PCB-Fertigungshinweise entschlüsseln

Eine Leiterplatte in die Fertigung zu geben, ist ein aufregender und nervenaufreibender Moment. Zahlreiche schlaflose Nächte waren die Folge von Nullserien, und es ist wichtig, sicherzustellen, dass zuvor alles überprüft, nochmals überprüft und einer DFM-Prüfung unterzogen wurde! Um einen Designentwurf in die Serienfertigung zu überführen, ist eine der wichtigsten Unterlagen, die Sie erstellen müssen, die Fertigungszeichnung. In diese Zeichnung müssen Sie Hinweise zur Leiterplattenherstellung einfügen, die dem Hersteller mitteilen, wie er die Platine aufbauen soll.

Warum übergeben Sie Ihrem Lieferanten nicht einfach Ihre Konstruktionsdateien und überlassen es ihm, das Problem zu lösen? Dafür gibt es einige Gründe. Die Verantwortung für die Erstellung der Fertigungsdateien und der Dokumentation Ihrer Leiterplatte liegt jedoch bei Ihnen als Entwickler. Zudem sollten Sie, wenn Ihnen jemand eine Konstruktionszeichnung schickt, zumindest in der Lage sein, diese zu lesen und zu verstehen. Auch wenn Sie noch nie eine Fertigungszeichnung mit Informationen versehen oder Fertigungsnotizen erstellen mussten, ist dies mit den richtigen Konstruktionswerkzeugen recht einfach. Ich zeige Ihnen, wie Sie dies in Ihrem Leiterplattenlayout umsetzen und so schnell Daten für Ihren Hersteller generieren können.

Was sind Leiterplatten-Fertigungshinweise?

Eine PCB-Fertigungszeichnung wird von einem Hersteller verwendet, um sicherzustellen, dass jeder in der Produktion die Anforderungen an Ihr Design versteht und weiß, wie es hergestellt werden soll. Innerhalb einer Fertigungszeichnung finden sich Hinweise zur Platinenfertigung. Diese Daten werden i. d. R. von verschiedenen Design- oder Fertigungsunternehmen als Vorlagen erstellt, da es keinen verbindlichen Standard gibt, der angibt, was in den Leiterplattenfertigungshinweisen enthalten sein sollte und was nicht. Ihre Angaben dienen nicht dazu, dem Hersteller buchstäblich vorzuschreiben, wie er eine Leiterplatte zu fertigen hat, sondern dazu, dem Hersteller die Anforderungen an die endgültige Platine zu erläutern, damit das Produkt insgesamt fehlerfrei hergestellt werden kann.

Das bedeutet: Sie müssen nicht alle Fertigungshinweise manuell neu schreiben. Sie kopieren lediglich Ihre Vorlage in Ihr Leiterplattenlayout, fügen einige der wichtigen designspezifischen Punkte ein und senden diese zur Überprüfung an Ihren Hersteller. Werfen Sie einen Blick auf das folgende Beispiel, um zu sehen, was Sie in den Herstellungshinweisen für Leiterplatten finden werden. 

Wenn Sie eine Textversion dieser Anmerkungen für Ihre Projekte benötigen, können Sie sie über diesen Link abrufen. Das Format Ihrer Notizen kann kürzer und auf Ihre Projekte angepasst sein. Wenn Sie als Designer an vielen Projekten arbeiten, können Sie diese Notizen im Leiterplattenlayout oder in einer Fertigungszeichnung unterbringen, um den Überblick über die Projektanforderungen zu behalten. Arbeiten Sie für ein größeres Unternehmen, dann werden Sie wahrscheinlich hausinterne Vorgaben erfüllen müssen. Sind diese Anforderungen nicht spezifiziert, so liegt es an Ihnen als Designer, sie zu formulieren.

