Design mit Fertigung: Eine neue Sicht auf DFM/DFA

Kompletter Leitfaden zur DFM-Analyse

Ein guter Freund von mir hat einen Witz über die Planung eines neuen PCB-Designs für die Fertigung: Er fragt oft „Hast du heute schon mit deinem Fertiger gesprochen?“, um zu betonen, dass man sich im Designprozess mehrmals mit seinem Fertigungspartner abstimmen sollte. Das ist etwas, das Designer oft vergessen, und es kann zu großen Kopfschmerzen vor der vollständigen Fertigung führen. Tatsache ist, dass Ihr Board mehrere Runden der DFM-Analyse durchlaufen sollte, um die Fertigbarkeit zu gewährleisten, sowohl in Bezug auf die Herstellung als auch auf die Montage.

Wann sollten Sie also damit beginnen, Ihr Design der DFM-Analyse zu unterziehen? Eine andere wichtige Frage könnte sein: Wie kann der DFM-Analyseprozess beschleunigt werden? Es gibt viel zu prüfen bei jedem Board, und das vollständige Überprüfen von Designs auf Fertigbarkeit kann zeitaufwendig sein, besonders bei komplexen Layouts. Hier ist, was Sie bei der DFM-Analyse erwarten können und wie Sie Ihr Design schnell durch den Prozess bringen.

Was gehört zur DFM-Analyse für PCBs?

Im Allgemeinen bezieht sich die DFM-Analyse auf alles, was in großem Maßstab hergestellt werden muss. Hergestellte Produkte müssen so entworfen werden, dass sie zum Prozess passen, der für die Massenproduktion verwendet wird. Daher muss ein Design überprüft werden, um sicherzustellen, dass nichts im Design zu niedriger Ausbeute, Defekten oder geringer Lebensdauer führt. Heutzutage können sich Ihr PCB-Hersteller und PCB-Monteur auf gegenüberliegenden Seiten des Globus befinden, und es ist entscheidend sicherzustellen, dass sie alle Zugang zu einem einzigen, kontrollierten Informationspool des Projekts haben, um die DFM-Analyse durchzuführen.

Die DFM-Analyse für PCBs beinhaltet die Überprüfung, ob das Design den Herstellungs- und Montageprozessen Ihres Herstellers entspricht. Jeder erfahrene Designer sollte wissen, dass die Liste der möglichen Designentscheidungen, die die Qualität beeinträchtigen können, lang ist. Ich weiß, dass ich immer noch nicht jedes mögliche Herstellbarkeitsproblem, das in einem Design lauern könnte, auswendig gelernt habe, daher verlasse ich mich oft auf meinen Hersteller, um meine Platinen zu inspizieren, wenn ich kurz davor bin, einen Fertigungslauf zu starten.

Überprüfen Sie Ihr Design Oft

Das bringt einen wichtigen Punkt zur Sprache: Wann sollten Sie einige DFM-Prüfungen an Ihrem Design durchführen? Wenn Sie einfachere Platinen entwerfen, ist es wahrscheinlich in Ordnung, sich darauf zu verlassen, dass Ihr Hersteller vor der Produktion eine abschließende DFM-Prüfung durchführt; wiederholte tiefe DFM-Analysen nehmen nur unnötig viel Zeit in Anspruch, wenn Ihr Hersteller dies schnell erledigen kann. Für fortgeschrittenere Projekte, wie Platinen mit hoher Lagenanzahl und Mischsignalen, engen Toleranzen und mehreren Signalstandards, sind mehrere DFM-Analyse-Durchläufe notwendig, um potenzielle Qualitätsprobleme frühzeitig zu erkennen.

Der beste Weg, um unnötige Designänderungen vor der Fertigung zu vermeiden, ist die Durchführung von DFM-Analysen zu verschiedenen Zeitpunkten:

• Bei der Auswahl der Komponenten: Dies bezieht sich hauptsächlich auf die Größen passiver Komponenten, insbesondere 0201 und 01005. Wenn Sie diese kleinen Komponenten verwenden müssen, stellen Sie sicher, dass Ihr Hersteller damit umgehen kann.
• Während der Grundrissplanung: Zu diesem Zeitpunkt bestimmen wir noch einige grundlegende Aspekte der Platine, wie die mögliche Lagenanzahl, den Bereich der Leiterbahnbreiten, die Größen der Vias, ob wir zu HDI übergehen müssen, welche PCB-Laminate verwendet werden sollen und welches IPC Producibility Level für das Design anwendbar sein wird.
• Nach der Platzierung der Komponenten: Sobald Sie die Komponenten platziert haben, sollten Sie den Montageprozess berücksichtigen, insbesondere in Bezug auf das Löten bei doppelseitigen SMD-Platinen. Denken Sie auch darüber nach, wie geerdete Komponenten an ihre Referenzebene gelötet werden und ob sie thermische Entlastungen benötigen.
• Beim Planen des Stackups: Es ist überraschend, wie viele Stackups vor der Fertigung eines Designs geändert werden müssen. Dies ist so einfach wie die Anfrage bei Ihrem Hersteller nach einer verifizierten Stackup-Tabelle.
• Nach der Erstellung der Gerber-Dateien: Einige Defekte sind in Ihren Gerber-Dateien leichter zu erkennen, daher ist es am besten, Ihre Gerber auf Dinge wie überlappende Bohrungen und das Verhältnis von Durchkontaktierungen zu scannen.
• In Zusammenarbeit mit dem MCAD-Team: In einigen Fällen kann die Platzierung von lötbaren Steckverbindern oder anderen mechanischen Elementen zu extrem engen Freiräumen führen.

Einige dieser Punkte sind eine nähere Betrachtung wert, da sie in anderen Artikeln möglicherweise nicht oft diskutiert werden.

Komponentenabstände

Einige Punkte, die für Steckverbinder gelten, treffen auch auf andere Komponenten zu, aber es gibt einen weiteren Punkt bezüglich der Freiräume, der einer Überprüfung wert ist. Stellen Sie sicher, dass Sie eine Ausdehnung während der Montage berücksichtigt haben, insbesondere bei Steckverbindern mit einem Kunststoffgehäuse oder -sockel. Wenn zwei Komponenten zu nah beieinander sind und sich beim Löten ausdehnen, können sie beide während der Montage von der Platine abheben.

Die Überprüfung der Freiräume in der DFM-Analyse hätte uns geholfen, das Abheben von Komponenten während eines kürzlichen Fertigungsdurchlaufs vorherzusehen.

Betrachtung von Footprints

Natürlich sollten Sie sich bemühen, sicherzustellen, dass Ihre Footprints verifiziert sind. Dies kann manuell erfolgen oder indem ausschließlich verifizierte Komponenten direkt von den Herstellern verwendet werden, wenn diese verfügbar sind. Sobald jedoch ein Footprint in das Layout eingeht, müssen Sie die Öffnungen der Lötstopplacke, den Abstand zu Vias, den Abstand zu anderen Komponenten, die Via-Aspektverhältnisse und mehr überprüfen. Wenn Sie keine Software mit den richtigen Regelprüffunktionen verwenden, könnten Sie ein thermisches Pad schweben lassen, oder Sie könnten einen Bohranschlag zu nah an einem Lötfillett platzieren. Sie können das PCB-Layout direkt betrachten, aber es ist völlig in Ordnung, vorläufige Gerber-Dateien zu generieren und Ihre Schichten zu vergleichen (siehe unten).

Sie können Komponenten, die Öffnungen im Lötstopplack und Tränen benötigen, anhand von Zwischen-Gerber-Dateien erkennen.

Stapelprüfung

Es mag simpel klingen, aber Sie werden diese Prüfung mit Bravour bestehen, wenn Sie Ihren Hersteller einfach nach einem Stapel mit der gewünschten Lagenanzahl und Lagenanordnung fragen. Sie haben bereits die notwendige DFM-Analyse (Design for Manufacturability) durchgeführt, um sicherzustellen, dass bestimmte Lagenstapel ihren Prozess durchlaufen können. Sie geben Ihnen die Leiterbahnbreite, den Leiterbahnabstand (für differentielle Paare) und die Lagenstärke an, die Sie mit Ihren gewünschten Laminatmaterialien verwenden müssen. In einigen Fällen könnten Sie überrascht sein, dass Ihr gewünschtes Laminatmaterial nicht verfügbar ist und Sie ein nahezu äquivalentes Material verwenden müssen.

Wenn Sie Ihren Hersteller frühzeitig kontaktieren, senden sie Ihnen eine qualifizierte Stapeltabelle.

Für 4-Lagen-Stapel erhalten Sie wahrscheinlich den Standard 8mil/40mil/8mil S/P/P/S Stapel, der eine Gesamtstärke von 62 mil ergibt. Komplexere Stapelungen können eine individuelle Tabelle erfordern, besonders wenn Sie eine Platine haben, die eine impedanzkontrollierte Verdrahtung benötigt. Wenn Sie die Stapelinformationen frühzeitig erhalten, riskieren Sie nicht, die falsche Spur- und Abstandsbreite für die kontrollierte Impedanz anzuwenden, alles wird bereits verifiziert sein.

