Design für die Fertigung Handbuch

Was ist Design for Manufacturing?

Das Ziel dieses Leitfadens ist einfach - jedes Mal eine gute Platine zurückbekommen. Und die angewandte Methodik, um dies zu erreichen, ist Design for Manufacturing (DFM). Vielleicht haben Sie schon einmal von DFM gehört, aber was bedeutet es genau? 

Design for Manufacturing (DFM) ist der Prozess des Entwerfens einer PCB, die sowohl herstellbar, funktional als auch zuverlässig ist. 

Mit dieser Definition im Hinterkopf haben wir mehrere klare Ziele, die wir durch die Annahme der Designpraktiken in diesem Leitfaden erreichen wollen:

1. Die Notwendigkeit mehrerer Platinen-Neuanfertigungen aufgrund von fertigungsspezifischen Details, die im Designprozess übersehen wurden, eliminieren.
2. Platinen entwerfen und produzieren, die sowohl herstellbar sind als auch wie beabsichtigt funktionieren, indem man einem Satz von Best Practices folgt, die von PCB-Designveteranen festgelegt wurden.
3. Die Zeit, die für Designrevisionen aufgewendet wird, reduzieren und letztendlich die Zeit bis zur Markteinführung konsistent erreichen, indem man einem Satz von Best Practices für Platinenlayout und Dokumentation folgt.

Um diese Ziele zu erreichen, haben wir diesen Leitfaden so strukturiert, dass er idealerweise von Anfang bis Ende gelesen wird, um mit Ihrem Design-Workflow übereinzustimmen. Wenn Sie jeden Abschnitt in den folgenden Kapiteln lesen, können Sie das Wissen auf jede Phase Ihres PCB-Designprozesses anwenden.

Was Sie in diesem Handbuch finden werden

Dieses Handbuch ist sowohl theoretisch als auch praktisch und wendet bewährte und akzeptierte Designwissenschaft an, die zu konsistent herstellbaren Platinen geführt hat. Die Hauptabschnitte dieses Handbuchs umfassen:

Abschnitt 1: Designrichtlinien für erfolgreiche Fertigung

In diesem Abschnitt werden wir uns mit Designpraktiken befassen, die sowohl ein funktionales als auch herstellbares Platinenlayout erzeugen. Dieser Abschnitt wird umfassen:

• Kapitel 1: Verstehen des typischen PCB-Herstellungsprozesses und seiner verschiedenen Stadien.
• Kapitel 2: Auswahl der richtigen Materialien für Ihre PCB, um Ihre spezifischen Designanforderungen zu erfüllen.
• Kapitel 3: Strategien für Ihr PCB-Layout einschließlich Platzierung von Vias/Löchern, Lötstoppschichten und Siebdruckdokumentation.
• Kapitel 4: Platzierung und Ausrichtung Ihrer Komponenten, um den richtigen Abstand und die Montage zu gewährleisten.
• Kapitel 5: Konfigurieren von Testpunktanforderungen für erfolgreiche Platinentests durch Ihren Hersteller.

Abschnitt 2: Dokumentationsrichtlinien für erfolgreiche Fertigung und Montage

Mit Ihrem abgeschlossenen Design und bereit für die Fertigung, werden wir dann zur ordnungsgemäßen Dokumentation einer PCB übergehen, um dem Hersteller Ihre Designabsicht kristallklar zu vermitteln. Dieser Abschnitt wird umfassen:

• Kapitel 6: Verstehen, welche Hauptfaktoren im PCB-Dokumentationsprozess eine Rolle spielen und was an Ihren Hersteller gesendet werden muss.
• Kapitel 7: Das Erstellen der Hauptzeichnung Ihrer PCB, um alle feinen Details, die für die Herstellung einer Platine benötigt werden, genau darzustellen.
• Kapitel 8: Verstehen, was Sie in Ihre Montagedokumentation aufnehmen müssen, damit Ihre nackte Platine mit Ihren ausgewählten Komponenten erstellt wird.
• Kapitel 9: Verstehen, warum Herstellungsdateien wichtig sind und welche spezifischen Dateien an Ihren Hersteller gesendet werden müssen, einschließlich Gerber, ODB++, IPC-2581 und Stückliste.

Am Ende dieses Leitfadens werden Sie gut ausgerüstet sein, um die Design- und Dokumentationspraktiken in Ihren eigenen persönlichen Arbeitsablauf zu implementieren, um fertigungsbereite PCBs zu produzieren.