PCB-Fertigungshinweise sind hinsichtlich ihres Inhalts und Formats nicht standardisiert. Es gibt jedoch einige grundlegende Informationen, die Sie in allen professionellen PCB-Fertigungsunterlagen finden werden, und einige dieser Daten sind selbsterklärend. Dinge wie Leiterplattendicke oder Toleranzen sind ziemlich offensichtlich (oder sollten es sein). Andere Aspekte der Herstellungsvermerke sind erklärungsbedürftig. Ich werde nicht auf jeden Punkt des obigen Beispiels eingehen, aber ich möchte ein paar hervorheben, da sie entscheidend dafür sind, dass Ihre Platine korrekt gefertigt wird.

Anmerkung 1: IPC-Klasse

Dieser Hinweis spezifiziert die Leistungsklasse der Leiterplatte beim Serieneinsatz gemäß dem Standard IPC-6012. Dies ist eine Zuverlässigkeits-Norm, anhand derer Ihr Hersteller den Umfang der Inspektion bestimmt, die er durchführen muss, um die Qualität zu gewährleisten. Es gibt drei Klassen:

• Klasse 1: Reserviert für Wegwerfprodukte, die für eine einmalige oder seltene Verwendung bestimmt sind
• Klasse 2: Vorgesehen für Produkte mit längerer Lebensdauer, die im Dauerbetrieb eingesetzt werden sollen
• Klasse 3: Für Produkte mit höchsten Anforderungen an die Zuverlässigkeit, bei denen im Falle eines Versagens des Produkts Menschenleben in Gefahr sein können. Diese Anforderung ist für militärische, medizinische und Raumfahrtgeräte üblich.

Fehlt eine Angabe, wird i. d. R. die Klasse 2 oder, wenn Sie sich an einen Billiganbieter wenden, möglicherweise die Klasse 1 als Standardprüfstufe verwendet. Einige Konstruktionen oder Hersteller erfüllen nur die IPC-A-600 Prüfanforderungen; auf diese Unterschiede werde ich in einem der nächsten Blogs eingehen.

Anmerkung 4–6: Oberflächenmerkmale

Alle Oberflächenmerkmale sollten angegeben werden, einschließlich Lötmaske, Siebdruck und Beschichtung. Wenn Sie diese nicht spezifizieren, erhalten Sie i. d. R. eine Zinn-Blei- oder Silber-Oberfläche. Stellen Sie also sicher, dass Sie etwas Zuverlässigeres wie ENIG z. B. spezifizieren, wenn Sie es benötigen. Die Schriftart und -größe für den Siebdruck brauchen Sie hier nicht anzugeben, da sie in Ihren Gerber-Daten angezeigt werden.

Anmerkung 15: Prüfanforderungen

Das obige Beispiel zeigt eine Ebenheitsanforderung für die Platine, aber in Wirklichkeit handelt es sich um eine Prüfanforderung. Beachten Sie, dass Teil B der Anmerkung 15 aufführt:

• PRÜFUNG IN ÜBEREINSTIMMUNG MIT DER AKTUELLEN VERSION DER IPC-TM-650 2.4.22

Die IPC-TM-650 2.4.22 ist ein spezielles Prüfverfahren, dem die Platine entsprechen muss. Dies ist eine Standardanforderung, um sicherzustellen, dass die Bauteile während des Lötens und der Montage nicht verrutschen.

In diesem Abschnitt könnten weitere Prüfanforderungen aufgeführt werden. Solche Anforderungen können Fall- oder Delaminierungstests, Vibrationstests (die normalerweise bei PCBAs durchgeführt werden), Oxydationstests, Temperaturwechseltests oder weitere Prüfungen umfassen, die Sie für Ihre Endanwendung als wichtig erachten. Wenn eine IPC-Norm oder eine andere Industrienorm, die für den Test erforderliche Methodik auflistet, dann sollte diese Norm zusammen mit der Spezifikation, die die Leiterplatte erfüllen muss, aufgeführt werden. Dies ist bei MIL-Aero-Boards mit besonderen Sicherheits- oder Zuverlässigkeitsanforderungen üblich, die über die in den IPC-Standards festgelegten hinausgehen. Wenn es sich um ein Hobbyprojekt oder einen einmaligen Prototyp handelt, müssen Sie i. d. R. nichts weiter angeben als die Ebenheit, die eine Standardleistungsanforderung der Hersteller ist.