DFM-Analyse vor der Fertigung

Sobald Sie Ihre Platine fertiggestellt haben und zur Fertigung geschickt haben, sollte Ihr Hersteller eine eigene DFM-Analyse mit Ihren finalisierten Gerber-Dateien durchführen. Beachten Sie, dass ich hier "sollte" schreibe, denn nicht alle Hersteller werden dies tun; bei einigen Herstellern laden Sie Ihre Gerbers hoch und sie werden die Platine genau so produzieren, wie sie in Ihren Fertigungsdateien erscheint, ohne Fragen zu stellen. Bei einigen Herstellern müssen Sie diese Art von Service ausdrücklich anfordern, da verschiedene Servicelevel nur als Zusatzoption verfügbar sind.

Sobald Sie Ihre DFM-Analyse von Ihrem Hersteller erhalten haben, werden Sie viele Ergebnisse in den folgenden zwei Bereichen sehen: Überprüfungen der Freiräume gegenüber den Verarbeitungskapazitäten und Überprüfungen gegenüber spezifischen Branchenanforderungen.

Überprüfung der Feature-Größen im Vergleich zu den Verarbeitungskapazitäten

Wenn Sie Ihre Design-Dateien bei Ihrem Fertiger einreichen und sie ihre DFM-Analyse durchführen, werden Sie wahrscheinlich viele Ergebnisse bezüglich der Freiraumprüfungen sehen. Der Fertiger sollte die oben aufgeführten Bereiche bereits überprüfen, muss aber auch Ihre Feature-Größen und Freiräume mit seinen Verarbeitungskapazitäten vergleichen. Selbst wenn Sie diesen Prozess mit vorläufigen Gerbers als Teil der Angebotserstellung durchgegangen sind, ist es am besten, dies noch einmal zu tun, da Sie möglicherweise etwas übersehen haben.

Ein Beispiel für einen DFM-Analysebericht von einem meiner bevorzugten ITAR-Hersteller wird unten gezeigt. In dieser Tabelle können wir sehen, wo Abstände, Ringgrößen und Freiräume zwischen durchkontaktierten Löchern und Kupfer liegen. Aus der untersten Zeile können Sie erkennen, dass meine Einstellung für den Abstand von Leiterbahn zu Kupfer zu niedrig ist und die Pads auf einigen Footprints kleine Ringgrößen haben.

Beispiel eines DFM-Analyseberichts, der Freiräume im Vergleich zu den Prozessfähigkeiten zeigt.

In diesem Beispiel haben wir mehrere Fehler entlang eines bestimmten Footprints, der zufällig ein TO-92-Paket ist. In diesem Fall war die Lochgröße in der integrierten Bibliothek zu groß, was dazu führte, dass der Ring um den Rand zu klein sein musste, um die Freiräume einzuhalten. Nach der Verkleinerung des Lochs konnten wir Platz für einen Ring der Klasse 2 schaffen und dennoch genügend Freiraum lassen, um Brückenbildung zu verhindern.

Wie überprüft Ihr Hersteller bei einem großen, komplexen Design mit Tausenden von Netzen jedes mögliche Feature in Ihrem PCB-Layout? Es gibt Anwendungen, die diesen Prozess automatisieren und einen Bericht mit allen Prozessverstößen zusammenstellen. Einige Hersteller verwenden ihre eigenen Anwendungen intern, während andere Ihnen Zugang zu einem herunterladbaren Programm geben, mit dem Sie Ihr Design vor der Fertigung überprüfen können.

Überprüfung der Einhaltung der IPC-Klassen

Ein weiterer Bereich der Designanforderungen, der mehr Erfahrung erfordern kann, ist die Überprüfung der Einhaltung der IPC-Klassen. Ein wichtiger Punkt, der während des Angebotsprozesses angegeben werden sollte, ist, welche Stufe der IPC-Qualifikation angestrebt wird, falls zutreffend. Dies beinhaltet die Überprüfung von Tränen, Ringgrößen, Bohr- und Pad-Durchmessern im Vergleich zum Kupfergewicht, die Fähigkeit, Vias und Löcher zu plattieren, sowie die Anforderungen an die Dicke des Dielektrikums, um nur einige der wichtigsten Zuverlässigkeitsanforderungen zu nennen. Das physische Layout wird mit den Fähigkeiten des Herstellers verglichen, um sicherzustellen, dass das resultierende Design die Qualifikations- und Leistungsanforderungen gemäß den IPC-Standards erfüllen kann, und Änderungen müssen vor der Fertigung vorgenommen werden.

Wie Sie Ihre Design-Daten schnell an Ihren Hersteller übermitteln

Was ist der schnellste Weg, um Dateien in die Hände Ihres Herstellers zu bekommen, und wie können Sie sicherstellen, dass sie Ihre Designabsicht vollständig verstehen? Sie benötigen das beste Set an Cloud-Kollaborationstools, das Sie finden können. Heutzutage, wo alles digital erledigt wird, benötigen PCB-Designer Tools, die ihnen helfen, an komplexen Projekten zu arbeiten und diese mit ihren Fertigungspartnern zu teilen. Mit der Altium 365-Plattform ist es einfach, alles von vollständigen Projektfreigaben bis hin zu einzelnen Design-Dateien schnell mit Ihrem Hersteller, anderen Teammitgliedern und Kunden zu teilen.

Altium 365 hilft auch dabei, die DFM-Analyse mit einem kompletten Satz an Dokumentationsfunktionen zu vereinfachen, einschließlich:

• Werkzeuge zur Verwaltung und Hosting von Komponenten und Bibliotheken
• Ein integriertes Versionskontrollsystem basierend auf Git 
• Integration mit internen Datenbankwerkzeugen oder externen VersionskontrollanwendungenZugriffs- und Verwaltungsfunktionen für BenutzerInnerhalb von Altium 365 gibt es eine äußerst praktische Möglichkeit, Ihre Platine an Ihren Hersteller zu senden, mit der Funktion „Send to Manufacturer“. Sobald ein Projekt in Ihrem Altium 365 Workspace freigegeben wurde, können Sie in die Projektfreigabe gehen und oben auf dem Bildschirm den Button „Send to Manufacturer“ anklicken, wie unten gezeigt. Ihr Hersteller kann dann das Projekt in Altium Designer öffnen, oder er kann die Freigabedateien herunterladen und Ihre Fertigungsdateien durch eine DFM-Analyseanwendung laufen lassen.

Sobald ein Projekt in Ihrem Altium Designer Workspace freigegeben wurde, können Sie Ihrem Hersteller Zugriff gewähren.

Sobald Ihr Entwurf bei Ihrem Hersteller vorliegt, können sie spezifische Punkte im Design kommentieren, was sicherstellt, dass beim Lesen eines DFM-Analyseberichts keine Verwirrung entsteht. Diese Kommentare können dann online in Altium 365 über Ihren Browser oder im PCB-Layout angesehen werden, wenn Sie Ihr Projekt in Altium Designer öffnen. Kein anderer Cloud-basierter Dienst unterstützt Sie so effektiv durch mehrere Runden der DFM-Analyse wie Altium 365.

Der schnellste Weg, Ihr Design durch mehrere Runden der DFM-Analyse zu bringen, während Änderungen an Projekten im gesamten Prozess verfolgt werden, ist die Nutzung der Altium 365™-Plattform. Sie haben alle Werkzeuge, die Sie benötigen, um all Ihre PCB-Design-Daten zu teilen, zu speichern und zu verwalten auf einer sicheren Cloud-Plattform. Altium 365 ist die einzige Cloud-Kollaborationsplattform speziell für PCB-Design und -Fertigung, und alle Funktionen in Altium 365 sind mit den erstklassigen Designwerkzeugen in Altium Designer® integriert.

Vermeidung der häufigsten DFM-Fehler in Ihrem PCB-Design

Jede Leiterplatte sollte den DFM-Richtlinien (Design für die Fertigbarkeit) folgen, um potenzielle Fertigungs- und Montagefehler zu vermeiden. Dies konzentriert sich auch auf die Reduzierung von Kosten, die Verbesserung der Qualität und die fehlerfreie Fertigung. In diesem Artikel werden wir einige der wichtigsten DFM-Fehler in PCBs und verschiedene Techniken zu deren Vermeidung erklären.

Vermeidung der wichtigsten DFM-Fehler in Ihrem PCB-Design

Die DFM-Analyse ermöglicht es Herstellern, das Design der Platine aus verschiedenen Aspekten zu überprüfen, um ihre Materialien, Abmessungen und Leistung am effizientesten zu modifizieren. Sie erkennt sofort die Designprobleme und behebt sie weit im Voraus der Produktion. Ein schrittweiser Ansatz der Analyse für die Fertigbarkeit besteht aus den folgenden Attributen:

• Identifizierung von Designverstößen, die den Fertigungsprozess beeinflussen werden. 
• Bestimmung des genauen Fertigungsprozesses entsprechend der Geometrie und des Materialbedarfs. 
• Inspektion des Platinendesigns und Feststellung, ob die Spezifikation mit dem fertigen Produkt übereinstimmen wird.
• Auswahl von Materialien (entsprechend Eigenschaften, physischer Stärke und Textur), die von den Abmessungen der Platine abhängen.
• Sicherstellung, dass das Design die regulatorischen Vorgaben einhält, um Qualitätsstandards und Zuverlässigkeit zu erfüllen.

Wichtigste DFM-Fehler

Häufig auftretende DFM-Probleme umfassen Splitter, Ringbruch, Säurefalle usw. Lassen Sie uns einen Blick auf die gängigen Verstöße und deren Vermeidung werfen.