Designrichtlinien für erfolgreiche Fertigung

Ein Tag im Leben eines PCB-Herstellungsprozesses

Bevor Sie einen Design-for-Manufacturing-Prozess in Angriff nehmen, ist es wichtig, den zugrundeliegenden Prozess hinter der Herstellung einer physischen PCB zu verstehen. Unabhängig von den verschiedenen Technologien in jeder Einrichtung folgt eine große Mehrheit der branchenführenden Hersteller einem spezifischen Satz von Schritten, um Ihr Design von digitalen Bits in physische Platinen umzuwandeln. Die Schritte in diesem Prozess sind in Abbildung 1 dargestellt und umfassen:

Standard-PCB-Herstellungsprozess

Datentransfer vom Kunden: Gerber, GerberX2, IPC-2581, ODB++, Netzliste, NC-Bohrung, Fertigungszeichnung, Spezifikationen

Datenvorbereitung: Umwandlung der vom Kunden bereitgestellten Daten in Werkzeuge (Panelisierung, Artwork, Bohr- und Fräsprogramme)

Kerne/Laminate: Dünnes Laminatmaterial bestehend aus einem Glas-Epoxy-Substrat, das auf beiden Seiten mit Kupfer beschichtet ist (FR-4 ist das am häufigsten verwendete Material für PCB-Design)

 

Trockenfilmresist-Beschichtung: Mit Hitze und Druck wird ein lichtempfindlicher Film auf die Kupferoberfläche des Kerns aufgebracht.

 

Artwork platzieren: Artwork-Muster vom Kunden (Schaltkreise und Landmuster) werden auf die mit Film beschichteten Oberflächen des Kerns aufgebracht. Jede Oberfläche hat ihr eigenes Artwork-Muster.

Belichtung der Paneele mit ultraviolettem Licht: Dies erzeugt ein latentes Bild der Leiterplatte.

Paneele entwickeln (Resist entfernen): Chemisches Entfernen des Resists von Bereichen, die nicht durch das Belichten des Kerns gehärtet wurden, durch das Durchführen des belichteten Kerns durch eine chemische Lösung.

 

Ätzen: Chemisches Entfernen von Kupfer vom Kern in allen Bereichen, die nicht durch Filmresist abgedeckt sind, was ein diskretes Kupfermuster erzeugt.

 

Resist-Abtrag: Chemisches Entfernen des entwickelten Trockenfilmresists.

 

Oxidbeschichtung: Chemische Behandlung von Kupfer, um die Oberfläche aufzurauen und die Haftung auf Prepreg während des Laminierzyklus zu verbessern.

 

Mehrschichtlaminierung: Kupferfolie, Prepreg (Mehrschichtkleber) und Kerne werden unter Hitze und Druck miteinander verbunden.

Primärbohrung: Löcher werden durch einen Stapel von Paneelen gebohrt (Beginn bei doppelseitigen/einseitigen Paneelen).

 

Entgraten und Reinigen: Mechanisches Entfernen von Kupfergraten und Reinigen von Bohrlöchern.

Desmear: Chemisches Entfernen der Harzbeschichtung von der Lochwand.

Kupferabscheidung: Chemisches Abscheiden einer dünnen Schicht auf der Paneloberfläche und den Lochwänden.

 

Trockenfilm-Photoresist-Beschichtung: Mit Hitze und Druck wird ein lichtempfindlicher Film auf die Kupferoberfläche aufgetragen.

 

Belichten & Entwickeln: Ähnlich dem Innenlagenprozess für den Kern.

 

Kupfermusterplatte (Galvanisieren): Zusätzliches Kupfer (sowie Zinn) wird auf die freiliegenden chemisch abgeschiedenen Kupferoberflächen sowie Zinn elektrisch plattiert.

 

Ätzen: Kupfer wird nun von allen Bereichen entfernt, die nicht von Zinn bedeckt sind.

 

Resist entfernen: Entwickelter Trockenfilmresist wird chemisch entfernt. Zelte, die platziert wurden, haben das Plattieren in „nicht-plattierten“ Löchern verhindert.

 

Lötstopplack und Aushärten: Flüssiger fotostrukturierbarer Lack wird auf jede Oberfläche aufgetragen und zum Anfassen getrocknet. Auch das Artwork wird aufgebracht und belichtet. Das Panel wird entwickelt, wobei das Maskenmuster durch das Artwork definiert wird.

 

Heißluft-Lötleveln (häufigstes PCB-Oberflächenfinish): Die Panels werden durch ein flüssiges Lötzinnbad geführt, das alle freiliegenden Kupferoberflächen bedeckt.

 

Oberflächenfinishs: RoHS-konform oder nicht RoHS-konform.

Heißluftnivellierung (HAL, HASL): PCB durch eine Flussmittelstation, ein Lötzinnbad und dann durch Luftmesser führen (um überschüssiges Lötzinn zu entfernen).

