Sind Passermarken auf PCBs mit modernen Fertigungsmöglichkeiten immer noch notwendig?

Vor ungefähr 10 Jahren habe ich damit aufgehört, mir Horrorfilme anzuschauen. Als ich noch jünger war, hat es mir richtig Spaß gemacht, mich aus Jux zu fürchten. Doch als ich meine berufliche Laufbahn als Ingenieur begann, interessierte ich mich mehr für Action- und Science-Fiction-Filme. Das liegt wahrscheinlich daran, dass ich bei der Arbeit zahlreiche Horrorgeschichten erlebt habe, als aus ganz einfachen Fehlern Katastrophen erwuchsen, die sich sogar auf den Prozess nach der Produktion auswirkten.

Am Anfang meiner beruflichen Laufbahn als Elektronik-Designer waren Durchsteck-Bauteile weit verbreitet, während SMD-Bauteile nur sehr selten verwendet wurden. Als die QFP-Gehäuse (Quad Flat Package) für Mikrocontroller an Popularität gewannen, blieb mir keine andere Möglichkeit, als mich vom altbekannten Plastic Leaded Chip Carrier (PLCC) zu lösen. Der Grund dafür ist, dass PLCCs einen zusätzlichen Sockel benötigen, während QFPs direkt auf dem PCB befestigt werden können. Soweit ich das beurteilen konnte, war es lediglich eine Frage der Zeit, bis die Chiphersteller die Produktion von Mikrocontrollern in PLCC-Gehäusen zugunsten von QFP- oder ähnlichen Gehäusen einstellen würden.

Mein Alptraum begann in dem Moment, als mir mein Leiterplattenfertiger eine E-Mail schickte und darin erklärte, dass die maschinelle Bestückung der Mikrocontroller auf den 200 Produktionsplatinen nicht möglich ist. Da ich PLCC-Sockel, die Durchsteck-Bauteile sind, gewohnt war, war ich nicht auf die Idee gekommen, das PCB mit Passermarken zu versehen. Deren Platzierung ist jedoch von entscheidender Bedeutung, und da dies nicht der Fall war, mussten alle MCUs im QFP-Gehäuse mit winzigen Abständen manuell montiert werden.

Dies führte dazu, dass ein höherer Prozentsatz an Platinen zurückgewiesen wurden und etliche Stunden zum Beheben der durch mangelhaftes Handlöten entstandenen Fehler aufgebracht werden mussten. Seitdem achte ich darauf, dass ich in meinen Designs immer Passermarken verwende, auch wenn mir meine Lieferanten sagen, dass sie Ihre Maschinen aufgerüstet haben, sodass keine Marken mehr notwendig sind. Darüber hinaus hatte das Wissen über die Platzierung von Passermarken einen enormen Lerneffekt für meine Karriere! Ich werde nie wieder den Fehler machen, diese Markierungen zu vergessen!

^{Wenn Sie die Passermarken weglassen, kann dies in einem enormen Chaos enden.}

Was ist eine Passermarke und wie hilft sie bei der Herstellung?

Im PCB-Design ist eine Passermarke eine runde Kupferstruktur, die als Referenzpunkt für die Pick-and-Place-Bestückungsmaschinen fungiert. Anhand von Passermarken können die Maschinen die Ausrichtung der PCB- und SMD-Bauteile mit Gehäusenmit kleinen Anschlussabständen, wie zum Beispiel Quad Flat Packages (QFP), Ball Grid Arrays (BGAs) oder Quad Flat No-Lead (QFN), erkennen.

Es gibt zwei Arten von Passermarken, die im PCB-Design häufig vorkommen: globale Passermarken und lokale Passermarken. Globale Passermarken sind Referenzpunkte aus Kupfer, die sich am Rand der PCB befinden. Somit kann die Maschine die Ausrichtung der Platine in Bezug auf die X-Y-Achse feststellen. Bestückungsmaschinen nutzen die Passermarken auch, um eventuelle Schiefstellungen beim Einspannen der Leiterplatte auszugleichen.

Lokale Passermarken sind Kupfermarken außerhalb der Ecke eines quadratischen SMD-Bauteils. Es wird von Bestückungsmaschinen verwendet, um den Footprint eines Bauteils exakt zu lokalisieren und weniger Fehler bei der Bauteilbestückung zu machen. Dies ist von besonderer Bedeutung, wenn Ihr Design Bauteile mit geringen Anschlussabständen und große Bauteile in quadratischen Gehäusen enthält.

^{Gleichen Sie die Anforderungen an die Passermarken stets mit Ihrem Hersteller ab.}

Sind Passermarken mit den neuesten Herstellungstechnologien noch erforderlich?

Ich habe meine PCBs immer sowohl mit globalen als auch lokalen Passermarken versehen. Als ich allerdings einen Artikel las, der die Möglichkeit beschrieb, die lokalen Passermarken wegzulassen, war ich fasziniert. Es erschien sinnvoll, bei kleineren PCBs auf die Passermarken zu verzichten, um möglichst viel Platz für die Leiterbahnen zu haben.

Dank der Fortschritte bei der Herstellungstechnik können lokale Passermarken unter bestimmten Bedingungen weggelassen werden. Auf kleineren Platinen können neueste Bestückungsmaschinen SMD-Bauteile rein mithilfe globaler Passermarken platzieren. Auch bei Bauteilen, die über einen größeren Anschlussabstand verfügen, können die Passermarken weggelassen werden. Die neuesten Maschinen können zum Beispiel SMD-Bauteile mit einem Pitch von 1,0 mm und größer exakt platzieren.