Vermeidung von Splittern

Splitter sind kleine Keile aus Trockenfilmresist, die Kupfer freilegen und Kurzschlüsse verursachen. Sie können entweder leitend (Kupfer) oder nicht leitend (Lötstopplack) sein. Es gibt zwei Gründe, die zur Bildung von Splittern führen. Der erste Fall tritt auf, wenn ein langes, dünnes Merkmal des Kupfers oder des Lötstopplacks weggeätzt wird. Sich ablösende Splitter verursachen während der Fertigung Kurzschlüsse. Im zweiten Fall bilden sich Splitter, indem ein Abschnitt eines Platinenentwurfs zu nah oder zu tief geschnitten wird. Die Funktionalität einer Platine kann dadurch negativ beeinflusst werden.

Lösung:

Implementieren Sie eine minimale Fotolackbreite, um diesen Defekt zu vermeiden. Wenden Sie denselben Netzabstand (weniger als 3 mil) oder Luftspalt an, der entfernt oder gefüllt werden kann. Eine ordnungsgemäße DFM-Analyse ist notwendig, um mögliche Bereiche zu identifizieren, in denen Splitter entstehen könnten, und um Probleme zu lösen, falls vorhanden.

 

KAM-Schnappschuss von Kupfersplittern

 

KAM-Schnappschuss von Lötstopplacksplittern

 

Kupfersplitter

Komponentenauswahl

Die Auswahl von Komponenten sollte auf Grundlage ihrer Verfügbarkeit, der Lieferzeit und der Überwachung veralteter Teile erfolgen. Dies stellt sicher, dass die Komponenten lange vor Beginn der Fertigung verfügbar sind.

Bestimmen Sie die Größen von Komponenten und Gehäusen, indem Sie die Stückliste (BOM) sorgfältig studieren. Sie können sich für größere Komponenten bei Widerständen und Kondensatoren entscheiden, wenn ausreichend Platz vorhanden ist. Verwenden Sie beispielsweise einen Kondensator/Widerstand der Größe 0603 oder 0805 anstelle eines 0402/0201. Die Auswahl wird durch Spannung, Strom und Frequenz beeinflusst. Wählen Sie, wenn möglich, kleinere Gehäuse; andernfalls wählen Sie größere. Die übermäßige Verwendung kleiner Komponentengehäuse kann die Montage der Leiterplatte komplizieren und das Reinigen und Nacharbeiten erschweren.

 

Kleine Komponenten auf einer PCB

Testpunkte

DFM beinhaltet Testpunkte für alle wichtigen Signale, um die elektrische Verbindung nach dem Aufbau der Platine zu überprüfen. Werden diese ausgelassen, wird es schwierig sein, das Endprodukt zu überprüfen. Hier sind einige Hinweise, um mögliche Fertigungsprobleme zu vermeiden:

• Platzieren Sie zur Vereinfachung der Tests alle Testpunkte auf derselben Seite der Platine.
• Halten Sie einen Mindestabstand von 0,100 Zoll zwischen den Testpunkten ein, um die Testeffektivität zu erhöhen. 
• Bestimmen Sie den Bereich für höhere Komponenten.
• Verteilen Sie alle Testpunkte gleichmäßig, um einen einfachen Zugang mit mehreren Sonden zu ermöglichen.
• Gestalten Sie Ihr Layout unter Berücksichtigung der Fertigungstoleranzen.

Vias und Bohrung-zu-Kupfer

Bohrung-zu-Kupfer ist der Abstand vom Rand eines gebohrten Lochs zum nächsten Kupfermerkmal. PCB-Designer betrachten jedoch Bohrung-zu-Kupfer vom fertigen Lochdurchmesser (FHS) zum nächsten Kupfermerkmal.

Designer sollten immer den gebohrten Durchmesser (FHS + Bohrtoleranz) berücksichtigen, um den korrekten Abstand zu bestimmen. Der Bohrdurchmesser kann aus der folgenden Gleichung ermittelt werden:

Fertiger Lochdurchmesser + Toleranz = Bohrdurchmesser

Normalerweise sollte der Abstand 5-8 mils betragen, aber das hängt von der Anzahl der Lagen ab. Layout-Tools für Platinen haben keine spezifischen Designregelprüfungen (DRCs) für Bohrung-zu-Kupfer. Wenn Sie jedoch in Ihrem Design einen ausreichenden Abstand verwenden, können Sie einen Freiraum von 8 mils haben. Dies ist das wichtigste Attribut, das bei der DFM-Analyse berücksichtigt werden sollte.

 

Bohrung-zu-Kupfer-Freigabe

Bei Ringen kann es zu Tangenzialität oder Ausbrüchen kommen, wenn der Bohrer nicht den gewünschten Punkt erreicht und sich in derselben Achse verschiebt. Dies führt zu marginalen Verbindungen und beeinträchtigt die Zuverlässigkeit.

 

Ringausbruch

Hier sind einige Tipps, um DFM-Probleme zu vermeiden, die beim Bohren auftreten können:

• Integrieren Sie weite Ringflächen in Ihr Design, indem Sie größere Padgrößen anpassen. Dies gewährleistet eine gute Leitfähigkeit und erleichtert das Bohren von Vias in der Mitte des Pads.
• Überprüfen Sie, ob die durchkontaktierten Bohrungen auf allen Kupferschichten Kupferpads haben.
• Sierra Circuits empfiehlt ein Minimum von 8 mils von Bohrung zu Kupfer.
• Halten Sie ein minimales Aspektverhältnis ein, um eine Fehlregistrierung des Bohrers zu verhindern.
• Definieren Sie den Bohrtyp (PTH/NPTH) und die Bohrmenge/-größe.
• Stellen Sie sicher, dass die Kupfermerkmale und Bohrungen innerhalb des Profils der Platine passen.
• Entwerfen Sie einen Ring, der größer oder gleich der minimalen Ringgröße (4 mils) ist, die vom Hersteller/Fertigungsbetrieb hergestellt werden kann.
• Fügen Sie Tränen hinzu, um das Ausbrechen des Rings bei komplexen Designs und kleineren Ringen zu verhindern. 

Die Anzahl der Bohrungen sollte mit dem Bohrplan übereinstimmen

Es ist entscheidend, die Anzahl der Bohrungen mit dem Bohrplan abzugleichen. Ein Bohrplan ist in der Fertigungszeichnung enthalten. Manchmal stimmt der Bohrplan nicht mit der tatsächlichen Bohrmenge überein. In diesem Fall müssen Sie den Bohrplan ändern oder neu generieren.

 

Beispiel eines Bohrplans für PCB

Als einfacher Designpunkt sollten Sie versuchen, die Anzahl verschiedener Bohrgrößen, die im PCB-Layout verwendet werden, zu minimieren. Es ist am besten, ein oder zwei Via-Größen zu wählen, die die meisten Schichtübergänge für Signale bewältigen können, und möglicherweise einige andere, die für Montagelöcher oder nicht durchkontaktierte Löcher verwendet werden.

Freiräume

Es gibt drei Arten von Freiräumen, die bei der DFM-Analyse zu beachten sind.

Kantenabstand:

Viele Designer vergessen, ausreichenden Abstand zwischen Kupfer und dem Rand der PCB zu lassen. Die Nähe von Kupfer zum Rand kann Kurzschlüsse zwischen benachbarten Schichten verursachen, wenn Strom angelegt wird. Dies ist das Ergebnis von freiliegendem Kupfer um den Umfang der Platine. Dieses Problem kann durch Hinzufügen von Freiraum zum Design gelöst werden. Überprüfen Sie die folgenden Annäherungen:

• Für äußere Schicht: 0,010”
• Für innere Schicht: 0,015”

Leiterabstand:

Der Leiterabstand ist der minimale Abstand zwischen zwei Leitern. Er hängt von Materialien, Kupfergewicht, Temperaturschwankungen und angelegter Spannung ab. Es hängt auch von den Fähigkeiten des Herstellers ab.

 

 

Lötmaskenfreiräume:

• Halten Sie den Lötmaskenfreiraum größer als die Lötpads, außer im Fall von lötmaskendefinierten Pads.
• Die beste Methode, um Lötbrücken zu verhindern, besteht darin, die Öffnung der Maske auf das Kupferpad zu erweitern oder eine Fassentlastung zu bieten (Lötmaskenabstand = Bohrgröße + 3 mils).

 

Lötmaskenabstand

Säurefallen

Ein weiterer DFM-Fehler, auf den man achten sollte, ist eine Säurefalle. Ein Design, das spitze Winkel beinhaltet, wird Säurekonzentrationen in diesem Bereich anziehen. Dies kann zu überätzten Leiterbahnen und offenen Schaltkreisen führen.

 

 

Vermeiden Sie es, die Leiterbahnen in spitzen Winkeln zu den Pads zu legen. Platzieren Sie die Leiterbahnen in einem Winkel von 45° oder 90° relativ zu den Pads. Überprüfen Sie nach dem Verlegen der Leiterbahnen, dass keine der Winkel Säurefallen erzeugt hat.

Prüfung des Siebdrucks

Die Prüfung des Siebdrucks beinhaltet die verschiedenen Attribute, die die DFM-Analyse beeinflussen werden und mögliche Fehler verhindern. Hier sind einige wichtige Richtlinien:

Orientierung: Der Siebdruck kann auf den Pads sitzen, und dies sollte durch einen DRC überprüft werden. Der Siebdruck könnte auch ein Via-Loch überlappen, obwohl dies akzeptabel ist, wenn die Vias abgedeckt sind. Dies kann passieren, während der Text gedreht und die Komponenten-Referenzdesignatoren angepasst werden. Kürzen Sie die Referenzdesignatoren, die über Pads und Vias gehen, um Überlappungen zu verhindern.