Legende und Aushärten: Oben- und Unten-Overlays (Siebdrucke) werden gemäß Kundenartwork auf jede Seite des Panels getuscht, dann werden die Panels gebacken, um die Tinte zu härten.

 

Herstellung und Routing: Die Platine wird auf Größe geschnitten (auch bekannt als Routing, Scoring, Stanzen oder Profilieren). Nuten und Fasen werden ebenfalls in diesem Schritt hinzugefügt.

 

Elektrischer Test/Endkontrolle: Die Platine wird auf elektrische Integrität (und Impedanz, falls erforderlich) getestet. Kurzschlüsse und Unterbrechungen werden an diesem Punkt repariert. Fliegende Sonden werden üblicherweise für kleinere Lose verwendet, und Bett-nagel-Prüfvorrichtungen werden für größere Volumen eingesetzt. Weitere Funktionen, die üblicherweise während dieses Schrittes durchgeführt werden, umfassen: automatische optische Inspektion (AOI), die die inneren und äußeren Lagen der Kostenfaktoren auf der PCB gegen heruntergeladene CAM-Daten auf Integrität und Designregeln vergleicht, Zuverlässigkeitstests und statistische Prozesskontrolle (SPC), wenn dies von den Kunden gefordert wird.

Nach dem endgültigen Aushärten Ihrer Platine beginnt ein Hersteller dann mit dem elektrischen Testprozess mit den von Ihnen auf Ihrem Layout festgelegten Testpunkten. Alle Platinen, die diesen Verifizierungsprozess bestehen, gelten als fertiggestellt und machen sich dann auf den Weg durch Versand und Transport.

Typische Kostenfaktoren im PCB-Herstellungsprozess[1-1]

Die Kosten für die Herstellung Ihrer Platine werden größtenteils durch die spezifischen Materialien und Teile bestimmt, die Sie während der Entwurfsphase festlegen. Informierte Ingenieure nehmen sich die Zeit, Kostenfaktoren sorgfältig mit der Notwendigkeit abzuwägen, die beabsichtigten funktionalen Anforderungen zu erfüllen, wie sie in den Produktspezifikationen dargelegt sind. Einige der häufigsten Kostenfaktoren und Strategien zur Kostensenkung im Herstellungsprozess sind in der untenstehenden Tabelle dargelegt und umfassen:

 

Bewusste Designentscheidungen für die Fertigung treffen

Indem Sie das oben genannte Wissen über den typischen PCB-Herstellungsprozess verstehen, werden Sie auf dem besten Weg sein, informiertere Entscheidungen bei der Material- und Teileauswahl zum Zeitpunkt des Entwurfs zu treffen. Mit dem Verständnis des Herstellungsprozesses im Rücken ist es nun an der Zeit, in einen praktischen Design-for-Manufacturing-Prozess einzusteigen, beginnend mit der Materialauswahl.

Ihre Materialien auswählen

Einführung

Jeder Entwurfsprozess beginnt mit der Auswahl von Materialien, und dieses Kapitel konzentriert sich darauf, die richtigen Materialien für Ihr PCB-Design auszuwählen, gegeben die speziellen Designanforderungen, die Sie in Ihren Spezifikationen festlegen. Wir werden uns größtenteils auf FR-4 konzentrieren, da es das am häufigsten verwendete Material für PCB-Designs ist. Wenn Ihre spezifischen Materialanforderungen in den folgenden Abschnitten nicht aufgeführt sind, kontaktieren Sie bitte Ihren Hersteller für weitere Anleitungen.

Grundlegender Materialauswahlprozess

Beim Entwerfen einer Leiterplatte gibt es mehrere Materialoptionen, die basierend auf Ihren einzigartigen Designanforderungen in Betracht gezogen werden sollten. Bevor Sie ein Material auswählen, wird empfohlen, zunächst die Funktionalitäts- und Zuverlässigkeitsanforderungen zu definieren, die Ihre Platine erfüllen muss. Diese Anforderungen umfassen typischerweise:

• Elektrische Eigenschaften
• Thermische Eigenschaften
• Verbindungen (gelötete Komponenten, Steckverbinder usw.)
• Strukturelle Integrität der Platine
• Schaltungsdichte

Als allgemeine Regel gilt, dass je mehr Sie die Komplexität und Eigenschaften Ihres Designs erhöhen, desto mehr Kosten werden während Ihres Fertigungsprozesses anfallen. Es sollte immer ein sorgfältiges Gleichgewicht hergestellt werden, um sowohl Budget-, Funktionalitäts- als auch Zuverlässigkeitsziele für Ihre spezifischen Designanforderungen zu erfüllen. Siehe Abbildung 2 für eine visuelle Darstellung, wie Sie Ihren Materialauswahlprozess beginnen können[2-1].