Anmerkung 16: Leiterplattenmaterial

In einem früheren Blogbeitrag habe ich mich mit der Bedeutung von Materialien beschäftigt und erklärt, wie man diese spezifiziert. In diesem Abschnitt sollten Sie die wichtigsten Anforderungen an Ihre Materialien angeben. Die Entflammbarkeitseinstufung im obigen Beispiel ist die Standard-NEMA-Einstufung, die verwendet wird, um zu definieren, was ein FR4-Substrat ist. Der andere Hinweis (Teil B im Beispiel) ist der Wert der Glasübergangstemperatur (Tg). Je höher die erwartete Betriebstemperatur Ihrer Leiterplatte ist, desto höher muss der Tg-Wert des Substrats sein, damit die Leiterplatte den Temperaturschwankungen standhalten kann. In diesem Abschnitt sollten Sie die Anforderungen an die Dielektrizitätskonstante nicht angeben. Dies ist Gegenstand des Abschnitts über die Impedanz.

Anmerkung 17: Passgenauigkeit

Die Passgenauigkeit Ihrer Leiterplatte bezieht sich auf den horizontalen Versatz zwischen den Lagen auf der Leiterplatte. Wenn die Leiterplatte gepresst wird, kommt es zu geringfügigen Verschiebungen in der seitlichen Ausrichtung der Lagen, die i. d. R. weniger als einige zehn Mikrometer betragen. Diese Zahl wird nie bei 0 liegen, aber die Hersteller kommen in der Regel nahe genug heran, sodass Sie sich beim Bohren und Beschichten von Durchkontaktierungen nicht allzu viele Gedanken über Passungenauigkeiten machen müssen. Ein geringer Versatz stellt sicher, dass alle Pads, die auf Durchkontaktierungen platziert werden, in einer Linie liegen und eine feste Verbindung zum Durchgangsloch herstellen.

Bei Entwürfen der IPC-Klasse 3 müssen Sie wahrscheinlich einen Teardrop hinzufügen, um ein starkes Bonding zur Durchkontaktierung zu gewährleisten, falls es zu Passungenauigkeiten und Abrissen kommt. Vergewissern Sie sich, dass Ihre Leiterplattenentflechtungstools Teardrops unterstützen, wenn Sie ein derartiges Zuverlässigkeitsniveau anstreben.

Anmerkung 19: Impedanz

Die Impedanz kann knifflig sein, da sie eng mit den Anforderungen an das Leiterplattenmaterial zusammenhängt. Der Grund für die Angabe von Tg und Entflammbarkeit in Anmerkung 16 ist, dass diese Werte für eine Reihe von verschiedenen Materialien gelten können. Allerdings bieten nicht alle der infrage kommenden Materialien genau die richtige Impedanz, sodass der von Ihnen angegebene Wert möglicherweise nur mit einigen wenigen spezifischen Materialien möglich ist.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, wie Sie die Impedanzanforderungen in Ihrem Entwurf festlegen können:

• Geben Sie Breite und Abstand an: Wie im Beispiel können Sie die Impedanzwerte angeben, die Sie für einzelne Leiterbahnen oder differenzielle Paare auf verschiedenen Lagen benötigen, und auch die erforderliche Breite. Beachten Sie, dass nicht alle Hersteller die Materialien so auswählen können oder werden, dass diese Ziele erreicht werden. Einige Hersteller haben einfach nicht genügend Materialien auf Lager, um die Laminate so zu mischen, dass Ihre Ziele erreicht werden, und Sie sind gezwungen, sich anderweitig umzusehen oder mehr zu bezahlen.
• Verwenden Sie den Lagenaufbau Ihres Herstellers: Rufen Sie am besten Ihren Hersteller an, lassen Sie sich den Standard-Lagenaufbau für Ihre Lagenzahl geben und verwenden Sie die Werte für Leiterbahnbreite/Paarabstand für Ihre Leiterplatte, um eine kontrollierte Impedanz zu gewährleisten. Auf diese Weise können Sie sicher sein, dass der Lieferant Ihr Board so herstellen kann, wie Sie es entworfen haben. Es ist nicht erforderlich, dies zu tun, aber bei höheren Lagenzahlen wird der Umfang des erforderlichen Redesigns zur Erfüllung der Impedanzanforderungen größer, sodass es ratsam ist, vor Beginn des Entwurfs nach diesen Informationen zu fragen.