Im übrigen ist es sehr wichtig, mit Ihrem Hersteller die Leistungsfähigkeit der Maschinen zu besprechen, bevor Sie die lokalen Passermarken von Ihrem Design entfernen. Ich habe durch schlechte Erfahrung gelernt, dass nicht alle Hersteller über Maschinen verfügen, die mit der neuesten Technologie ausgestattet sind. Globale Passermarken sollten dagegen nie weggelassen werden, selbst wenn Sie eines der fortschrittlichsten Herstellungssysteme nutzen.

Optimale Vorgehensweisen für die Verwendung von Passermarken beim PCB-Design

Wenn Sie das Beste aus der maschinellen Bestückung herausholen möchten, müssen Sie Ihre Passermarken korrekt setzen. Für das Setzen von Passermarken in Ihrem Design gibt es einige entscheidende Richtlinien.

1. Die Passermarke entsteht dadurch, dass eine nicht gebohrte runde Kupferschicht platziert wird. Auf der Passermarke darf sich keine Lötstoppmaske befinden.

2. Die optimale Größe einer Passermarke liegt zwischen 1,0 mm und 3,0 mm. Um die Marke herum muss eine Zone, die ungefähr ihrem Durchmesser entspricht, frei bleiben.

3. Im Interesse höchster Genauigkeit müssen bei globalen Passermarken drei Marken am Rand der Platinen gesetzt werden. Für den Fall, dass es dafür nicht ausreichend Platz gibt, ist mindestens eine globale Passermarke erforderlich.

4. Die Passermarke muss in einem Abstand von mindestens 0,76 cm zum Rand der Platine gesetzt werden – die freie Fläche um die Passermarke herum nicht mitgerechnet.

5. Für lokale Referenzpunkte werden mindestens zwei Passermarken diagonal gegenüber am äußeren Rand des SMD-Bauteils befinden.

6. Je größer die Platine ist, desto geringer ist der Winkelversatz bei der Herstellung. Dies liegt daran, dass eine kleine Winkelabweichung leichter zu erkennen ist, wenn der Abstand zwischen den Referenzpunkten größer ist.

Ein Hinweis zur PCB-Referenzgröße

Die Größe des Referenzpunktes auf der Leiterplatte beträgt in der Regel 1 bis 3 mm. Die richtige Größe hängt jedoch von den Bestückungsautomaten ab, die Ihr Hersteller verwendet. Einige Hersteller empfehlen, 3 Referenzpunkte an den Platinenkanten anzubringen, da dies zwei Winkelmessungen ermöglicht, aus denen der Bestückungsautomat die richtige Ausrichtung ermitteln kann. Einige geben eine feste Größe an, die auch von der von Ihrem Hersteller verwendeten Montageausrüstung abhängt. Im Allgemeinen sollte der Durchmesser der Lötmaskenöffnung doppelt so groß sein wie der Durchmesser des blanken Kupfers für die Passermarke, auch wenn einige Hersteller es vorziehen, dass die Lötmaskenöffnung den dreifachen Durchmesser der Passermarke hat. Darüber hinaus sollten die Passermarken auf einer Leiterplatte (sowohl global als auch lokal) einheitlich sein und nicht um mehr als ~25 Mikrometer variieren.

Wenn Sie eine zweilagige Platine bestücken, sollten die Passermarken der oberen und unteren Lage übereinander liegen. Dies mag überraschen: Man sollte meinen, dass die Anordnung der Passermarken spiegelbildlich zueinander sein sollte, aber ich habe noch keinen Hersteller gesehen, der dies in seinen Richtlinien angegeben hat. Die Passermarken der oberen und unteren Leiterplattenlage sollten gleich groß sein, einschließlich der Lötmaskenöffnung.

In der Regel sind lokale Passermarken nur 1 mm groß und haben eine Lötmaskenöffnung von 2 mm. Beachten Sie jedoch die D-3D-Regel in der obigen Abbildung: Ihr Hersteller bevorzugt möglicherweise eine für die Größe Ihrer Passermarke weitere Lötmaskenöffnung. Der lokale Bezugspunkt auf der Leiterplatte ist in der Regel nicht viel größer als 1 mm, um das Verlegen von Leiterbahnen zu erleichtern und Platz für andere Bauteile zu lassen. Bei kleinen Bauteilen, wie z. B. einem 0201-Widerstand oder einem BGA in Chipgröße, ist der Bestückungsautomat so genau, dass ein lokaler Referenzpunkt nicht erforderlich ist. Die Maschine erkennt genau, wo Ihre Bauteile platziert werden müssen.

Es schadet nicht, zu überprüfen, ob Ihre Referenzgröße richtig ist, bevor Sie Ihr Design an Ihren Hersteller schicken. Passermarken gehören zu den mechanischen Bauteilen auf Ihrer Platine und sind mit keinerlei Bauteilen verbunden. Es ist also ein Leichtes, den Footprint für eine benutzerdefinierte Passermarke zu ändern und bei Bedarf eine neue Passermarke zu platzieren. Einige Hersteller werden die Referenzgröße Ihrer Leiterplatte für Sie anpassen, wenn sie nicht die richtige Größe haben.

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