 

Stellen Sie sicher, dass Ihre Siebdruckorientierung konsistent ist

Leiterbahnbreite und Texthöhe: Wir empfehlen eine minimale Leiterbahnbreite von 4 mil und eine Texthöhe von 25 mil für eine leichte Lesbarkeit. Verwenden Sie immer Standardfarben und größere Formen für eine gute Darstellung. Typischerweise sollte die Größe 35 mil (Texthöhe) und 5 mil (Leiterbahnbreite) betragen. Wenn die Platine nicht dicht ist und genügend Platz für großen Text vorhanden ist, verwenden Sie die folgende Größe:

 

Falls die oben genannten Spezifikationen für eine mitteldichte Platine nicht funktionieren, verwenden Sie die folgende Größe:

 

Wenn die oben genannte Größe nicht funktioniert, beziehen Sie sich auf das Folgende: Für eine mitteldichte Platine:

 

 

Siebdruckverfahren: Die spezifische Methode beeinflusst viele Designparameter wie Größe, Abstände usw. sowie Elemente wie Pads, Vias und Leiterbahnen. Spezifizieren Sie diese entsprechend dem manuellen Siebdruck, dem Flüssigfoto-Imaging und dem Direktlegendendruck.überlappend.

Markierungen priorisieren: Priorisieren Sie die Siebdruckmarkierung gemäß der Klassifizierung: regulatorische Anforderungen, Herstelleridentifikation, Montagehilfen und Prüfhilfen.

Die Befolgung von Richtlinien zur Fertigungsgerechten Gestaltung hilft Ihnen, Fehler in der frühen Entwurfsphase zu erkennen. Glücklicherweise kann der DRC-Motor in Altium Designer Ihnen helfen, diese Probleme zu erkennen, bevor Sie in die Produktion gehen. Nachdem Sie sich mit Ihrem Hersteller beraten haben, können Sie die oben aufgeführten Einschränkungen in Ihre PCB-Designregeln programmieren, um sicherzustellen, dass Sie schnell Fehler erkennen und korrigieren können. Sobald Ihr Design bereit für eine gründliche Designprüfung und Fertigung ist, kann Ihr Team in Echtzeit über die Altium 365™-Plattform zusammenarbeiten und teilen. Designteams können Altium 365 nutzen, um Fertigungsdaten und Testergebnisse zu teilen, und Designänderungen können über eine sichere Cloud-Plattform und in Altium Designer geteilt werden.

DFA-Richtlinien für ein effizientes PCB-Design

Jedes PCB, das ein echtes Gerät werden möchte, muss mit hoher Ausbeute montiert werden. Eine strategische Planung ist notwendig, um sicherzustellen, dass die Platine beim ersten Versuch korrekt montiert werden kann. Ein Verständnis einiger grundlegender DFA-Richtlinien kann helfen sicherzustellen, dass Ihr Design mit minimalen Defekten und ohne Nacharbeit durch die Fertigungsmontage kommt.

DFA ist ein Prozess, der aus drei Stufen besteht. In der ersten Stufe wird das Design des Board-Layouts berücksichtigt. Während dieser Phase werden der Abstand zwischen den Komponenten, die Richtung des Lötens und die Kostenreduzierung für die Montage berücksichtigt. In der darauffolgenden Stufe werden Gerber- oder ODB++-Dateien auf Abstände und Ausrichtung der Komponenten, Footprints und verschiedene Reinigungsmethoden überprüft. In der letzten Stufe werden die Anforderungen an Wellenlöten, Reflowlöten und manuelles Löten identifiziert.

 

 

Ziele von DFA

Standardisierung

Jeder Board-Designer wird Schwierigkeiten haben, die Herausforderungen vorherzusagen, die bei der Arbeit an einem neuen PCB-Design auftreten könnten. Das Hauptziel der Standardisierung besteht darin, das Unsicherheitsniveau zu minimieren, indem Teile und Techniken verwendet werden, die zuvor funktioniert haben. Unten sind ein paar Möglichkeiten, um maximale Standardisierung in Ihrem Design zu gewährleisten:

• Überprüfen Sie die Quelle jedes Bauteils sorgfältig, um die Authentizität der Komponenten zu gewährleisten. Nicht autorisierte Quellen erhöhen das Risiko von Verzögerungen, Fehlinformationen und gefälschten Teilen.
• Versuchen Sie, die Anzahl der einzigartigen Bauteilgehäuse zu reduzieren, um den Montageprozess zu erleichtern und potenzielle Fehler zu minimieren. Wenn es beispielsweise Abweichungen zwischen Footprint und Land-Pattern gibt, können die notwendigen Layout-Anpassungen schneller durchgeführt werden, da das Design weniger einzigartige Land-Patterns aufweist.

Komponentenvalidierung

Jeder Platinenentwickler wird Schwierigkeiten haben, die Herausforderungen vorherzusagen, die bei der Arbeit an einem neuen PCB-Design auftreten können. Das Hauptziel der Standardisierung besteht darin, das Unsicherheitsniveau zu minimieren, indem Teile und Techniken verwendet werden, die sich zuvor bewährt haben. Unten sind ein paar Möglichkeiten aufgeführt, um maximale Standardisierung in Ihrem Design zu gewährleisten:

Eines der primären Ziele der DFA (Design for Assembly) ist es, die Komponenten, die auf die Platine kommen, zu validieren. Befolgen Sie die unten genannten Richtlinien, um Ihrem Hersteller zu helfen, Ihre Platine effizient zu montieren:

 

 

Montagefehler reduzieren

DFA konzentriert sich hauptsächlich darauf, potenzielle Montagefehler zu eliminieren. Abgesehen von den oben diskutierten Punkten ermöglichen die unten aufgeführten Punkte den Herstellern, Leiterplatten mit der gewünschten Funktionalität zu fertigen.

• Halten Sie sich an Größe, Abstand und Toleranzen für gebohrte Löcher, die innerhalb der Fähigkeiten Ihres Fertigers liegen. Dies stellt auch die Herstellbarkeit Ihres PCB-Designs sicher.
• Halten Sie sich an die Toleranzen und Freiräume, die im Rahmen der Fähigkeiten Ihres CM liegen.
• Befolgen Sie die Regeln für den Abstand zum Platinenrand.
• Stellen Sie sicher, dass die Platinenform eine optimale Panelisierung ermöglicht.
• Bauen Sie Wärmeentlastungen ein, wo sie nötig sind.

DFA-Standards

Wie in den vorherigen Abschnitten besprochen, hilft das Wissen um die DFA-Standards dabei, eine Platine effizient und kostengünstig zu entwerfen. In diesem Abschnitt werden wir einige kritische DFA-Normen durchgehen.

Komponentenorientierung mit Polaritätsmarkierungen

Die Ausrichtung der Komponenten ist einer der wichtigsten Faktoren, die während der Vormontagephase berücksichtigt werden müssen. Für eine problemlose Montage ist es wesentlich, klare und eindeutige Techniken der Orientierung zu befolgen. Betrachten Sie als Beispiel Dioden, die eine bestimmte Polarität aufweisen werden. Stellen Sie sicher, dass das Schaltsymbol und der Siebdruck eine angemessene Polaritätsmarkierung haben, die nach der Platzierung sichtbar sein wird. Dies erleichtert den Inspektionsprozess und vereinfacht das Testen oder Debuggen.

 

 

Das Symbol kann zwischen den beiden Pins für Durchsteckteile positioniert werden, aber es sollte neben dem Bauteil für oberflächenmontierte Teile platziert werden. Da diese Symbole viel Platz beanspruchen können, würde ein Balken über dem Kathodenpad oder eine einfache Kennzeichnung von A (Anode) oder K (Kathode) für HDI-Platinen ausreichen.

Gruppieren Sie immer ähnliche Komponenten und versuchen Sie, sie nach Möglichkeit in der gleichen Ausrichtung zu platzieren. Dies erleichtert einen schnellen Montageprozess. Beispielsweise können alle QFPs in einer Reihe mit Pin 1 in derselben Ecke für jeden IC platziert werden.

 

 

Abstands-Anforderungen

Der Abstand zwischen den Komponenten beeinflusst die Zeitrahmenanforderungen des PCBA-Prozesses. In diesem Abschnitt werden wir uns empfohlene Abstandsstandards ansehen, um die Qualität des Montageprozesses zu gewährleisten.

Teil-zu-Rand-Abstand

Bauteil-zu-Kanten-Abstand ist der Abstand eines gegebenen Bauteils auf der Platine zu deren Kante. Dieser Faktor spielt eine wichtige Rolle während der Depanelisierung. Während dieses Prozesses werden die Bauteile nahe der Platinenkante Spannungen ausgesetzt, die Lötstellen beeinträchtigen könnten. Wir empfehlen einen 125 mil Abstand zwischen der Platinenkante und den auf der Oberseite der Platine platzierten SMDs, aber Ihr Hersteller könnte in seinem Prozess andere Toleranzen vorgeben.

Manchmal erhöhen Hersteller den Bauteil-zu-Platinenkanten-Abstand auf der Unterseite der Platine weiter. Dies reduziert die Möglichkeit von SMT-Bauteilschäden während des Auftragens der Lötpaste.