Wenn Sie mehrere Anforderungen haben, die Sie auf verschiedenen Lagen spezifizieren müssen, können Sie eine Impedanztabelle erstellen, die Informationen über die Breite und die Bezugsebene auf jeder Lage in Ihrer PCB-Fertigungszeichnung enthält. Fügen Sie dazu den Text „SEE IMPEDANCE TABLE FOR WIDTH AND TOLERANCE REQUIREMENTS“ hinzu (oder etwas Ähnliches).

Wo sollten Sie Ihre Fertigungshinweise für Leiterplatten platzieren?

Notizen sollten in der Fertigungszeichnung platziert werden, z. B. in einer DWG/DXF-Datei oder in einer PDF-Datei. Die Zeichnung der Leiterplatte, die Bohrtabelle, die Impedanztabelle und die Lagenaufbauzeichnung könnten alle auf einer Seite untergebracht werden, und Sie können die Erläuterungen mit auf diese Seite nehmen, wenn genügend Platz vorhanden ist. Es ist üblich, die Bohrzeichnung, die Stapelzeichnung, die Bohrtabelle und die Hinweise auf einer Seite zu platzieren und die Gerber-Layer auf einer zweiten Seite.

Eine andere beliebte Variante ist, sie direkt in das Leiterplattenlayout einzufügen, d. h. Sie verwandeln Ihr Leiterplattenlayout im Grunde in eine große Leiterplatten-Fertigungszeichnung. Verwenden Sie ein String-Objekt in Ihrem PCB-Layout, um die Fertigungshinweise direkt einzufügen. Sie lässt sich zum Beispiel auf einer mechanischen Ebene platzieren (z. B. in der Zeichnungsebene „Drill Drawing“) und als Teil der Gerber exportieren. So kann jeder, der Ihre Projektdatei hat, die Fertigungshinweise direkt neben dem Layout sehen.

Die frühzeitige Einbindung Ihres Lieferanten sichert den Erfolg

Der beste Weg, eine neue Leiterplatte zu fertigen, besteht darin, den Hersteller frühzeitig einzubinden und sich zu erkundigen, was in den Herstellungshinweisen für die Leiterplatte enthalten sein muss. Sind diese Daten frühzeitig vorhanden, können Sie sie zusammen mit Ihrer Fertigungszeichnung in Ihre PCB-Fertigungshinweise aufnehmen. Dieses Dokument ist der zentrale Aufbewahrungsort für die Entwurfsdaten Ihres Projekts. Daher ist es sinnvoll, gründliche Fertigungsdokumentation für das Design zu führen, falls Sie es in der Zukunft noch einmal produzieren möchten. Das Aufbewahren der Dokumentation ist auch für Entwickler von Vorteil, die in größeren Unternehmen arbeiten wollen, wo die Dokumentation einen größeren Stellenwert hat und sehr gründlich sein muss.

Bevor Sie Ihre PCB-Fertigungshinweise erstellen, müssen Sie Ihr PCB-Layout mit einer hochwertigen, benutzerfreundlichen Software wie CircuitMaker erstellen. Die Benutzer können problemlos neue Projekte konzipieren und einen reibungslosen Übergang in die Fertigung schaffen. Alle CircuitMaker-Anwender haben außerdem Zugriff auf einen persönlichen Arbeitsbereich auf der Altium-365-Plattform, in den sie Designdaten hochladen und in der Cloud speichern sowie Projekte einfach über einen Webbrowser auf einer sicheren Plattform anzeigen können.

Nutzen Sie CircuitMaker noch heute und freuen Sie sich auf das kommende CircuitMaker Pro von Altium.