt verbreitet, aber die Schwäche klassischer Datenpakete ist bekannt: Informationen über Dateifunktionen, Pad-Funktionen, Polarität, Nutzen oder Einzelplatine liegen nicht zwingend eindeutig in den Daten selbst. Sie werden oft über Dateinamen, Begleitdokumente und Erfahrungswissen ergänzt. Das funktioniert – bis es nicht mehr funktioniert.

Gerber X2 erweitert das Format um standardisierte Attribute, etwa zur Dateifunktion, Polarität, Pad-Funktion oder zur Unterscheidung zwischen Nutzen und Einzelplatine. Die Designabsicht lässt sich damit klarer von CAD zu CAM übertragen. Das reduziert Interpretationsspielraum. Aber auch hier wäre Naivität fehl am Platz: Ältere CAM-Systeme unterstützen diese Attribute nicht zwangsläufig vollständig. Wer Gerber X2 ausgibt, muss die Verarbeitung beim konkreten Fertigungspartner kennen.

IPC-2581 geht einen anderen Weg. Revision C, veröffentlicht im November 2020, beschreibt intelligente, XML-basierte Fertigungsdaten für Leiterplatten und Baugruppen. Die Revision enthält unter anderem aktualisierte Unterstützung für Starr-Flex, eingebettete Komponenten und Kavitäten. Für komplexe Übergaben ist das attraktiv, weil die Daten nicht nur Geometrie, sondern mehr Designkontext transportieren können.

Doch das Datenformat allein löst kein Organisationsproblem. Ein vollständiges Paket braucht weiterhin klare Fertigungsinformationen: Bohrdaten, Lagenaufbau, Kupferbelegung, Bestückungsdaten, Anforderungen an Oberflächen, Konturen, Nutzenkonzept und dokumentierte Sondermerkmale. Wer eine IPC-2581-Datei exportiert und glaubt, damit sei die technische Kommunikation abgeschlossen, verwechselt Dateistruktur mit Prozessreife.

Was vor dem Produktionsstart wirklich abgeglichen werden muss

Ein belastbarer Datenrelease verbindet CAD und Fertigung über konkrete Fragen:

1. Entspricht der im CAD hinterlegte Stack-up dem freigegebenen Aufbau des Herstellers? Nicht einem ähnlichen Aufbau aus dem letzten Projekt.

2. Sind die Designregeln aus den realen Fertigungsparametern abgeleitet? Das betrifft Abstände, Breiten, Bohrungen, Restringe und Kupfergeometrien.

3. Sind Impedanzvorgaben dem Fertiger inklusive Zielwerten, Referenzlagen und Materialannahmen übergeben? „Controlled impedance“ als Textnotiz ist keine Spezifikation.

4. Ist klar, welches Datenformat der CAM-Prozess tatsächlich bevorzugt und robust verarbeitet? Moderne Ausgabeoptionen sind wertlos, wenn der Empfänger sie nur teilweise nutzt.

5. Hat eine fertigerseitige DFM-Prüfung stattgefunden? Der CAD-DRC und die DFM-Prüfung sind zwei verschiedene Filter mit unterschiedlichen Aufgaben.

Die IPC-DFM-Profile zeigen im Übrigen, wie falsch die Idee einer universellen Designregel ist. Sie kombinieren Leistungsklassen 1, 2 und 3 mit Herstellbarkeitsstufen A, B und C zu neun generischen Profilen; die betrachteten Kupfergewichte reichen von 0,125 oz bis 6 oz auf Innen- und Außenlagen. Wer angesichts solcher Spannweite noch nach der einen „sicheren“ Leiterbahnbreite fragt, sucht keine technische Antwort, sondern eine Ausrede für fehlende Abstimmung.

Der klare Vergleich: Welche Software für welches Risiko?

Für ein einfaches bis mittleres Projekt mit stabiler Technologie ist KiCad der wirtschaftlichste Einstieg – vorausgesetzt, das Team besitzt saubere Bibliotheken, verbindliche Regeln und einen direkten Draht zur Fertigung. Der günstige Zugang ist ein Vorteil, keine Entschuldigung für schwache Datenqualität.

Autodesk Fusion ist die überzeugendste Wahl, wenn die mechanische Integration den Entwicklungsprozess dominiert. Kompakte Geräte, häufige Gehäuseänderungen und kollisionskritische Baugruppen profitieren von der gemeinsamen Sicht auf Schaltplan, 2D-Layout und 3D-Leiterplatte. Wer diese Zusammenarbeit organisatorisch nicht lebt, nutzt allerdings nur einen Bruchteil des Potenzials.

Altium Designer rechtfertigt seinen Aufwand dort, wo schnelle Signale, Impedanzprofile, differenzielle Paare, Längenabgleich, hohe Dichte und Starr-Flex-Anforderungen gleichzeitig auftreten. Dann ist die Frage nicht mehr, ob ein günstigeres Tool „irgendwie auch“ zum Ziel führt. Es geht darum, wie viel manuellen Prüfaufwand, wie viele Iterationen und wie viel Lieferterminrisiko sich die Organisation leisten will.

Der vernünftige Maßstab lautet deshalb nicht „Welche PCB-Design-Software ist die beste?“. Diese Frage ist fachlich zu bequem. Die richtige Frage lautet: Welches System bildet unsere reale technische Komplexität ab, ohne neue Prozesskosten zu erzeugen?

Wer eine Leiterplatte designen will, sollte die Lizenzentscheidung erst treffen, nachdem Stack-up, kritische Netze, Mechanik und Fertigungsübergabe definiert sind. Alles andere ist Beschaffungstheater: erst das Werkzeug kaufen, dann feststellen, welche Arbeit damit eigentlich erledigt werden soll.