Kupferleiterbahnen können auch näher an den Rand der Platine geführt werden. Dies ermöglicht einen Lötmaskenabstand und verhindert das Eindringen in Pads. Leiterbahnen, Kupferflächen und manuell eingesetzte Teile müssen mindestens 10 mils vom Rand der Platine entfernt sein. Durchkontaktierte Löcher sind ein Design, das eine Kupferbeschichtung am Platinenrand erfordert. Um die gewünschte Kupferbeschichtung zu erreichen, werden solche Designs zusätzliche Kosten und Vorlaufzeit benötigen.

 

 

Bauteil-zu-Loch-Abstand

Der Abstand zwischen den Komponenten beeinflusst die Zeitrahmenanforderungen des PCBA-Prozesses. In diesem Abschnitt werden wir uns die empfohlenen Abstandsstandards ansehen, um die Qualität des Montageprozesses zu gewährleisten.

• Teil-zu-Lochwand: Dies wird vom tatsächlichen Lochrand bis zum Padrand
• gemessen. Dies ist auch als Bohr-zu-Kupfer-Abstand bekannt. Der erforderliche Mindestabstand beträgt etwa 8 mils.
• Teil-zu-Ringnut: Dies wird vom Rand der Lochringnut bis zum Padrand gemessen. Der erforderliche Mindestabstand beträgt etwa 7 mils.

 

Teil-zu-Loch-Abstand

IPC-Montagestandards

Hier sind einige der anderen IPC-Montagestandards, an die sich Ihr CM bei der Montage von Platinen halten wird.

• IPC-A-600: IPC-A-600, allgemein bekannt als IPC-600, legt die Akzeptanzkriterien für jede Produktkategorie fest. Es definiert die wünschenswerten, zulässigen und nicht verhandelbaren Anforderungen an die Platinen. 
• IPC/WHMA-A-620C: Es beschreibt den Standard für Materialien, Verfahren, Tests und Akzeptanzkriterien für Kabel- und Kabelbaummontagen. 
• IPC-A-630: Es definiert die Standards für elektronische Gehäuse. Dieser Standard wird angewendet, wenn Ihr CM die Montage durchführt und den Inspektionsprozess ausführt.

Häufige Montagefehler

Dieser Abschnitt beschreibt die Defekte und Probleme, die während der PCBA am häufigsten auftreten. Hersteller verwenden viele Qualitätskontrollmethoden, um diese Defekte zu vermeiden, und einige dieser Methoden werden in den folgenden Unterabschnitten erwähnt. 

Tombstones

Ein Tombstone, auch bekannt als Manhattan-Effekt, bezieht sich auf den Fall, bei dem ein SMD-Bauteil teilweise oder vollständig von seinem Landepad abgelöst wird. Dies tritt am häufigsten bei kleinen SMD-Passiven (0603 oder kleinere Pakete) auf und wird durch Kraftungleichgewichte während des Reflow-Lötens verursacht.

Methoden zur Vermeidung von Tombstones:

• Hohe Bauteilgenauigkeit und eine hohe Vorheiztemperatur sicherstellen.
• Expositionen gegenüber hohen Temperaturen und Feuchtigkeit vermeiden.
• Erweitern Sie die Vorwärmzone, um die Benetzungskraft auf beiden Pads auszugleichen, bevor die Paste den geschmolzenen Zustand erreicht.

 

 

Lötbrücken

Lötbrücken entstehen, wenn das Lötzinn zwischen zwei Leitern aufgetragen wird, die nicht elektrisch verbunden sein sollten. Diese unerwünschten Verbindungen werden als Kurzschlüsse bezeichnet.

Methoden zur Vermeidung von Lötbrücken:

• Sicherstellen hoher Bauteilgenauigkeit und einer hohen Vorwärmtemperatur.
• Vermeiden von Expositionen gegenüber hohen Temperaturen und Feuchtigkeit.
• Erweitern Sie die Vorwärmzone, um die Benetzungskraft auf beiden Pads auszugleichen, bevor die Paste den geschmolzenen Zustand erreicht.

 

 

Lötvoids

Leere Räume oder Löcher innerhalb der Lötstelle werden als Lötvoids bezeichnet. Ein Lötvoid entsteht, wenn nicht genügend Lötzinn vorhanden ist, um eine Verbindung herzustellen. Ein Lötvoid besteht typischerweise aus Luft. 

Methoden zur Vermeidung von Lötvoids:

• Erhöhen Sie den Entgasungskanal, um Gase aus der Platine entweichen zu lassen. 
• Versuchen Sie, bleifreie Lötpaste zu verwenden.

 

 

Inspektionsmethoden

Nachdem die Leiterplatte bestückt wurde, können Hersteller mehrere Inspektions- und Qualitätskontroll-Verfahren durchführen.

Automatische optische Inspektion (AOI)

Automatische optische Inspektion (AOI) ist eine effiziente und genaue Methode, um Montagefehler auf Leiterplatten zu erkennen, bevor diese die Produktionsstätte verlassen. Diese Methode verwendet hochauflösende Kameras und fortschrittliche Bildverarbeitungssoftware, um Montagefehler wie fehlende oder falsch platzierte Komponenten, Lötbrücken, Lötkugeln oder Grabsteine zu identifizieren.

 

 

Röntgeninspektion

AXI (automatisierte Röntgeninspektion) ist ein beliebter Ansatz zur Erkennung von versteckten Defekten in ICs und BGAs. Die Scanquelle in diesem System ist ein Röntgenstrahl. Es kann verwendet werden, um große Hohlräume und Brüche zu identifizieren. Dieser Ansatz ermöglicht einen zerstörungsfreien Zugang zu inneren Geometrien und strukturellen Zusammensetzungen. AXI erfasst Bilder auf die gleiche Weise wie AOI. Der einzige Unterschied besteht darin, dass AOI mit einer Lichtquelle scannt, während AXI mit Röntgenstrahlen scannt.

 

2D-Röntgeninspektionsbild

DFA-Richtlinien sollen eine hohe Ausbeute und minimale Nacharbeit nach der Montage sicherstellen. Sie können diese und viele andere DFA-Richtlinien vor der Produktion implementieren, indem Sie den DRC-Motor in Altium Designer® verwenden. Nachdem Sie sich mit Ihrem Hersteller beraten haben, können Sie die oben aufgeführten Einschränkungen in Ihre PCB-Designregeln programmieren, um sicherzustellen, dass Sie schnell Fehler erkennen und korrigieren können. Sobald Ihr Design bereit für eine gründliche Designprüfung und Fertigung ist, kann Ihr Team in Echtzeit über die Plattform Altium 365™ zusammenarbeiten und kommunizieren. Designteams können Altium 365 nutzen, um Fertigungsdaten und Testergebnisse zu teilen, und Designänderungen können über eine sichere Cloud-Plattform und in Altium Designer geteilt werden.

Kommunikation der PCB-Lagenstapel-Anforderungen an die Hersteller

In der PCB-Designbranche ist die Kommunikation von Bedürfnissen an Hersteller und Lieferanten oberste Priorität. Der Kontext unserer Anfragen geht manchmal verloren, entweder indem nicht die richtigen Informationen bereitgestellt, nicht genügend Informationen aufgelistet oder gar keine Informationen gegeben werden. Obwohl der erfahrene PCB-Designer Schritte unternehmen kann, um alles zu spezifizieren, was sie in ihrem PCB-Stapel sehen möchten, wird letztendlich der Hersteller diese Entscheidung treffen, in dem Bemühen, verfügbare Materialien mit Verarbeitungskapazitäten und Ausbeute abzuwägen.

Stackups beschreiben mehr als nur den grundlegenden Aufbau der Leiterplatte; in den Stackup sind viele andere Designüberlegungen eingebettet, die durch die Materialien Ihrer Kern- und Dielektrikumsmaterialien definiert sind. Um sicherzustellen, dass Ihr Design mit den Fähigkeiten, Materialvorräten und Impedanzanforderungen Ihres Herstellers kompatibel ist, müssen Designer sicherstellen, dass ihre Stackup-Anforderungen klar definiert sind. Wenn Sie meinem Rat folgen und zu Beginn des Designs zunächst Ihren Hersteller fragen, welche Stackups sie zur Verfügung haben, dann werden Sie auf dem richtigen Weg sein. Wenn Sie um diesen Lagenstapel herum entwerfen, dann wird die Zusammenarbeit mit Ihrem Hersteller viel einfacher sein.

Was ist, wenn Sie ein bestehendes Design haben und es irgendwo mit kompatiblen Materialsets produzieren lassen müssen? Wie können Sie das Risiko minimieren, dass die erhaltene Platine Ihre Anforderungen nicht erfüllt? Das werden wir in diesem Artikel betrachten. Wenn Sie einigen dieser Tipps folgen, werden Sie MIT der Fertigung entwerfen, nicht nur FÜR die Fertigung.

Stellen Sie sicher, dass die Anforderungen an den PCB-Lagenstapel spezifiziert sind

Wie ich oben erwähnt habe, ist es bei der ersten Iteration eines Designs typischerweise der Fall, dass man einen Standard-Stackup erhalten und diesen in seinem Design verwenden kann. Dies ist der schnellste Weg, um Ihren Prototypen zu entwerfen und in die Produktion zu bringen. Die andere Option ist, zumindest Ihren eigenen Stackup mit den von Ihnen ausgewählten Materialien zu entwerfen und diesen dann mit Ihrem Fertigungshaus zu qualifizieren. Sie werden Ihnen mitteilen, ob sie ihn produzieren können oder nicht, und Sie können entscheiden, wie Sie von dort aus weitermachen (entweder den Stackup neu entwerfen oder ihn woanders hinschicken).

Wenn das Design bereits fertiggestellt ist, sieht die Geschichte ein bisschen anders aus. Wenn Sie das Design produzieren lassen, müssen Sie sicherstellen, dass der Hersteller der nackten Platinen mehrere Spezifikationen erfüllen kann, einschließlich:

• Schichtmerkmale - Dies umfasst Schichtdicken, Kupfergewicht, Kupferfolientyp (umgekehrt behandelt, elektrodeponiert, gewalztes Kupfer, additiv usw.) und Laminataufbau/Webart.
• Dielektrische und Impedanzanforderungen - Wenn Sie eine Impedanzspezifikation (sowohl für Signale als auch für Strom) haben, die Sie erreichen müssen, dann müssen Sie die dielektrische Konstante in Ihren Schichten zusammen mit Schichtdicken und Kupfer spezifizieren.
• Erlaubte Substitutionen und Toleranzen - Hier kann Ihr Hersteller sehen, welche Änderungen Sie ihm erlaubt haben vorzunehmen, um sicherzustellen, dass das Design zuverlässig überall produziert werden kann.

Wir sprechen nicht oft über Punkt #3 und konzentrieren uns stattdessen auf DFM als Teil der Punkte #1 und #2. Wenn Sie mögliche Änderungen, die in Ihrem PCB-Lagenstapel in Punkt #3 benötigt werden, berücksichtigen können, eliminieren Sie das Risiko, Platinen zu erhalten, die Ihre Spezifikationen nicht erfüllen.

Um sicherzustellen, dass Ihre Anforderungen an den PCB-Lagenstapel erfüllt werden, haben Sie ein wichtiges Dokument, das Sie verwenden können, um Ihre Anforderungen an die Leiterplatte zu spezifizieren: Ihre PCB-Fertigungszeichnung. Sie werden sowohl eine Stapelzeichnung als auch Ihre Fertigungsnotizen verwenden wollen, um Ihre Anforderungen an den PCB-Lagenstapel Ihrem Hersteller zu kommunizieren.

Beginnen Sie mit einer PCB-Lagenstapelzeichnung oder -tabelle

In Ihrem Fertigungszeichnung können Sie sofort die meisten Anforderungen für Ihren Stackup mit einer Schichtstapelzeichnung spezifizieren. Dies ist der einfachste Weg, um Ihrem Fertigungsbetrieb die grundlegenden Anforderungen mitzuteilen, die Sie auf Ihrer Platine sehen möchten. Das folgende Beispiel ist ein Design für eine 4-Lagen-Platine, die für eine Hochgeschwindigkeits-PCB, ein Leistungsreglermodul, eine Mikrocontrollerplatine oder eine andere Allzweckplatine verwendet werden könnte.

 

Beispiel einer PCB-Schichtstapelzeichnung in einer Fertigungszeichnung. Dies wurde in Draftsman erstellt.

Beispiel einer PCB-Schichtstapelzeichnung in einer Fertigungszeichnung. Dies wurde in Draftsman erstellt. Aus dieser Zeichnung können wir bereits mehrere wichtige Spezifikationen erkennen, die Ihr Fertigungsbetrieb erfüllen muss:

• Schichtdicke und -anzahl
• Kupfergewicht auf jeder Schicht 
• Spezifisches Materialset (in diesem Fall ITEQ IT-180BS/IT180C)
• Gerber-Dateierweiterung, die jeder Schicht entspricht

Manchmal, wenn ich Anforderungslisten von Kunden erhalte, werden diese Punkte in ein Stackup-Dokument zusammengefasst. Wenn Sie Ihre Designergebnisse an Ihren Hersteller übermitteln, ist es in Ordnung, ein Stackup-Dokument oder ein anderes Anforderungsdokument als Teil des Dateipakets einzuschließen, aber diese Informationen sollten auch in einer Fertigungszeichnung widergespiegelt werden. Der beste Weg, dies zu tun, ist mit einer Stackup-Zeichnung, wie oben gezeigt.

Was ist mit Impedanz und dielektrischen Eigenschaften? Wenn Sie mit einem spezifischen Materialset im Sinn entwerfen, dann müssen Sie diese nicht explizit auflisten, obwohl diese in Ihrer PCB-Layer-Stackup-Zeichnung enthalten sein können. Um sicherzustellen, dass Ihr Fertigungsbetrieb diese Toleranzen in Ihrem Design berücksichtigt, müssen Sie akzeptable Toleranzen für Leiterbahnbreiten und Schichtdicken angeben.

Toleranzen in Ihrem Stackup und Leiterbahnbreiten

Um ein Ziel für die dielektrische Konstante, thermische/chemische Eigenschaften oder eine Impedanz zu erreichen (vorausgesetzt, Sie haben dies spezifiziert), gibt es drei Wege, wie Sie in Ihrem Design vorgehen können:

• Bevor Sie mit jeglicher Entwurfsarbeit beginnen, lassen Sie Ihren Lagenaufbau von Ihrem Fertigungsbetrieb genehmigen. Wenn sie ihn genehmigen, stellen Sie sicher, dass sie eine Leiterbahnbreite für Ihren Impedanzwert basierend auf kontrollierten Impedanzdaten angeben. Wenn Sie um diese Leiterbahnbreite und den Lagenaufbau herum entwerfen, dann wissen Sie, dass die Spezifikationen, die Sie in Ihrer Fertigungszeichnung angeben, das gewünschte elektrische Verhalten erzeugen werden.
• Geben Sie die IPC-Slash-Sheet-Konformität für alle kompatiblen Materialien an, die im PCB-Lagenaufbau verwendet werden. Sie müssen ein gewünschtes Slash-Sheet für eine anfängliche Materialauswahl kennen. • Ermöglichen Sie dem Fertiger, die Leiterbahnbreiten bei Bedarf anzupassen, um einen Materialwechsel im PCB-Lagenaufbau zu berücksichtigen. Sie müssen kein spezifisches Slash-Sheet oder Materialnamen angeben, obwohl Sie dies in Ihren Fertigungsnotizen tun können. 

Option #1 stellt sicher, dass Ihre Platine genau ist, aber nur bei Fertigern, die nur Ihren spezifischen Materialsatz anbieten. Optionen #2 und #3 sind allgemeiner und sie versuchen, Sie überall abzudecken, aber Sie müssen möglicherweise eine impedanzkontrollierte Prüfung während der Fertigung anfordern.

Die Umsetzung von Option #2 ist in Ihren Fertigungsnotizen einfach. Das untenstehende Bild zeigt eine Beispiel-Fertigungsnotiz, die klar angibt, welcher Slash-Sheet Ihre Materialzusammensetzung entsprechen muss (siehe Notiz 16.C, umrandet in Rot). Beachten Sie, dass dies auch implementiert werden kann, wenn keine Impedanzkontrolle benötigt wird.

 

Diese Fertigungsnotiz spezifiziert die Konformität mit dem Slash-Sheet, sodass der Hersteller nur mit kompatiblen Materialsets tauscht.

Innerhalb von Option #3 muss Ihr Fertigungsbetrieb diese Spezifikationen möglicherweise etwas anpassen. Sie müssen zulässige Toleranzen für die Schichtdicke und die Leiterbahnbreite in Ihren Fertigungsnotizen angeben. Das untenstehende Beispiel zeigt, wie dies als zulässige Toleranz für den Fertigungsbetrieb spezifiziert werden kann. Das rote Feld definiert das nominale Impedanzziel, das in der Konstruktion implementiert ist, wie es ursprünglich an den Fertigungsbetrieb geliefert wird. Das blaue Feld gibt die zulässigen Toleranzen für die Leiterbahnbreite und die Schichtdicke an

 

Diese beiden Fertigungsnotizen ermöglichen es dem Hersteller, die Geometrie der Leiterbahn oder Schicht so anzupassen, dass ein Impedanzziel innerhalb der in Notiz 18.A. spezifizierten Toleranz erreicht werden kann.

Indem Sie dies tun, berücksichtigen Sie, dass die Materialien, die ein Fertigungsbetrieb verwendet, eine andere Dielektrizitätskonstante haben können als die, die Sie in Ihrem Design verwendet haben. Da sie nicht immer in der Lage sein werden, die erforderliche Dielektrizitätskonstante zu erreichen, müssen sie die Leiterbahn anpassen, um größere Unterschiede auszugleichen, die die Impedanz außerhalb der in Notiz 18.A definierten Spezifikation bringen.

Wenn Sie bereit sind, die Dokumentation für Ihr PCB-Design zu erstellen und Ihr Fertigungsdateipaket in die Produktion zu senden, verwenden Sie die automatisierten Zeichenwerkzeuge im Draftsman-Paket, das in Altium Designer® enthalten ist. Sobald Sie bereit sind, Ihre Fertigungsdaten an Ihren Hersteller freizugeben, können Sie Ihre Entwürfe einfach über die Plattform Altium 365™ teilen und zusammenarbeiten. Alles, was Sie benötigen, um fortschrittliche Elektronik zu entwerfen und zu produzieren, finden Sie in einem Softwarepaket.

Welchen Wert für die Lötmaskenexpansion sollten Sie verwenden?

Die Lötstoppmaske schließt die Leiterplatte ab und bietet einen Schutzfilm über dem Kupfer auf den Oberflächenschichten. Die Lötstoppmaske muss von den Landepads auf der Oberflächenschicht zurückgezogen werden, damit eine Fläche vorhanden ist, auf der Komponenten montiert und gelötet werden können. Diese Entfernung der Lötstoppmaske von einem Pad auf der oberen Schicht sollte sich um einen gewissen Abstand um den Rand des Pads erstrecken und entweder NSMD- oder SMD-Pads für Ihre Komponenten erstellen.

Wie weit sollten Sie die Erweiterung der Lötstoppmaske zurückziehen, um einen Montagefehler zu verhindern und sicherzustellen, dass genügend Fläche zum Löten vorhanden ist? Wie sich herausstellt, können bei stetig kleiner werdenden Komponenten und höheren Layoutdichten die Erweiterungen der Lötstoppmaske kleine Lötstoppmaskensplitter erzeugen, die auf der Oberflächenschicht verbleiben. Irgendwann werden der minimal zulässige Lötstoppmaskensplitter und die erforderliche Lötstoppmaskenerweiterung zu konkurrierenden Designregeln; es könnte sein, dass Sie nicht beide Regeln gleichzeitig erfüllen können.

Ausbalancieren von Lötstoppmaskenerweiterung und Splittern

Größe des Umfangspads vs. Toleranz bei Fehlregistrierung

Dies ist der Hauptgrund, eine positive Lötstoppmasken-Erweiterung anzuwenden, die ein nicht durch Lötstoppmaske definierter (NSMD) Pad erzeugt. Die Begründung dafür hängt mit dem Kupferätzprozess zusammen; da das Kupferätzen ein nasschemischer Prozess ist, ist es tatsächlich präziser als die Anwendung der Lötstoppmaske. Um sicherzustellen, dass die gesamte Padfläche immer freigelegt ist, wenden wir eine ausreichend große Lötstoppmasken-Erweiterung um das Pad an.

Die geringere Präzision des Lötstoppmasken-Auftragsprozesses kann zu einer Fehlregistrierung führen, bei der die Lötstoppmaske nicht perfekt mit dem Ort übereinstimmt, an dem sie in Ihrem PCB-Layout definiert ist. Wenn jedoch die Lötstoppmasken-Erweiterung groß genug ist, wird sie die Fehlregistrierung kompensieren und das Pad kann immer noch vollständig durch die Lötstoppmaske sichtbar sein. Die kleinste Empfehlung zur Lötstoppmasken-Erweiterung, die ich gesehen habe, beträgt 3 mils (Milli-Inch) auf allen Seiten des Pads, was eine Fehlregistrierung von ungefähr 2 mils kompensieren wird.

 

Dieses Pad hat eine geringe Fehlregistrierung der Lötstoppmaske.

Was ist, wenn Ihre Pads bereits ausreichend groß sind? In diesem Fall könnten Sie eine kleinere Lötstopplack-Ausdehnung rechtfertigen. Wenn Sie in diesem Fall eine kleinere Ausdehnung bei größeren Pads verwenden, haben Sie immer noch die Gewissheit, eine ausreichend große freiliegende Padfläche zu haben, selbst wenn es zu einer Fehlregistrierung kommt. In jedem Fall müssen Sie auch den Bedarf an Lötbäumen zwischen benachbarten Pads/Vias berücksichtigen.

 

Mindestgröße des Lötbalkens

Die minimale Größe des Lötstopplack-Schlitzes begrenzt die Lötstopplack-Ausdehnungsöffnung, die Sie bei einem gegebenen Leiterabstand anwenden können. Wenn der Leiterabstand groß genug ist, dann können Sie immer eine große Lötstopplack-Ausdehnung anwenden, ohne sich Sorgen über das Erreichen einer Lötbalken-Grenze machen zu müssen. Wenn der Leiterabstand klein wird oder wenn Komponenten eng zusammengepackt werden, könnten Sie die minimale Größe des Lötstopplack-Schlitzes verletzen. In diesem Fall müssen Sie entscheiden, ob Sie eine Kompensation für Fehlregistrierungen bevorzugen oder sicherstellen wollen, dass immer ein Lötbalken vorhanden ist. Bei Bauteilen mit feiner Teilung bevorzuge ich letzteres.

 

Diese Standorte werden die Grenzwerte des Herstellers bezüglich der Mindestgröße des Lötbalkens verletzen. Montagefehler könnten durch das Anwenden eines zusätzlichen Abstands zwischen den Pads für verschiedene Komponenten verhindert werden.

Da das Netz der Lötstoppmaske mindestens etwa 3 mil dick sein muss, um an der Oberfläche eines PCB-Substrats zu haften, können Sie im Allgemeinen eine minimale Lötmaskenexpansion um ein Pad herum einpassen, wenn der Pad-Abstand 20 mil oder höher ist. Wenn Sie interne Leiterbahnen betrachten (wie innere Kugeln auf einem BGA-Footprint), ist es angebracht, SMD-Pads zu verwenden und kleine Dämme zwischen Pads und Vias zu platzieren.

Sollten Sie Ihrer Fertigungsstätte die Entscheidung überlassen?

Wenn Sie einfach eine pauschale Designregel festlegen und eine Expansion von 0 mil oder 1 mil anwenden, damit Sie Ihre Dichte-Anforderung erfüllen können, könnte Ihr Fertiger einen zusätzlichen Expansionswert anwenden. Wenn sie dies tun, könnten sie Ihnen davon nicht berichten; Sie sollten erwarten, dass eine Fertigungsstätte dies tun könnte, um eine Fehlregistrierung zwischen der Lötstoppmaskenschablone und den Pads auf der Oberflächenschicht zu überwinden.

Meine Vorliebe war es, die Maske bei den meisten Projekten auf 0 mil zu setzen, aus zwei Gründen:

• Wenn ich nicht mit einem sehr hochdichten Layout zu tun habe, werden die Footprints, die wir für die meisten Komponenten verwenden, große genug Pads haben, dass die typische Menge an Fehlregistrierung die Lötfläche auf dem Pad nicht signifikant reduzieren wird.
• Ich weiß bereits, dass der Hersteller die Lötstopplack-Ausdehnung erhöhen wird, da ich mit einer begrenzten Anzahl von Fertigungsbetrieben arbeite; ich kenne deren Prozess und werde die Gelegenheit haben, genau zu überprüfen, was sie ändern möchten, wenn sie mir ihren DFM-Bericht

senden. Punkt #2 sollte den Grund verdeutlichen, warum Sie eine bevorzugte Gruppe von Fertigungs-/Montageunternehmen haben sollten, mit denen Sie arbeiten, und deren Prozess verstehen sollten. Mein Unternehmen hat mehrere Fertigungspartner, mit denen wir ausschließlich für Projekte mit geringem und mittlerem Volumen zusammenarbeiten. Wir wissen, was sie erwarten und welches Feedback wir nach einer ersten DFM/DFA-Prüfung erhalten könnten.

Wenn Sie Ihre Absichten Ihrem Fertiger wirklich klar machen wollen, machen Sie Ihre Absichten in Ihrer Fertigungszeichnung deutlich. Fügen Sie Ihrer Fertigungszeichnung eine Notiz hinzu, die besagt, dass der Hersteller die Erlaubnis hat, die Öffnungen des Lötstopplacks innerhalb eines bestimmten Bereichs (vielleicht +/- 3 mils) zu ändern. Die andere Option ist, eine spezifizierte Toleranz für Ihre Lötmaskenausdehnung festzulegen und dann eine minimale Schlitzbreite zu spezifizieren. Beachten Sie nur, dass sie die Platine möglicherweise an Sie zurücksenden, wenn Ihre Toleranz zu eng ist, in welchem Fall Sie möglicherweise Ihre Toleranzanforderung lockern müssen.

 

Hinweis 10 in diesen Fertigungsnotizen gibt an, welches Maß an Lötstopplack-Ausdehnung ich in diesem Design tolerieren werde. In diesem Fall habe ich angegeben, dass ich bevorzuge, dass die Öffnungen des Lötstopplacks der Padgröße entsprechen.

Nachdem Sie die minimale Lötstopplack-Ausdehnung und das minimale Silber, das Sie benötigen, um Montageprobleme zu verhindern, bestimmt haben, können Sie die CAD-Tools in Altium Designer® verwenden, um Ihre Landmuster und Footprints zu definieren. Sie und Ihr Team können produktiv bleiben und effizient an fortschrittlichen Elektronikdesigns durch die Altium 365™-Plattform zusammenarbeiten. Alles, was Sie benötigen, um fortschrittliche Elektronik zu entwerfen und zu produzieren, finden Sie in einem Softwarepaket.

Ist es gedruckt oder ein Bauteil? Alles über PCB-Testpunkte

Testpunkte in Ihrer elektronischen Baugruppe geben Ihnen einen Zugangsort, um Komponenten zu erreichen und wichtige Messungen durchzuführen, um die Funktionalität zu überprüfen. Wenn Sie noch nie einen Testpunkt verwendet haben oder sich nicht sicher sind, ob Sie Testpunkte benötigen, lesen Sie weiter, um zu sehen, welche Optionen Sie für die Verwendung von Testpunkten in Ihrem PCB-Layout haben.

PCB-Testpunkte als Komponenten und gedruckte Elemente

Sehr einfach ausgedrückt, können Testpunkte auf einer PCB absichtlich als gedruckte Elemente in einem Design platziert werden, wie zum Beispiel ein nacktes Pad oder eine Durchkontaktierung (Via) mit einer Verbindung zu einer internen Leiterbahn oder Ebene. Diese können dann während der elektrischen Prüfung mit einer Testvorrichtung zugänglich gemacht werden, wie zum Beispiel der grundlegenden elektrischen (Durchgangs-)Prüfung, In-Circuit-Testing oder einem fixture-losen Flying-Probe-Test. Selbst wenn Sie keine Testpunkte als Pads oder andere Vorrichtungen in Ihrem PCB-Layout absichtlich platzieren, können Sie immer noch bestimmte Leiter als Testpunkte definieren.

Muss jedes Design Testpunkte haben? Nicht unbedingt; für einen Prototypen ist es besser, sich die Zeit zu nehmen, um funktionale Tests von Hand durchzuführen, damit Sie Ausfälle leichter identifizieren können. Sie werden in der Lage sein, die Platinen und Instrumente, mit denen Sie arbeiten, zu sehen und zu berühren, sodass es viel einfacher sein wird, Probleme während der Tests zu identifizieren. Wenn Sie in irgendeiner Weise skalieren und Ihre Testanforderungen gründlich bewertet haben, dann ist es am besten, Testpunkte für In-Circuit- oder Funktionstests bei Ihrem Hersteller zu platzieren, damit diese die grundlegenden Funktionstests in der Linie automatisieren können.

Was Testpunkte betrifft, so können sie als Komponenten, Pads, Vias oder andere gedruckte Elemente auf Ihrer Platine platziert werden. Testpunkte können auch während der Fertigung oder Montage in Ihrer Designsoftware für den Zugriff markiert werden. Schauen wir uns nun einige der Optionen an, die Sie für Testpunkte in Ihrem PCB-Layout haben.

 

Testpunkt-Pads und Vias

Eine Möglichkeit besteht darin, absichtlich ein Pad entlang einer Verbindung oder irgendwo auf einem Bus als Testpunkt zu platzieren. Sie könnten dies auch als Via platzieren, sodass innere Schichten leicht zugänglich sind. Diese könnten entlang einer Leiterbahn (in Serie) oder seitlich als kleiner Stummel platziert werden. Für langsame digitale und niederfrequente analoge Signale (selbst wenn diese impedanzkontrolliert sind, wird dies kein Signalintegritätsproblem darstellen. Spezialisiertere Tests mit Hochgeschwindigkeits-/Hochfrequenzsignalen benötigen eine spezifische Teststruktur mit kontrollierten und angepassten Impedanzen an jedem Port; behalten Sie dies im Hinterkopf, bevor Sie Testpunkte über jede Verbindung platzieren.

 

Es ist üblich, ein Array von Testpunkten um einen großen Prozessor zu platzieren, sodass wichtige Netze (PWR, GND, Konfiguration usw.) während des Tests zugänglich sind.

Testpunkt-Komponenten

Einige Unternehmen stellen Testpunktkomponenten her und verkaufen sie, die direkt auf Ihrer Leiterplatte montiert werden können. Ein Beispiel von Keystone wird unten gezeigt. Diese Komponente wird in Ihrem Schaltplan als 2-polige Komponente definiert und im Layout wie jede andere Durchsteckkomponente platziert. Auch SMD-Komponenten sind verfügbar.

 

Beispiel Testpunkt (Keystone 5001)

Diese Komponenten eignen sich hervorragend, um eine Sonde anzuschließen und Messungen einer Wellenform vorzunehmen. Beachten Sie, dass diese nur einen Anschlusspunkt haben. Wenn Sie diesen Testpunkt in Serie mit der Zielverbindung verbunden haben, können Sie diese Komponente verwenden, um die Spannungswellenform auf der Zielverbindung zu messen (d.h. mit einem Oszilloskop). Bei niedrigen bis moderaten Frequenzen (unter 1 GHz) und Anstiegszeiten (über 10-20 ns) können Sie eine direkte Verbindung mit Ihrer Sonde für Ihre Messung verwenden, und Sie müssen sich keine Sorgen über die Impedanz des Testpunkts oder Reflexionen machen, solange die Frequenz niedrig genug ist. Dies macht diese Komponenten gut geeignet, um wichtige Wellenformen wie Motorantrieb, analoge Signale niedriger Frequenz, langsamere digitale Busse (z.B. I2C oder SPI) oder GPIOs auf Ihrem MCU während der Funktionsprüfung zugänglich zu machen.

Mix and Match

Im Allgemeinen können Sie je nach Bedarf verschiedene Arten von Testpunkten kombinieren. Die besten Praktiken würden vorschreiben, eine Testpunkt-Komponente oder spezifische Testvorrichtung auf der Platine zu platzieren, wenn Sie während des Funktionstests auf eine Verbindung oder ein Wellenformsignal zugreifen müssen. Andernfalls sollten Sie für In-Circuit-Tests, Flying-Probe-Tests oder Durchgangsprüfungen Pads oder Vias vorsehen, um spezifische Punkte auf Ihrer Platine zu berühren. Testpunkte, die nicht als spezifische Pads oder Vorrichtungen platziert werden, sind normalerweise auf bestimmten Vias, Komponentenpads, Strom-/GND-Verbindungen oder anderen freiliegenden Leitern auf der gefertigten PCB definiert.

 

Testpunkt-Komponenten können auf derselben Platine wie Testpunkte für die Fertigung oder Montage platziert werden.

Mehr spezialisierte Tests

Was wir hier gezeigt haben, ist für den In-Circuit-Test während der Fertigung/Montage gedacht, sowie für das Testen der Leiterplatte mit einer Sonde, um eine Wellenform oder ein Niveau zu betrachten. Für etwas Spezialisierteres, wie eine hochgenaue Impedanzmessung oder Impulsantwortmessung, könnten einfache PCB-Testpunkte mit einer einfachen Leiterverbindung (entweder mechanisch fixiert oder gelötet) nicht die Ergebnisse liefern, die Sie erwarten. Es werden ausgefeiltere Testvorrichtungen benötigt, um Ihren PCB-Testpunktzugang mit Ihrem Signalgenerator oder Analysator zu verbinden. Ein Beispiel ist das 2x-durch Design, wie im IEEE P370 Standard spezifiziert.

Oftmals, wenn eine spezialisierte Verbindung für den Einsatz in einem Hochfrequenz- oder Hochgeschwindigkeitssystem entworfen wird, besteht die Strategie darin, eine Testplatine zu bauen, die die Verbindung und ihre Steckverbinder hält. Wenn Sie eine kontrollierte Impedanz für Ihren Hersteller spezifizieren, werden sie spezialisierte Verbindungsdesigns (wie eine Wellenleitung) nicht testen, da sie keinen Testcoupon haben, der Ihre spezifische Verbindung hat. Standard-Übertragungsleitungsarten sind in Ordnung, aber etwas Spezialisierteres erfordert, dass Sie den Testcoupon selbst bauen, oder Sie stellen die Design-Dateien für den Testcoupon Ihrem PCB-Herstellungshaus zur Verfügung, damit sie ihn testen können.

Für einige niederimpedante PDN-Messungen mit kurzen Impulsen oder Frequenzscans unter etwa 10 GHz können Sie einfach koaxiale Verbindungen zu Testsonden verwenden, die Ihre PCB-Testpunktpads berühren, um eine niederimpedante Verbindung herzustellen. Wenn Sie Frequenzbereichsmessungen durchführen, um Netzwerkparameter zu erhalten, achten Sie auf Fehlerquellen, die mit Ihrer Referenzauswahl zusammenhängen. Ich habe dies anderswo in Bezug auf die Stromintegrität behandelt, ebenso wie andere Experten, die sich auf niederimpedante S-Parameter-Messungen spezialisiert haben.

Wenn Sie einen PCB-Testpunkt als gedrucktes Element, Sondenverbindung oder eine spezialisierte Testvorrichtung platzieren müssen, verwenden Sie den kompletten Satz an Designfunktionen in Altium Designer®. Der komplette Satz an Testpunktverwaltungswerkzeugen und das Draftsman-Utility können Ihnen helfen, Ihren Testpunkt und die Leistungsanforderungen für Ihr Produkt zu spezifizieren. Wenn Sie Ihr Design abgeschlossen haben und die Dateien an Ihren Hersteller freigeben möchten, macht die Altium 365™-Plattform die Zusammenarbeit und das Teilen Ihrer Projekte einfach.

ÜBER ALTIUM

Altium LLC (ASX: ALU) ist ein multinationales Softwareunternehmen mit Hauptsitz in San Diego, Kalifornien, das sich auf Elektronikdesignsysteme für 3D-PCB-Design und die Entwicklung eingebetteter Systeme spezialisiert hat. Produkte von Altium finden sich überall, von weltführenden Elektronikdesign-Teams bis hin zur Basisgemeinschaft des Elektronikdesigns.

Mit einer einzigartigen Technologiepalette hilft Altium Organisationen und Designgemeinschaften dabei, zu innovieren, zusammenzuarbeiten und vernetzte Produkte zu erstellen, während sie gleichzeitig termingerecht und budgetkonform bleiben. Zu den bereitgestellten Produkten gehören Altium Designer®, Altium Vault®, CircuitStudio®, PCBWorks®, CircuitMaker®, Octopart®, Ciiva® und die TASKING®-Reihe von Compilern für eingebettete Software.

Gegründet im Jahr 1985, verfügt Altium über weltweite Niederlassungen, mit Standorten in den USA in San Diego, Boston und New York City, europäischen Standorten in Karlsruhe, Amersfoort, Kiew und Zug sowie Standorten im asiatisch-pazifischen Raum in Shanghai, Tokio und Sydney. Für weitere Informationen besuchen Sie www.altium.com. Sie können Altium auch über Facebook, Twitter und YouTube folgen und sich engagieren.
 

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