Abbildung 2 - Materialauswahlkarte für Designer/Endbenutzer[2-1]

Zusätzliche Kriterien für die Materialauswahl

Wenn Sie beginnen, ein Komposit aus Ihren gewählten Materialien zu konstruieren, sollten Sie besonders auf die Temperaturcharakteristika achten. In der Praxis wird das Material mit der niedrigsten Bewertung die maximale Endprodukttemperatur bestimmen. Andere Punkte, die ebenfalls berücksichtigt werden sollten, wenn verschiedene Materialien verglichen werden, umfassen:

• Harzformel
• Flammwidrigkeit
• Thermische Stabilität
• Strukturelle Festigkeit
• Elektrische Eigenschaften
• Biegefestigkeit
• Maximale kontinuierliche sichere Betriebstemperatur
• Glasübergangstemperatur (Tg)
• Verstärkungsmaterial
• Nichtstandardgrößen und Toleranzen
• Zerspanbarkeit oder Stanzbarkeit
• Ausdehnungskoeffizienten (CTE)
• Maßstabilität
• Gesamtdickentoleranzen

Die folgenden Abschnitte gehen detailliert auf einige der verschiedenen Materialeigenschaften für die primären Komponenten ein, die ein PCB-Design ausmachen, einschließlich elektrischer Eigenschaften, FR-4 und Kupfer.

Material Eigenschaften im Detail

Elektrische Eigenschaften

Die wichtigsten zu berücksichtigenden Eigenschaften für elektrische Anforderungen sind die elektrische Festigkeit, die Dielektrizitätskonstante und die Feuchtigkeitsbeständigkeit. Siehe Abbildung 3 für eine Liste einiger der häufigeren Materialien und ihrer zugehörigen Eigenschaftswerte. Konsultieren Sie Ihren Hersteller für spezifischere Daten zu elektrischen Eigenschaften.

Abbildung 3 - Typische Eigenschaften von gängigen dielektrischen Materialien [2-2]

FR-4 Standardwerte

Die Standardwerte in Abbildung 4 unten für FR-4 können als Grundlage zur Bestimmung Ihrer spezifischen Materialanforderungen verwendet werden. Diese Werte ändern sich je nach Ihrem spezifizierten Basismaterial und Dicke, wie in den nächsten Abschnitten gezeigt wird.

Abbildung 4 - Standardwerte für FR-4 Material[2-3]

FR-4 Basismaterial und Dicke

Die Werte in Abbildung 5 unten listen die heute am häufigsten verwendeten FR-4 Materialien für Multilayer-Platinenentwürfe auf und helfen Ihnen, die passende Dicke für Ihr FR-4 zu wählen. Die Dicke spezifischer Varianten von FR-4, einschließlich GETEK^®, Rogers^®, FR-406 und FR-408, ist ähnlich und kann ebenfalls mit dieser Tabelle berechnet werden.

Abbildung 5 - Referenz für FR-4 Materialdicke[2-4]

FR-4 Prepreg Bezeichnung und Dicke

Prepreg (Pre-impregnated) ist das Blattmaterial (z.B. Glasgewebe), das mit einem Harz behandelt und zu einem Zwischenstadium ausgehärtet wird. Die meisten PCB-Hersteller führen fünf Arten von Prepreg, einschließlich 106, 1080, 2113, 2116 und 7628. Beziehen Sie sich auf Abbildung 6 für spezifische Dickenangaben für jeden Prepreg-Typ.

Hinweis: Es gibt Einschränkungen hinsichtlich der Art und Anzahl von Prepreg-Schichten, die zwischen den Lagen einer Platine platziert werden können. Konsultieren Sie Ihren Hersteller bezüglich Ihrer spezifischen Layout-Anforderungen, um die korrekte Prepreg-Bezeichnung und Dicke zu bestimmen.

Abbildung 6 - FR-4 Prepreg-Bezeichnung und Dicke[2-4]

Kupferfolienarten

Hersteller bieten typischerweise verschiedene Arten von Folien zur Auswahl an, wobei elektrolytisch abgeschiedenes Kupfer (ED-Kupfer) und gewalztes Kupfer am häufigsten sind. Starre Platinen verwenden in der Regel elektrolytisch abgeschiedene Kupferfolien, während starr-flexible Platinen gewalzte Kupferfolien nutzen. Unabhängig davon, für welche Art von Kupferfolie Sie sich entscheiden, erfüllen alle die Standardanforderungen der IPC-MF-150[2-5]. Wenn Sie sich für eine alternative Folienart wie Nickel oder Aluminium entscheiden, stellen Sie sicher, dass Sie die Merkmale in Ihrer Hauptzeichnung angeben, um Missverständnisse oder Fertigungsprobleme zu vermeiden.

Kupferwiderstandswerte

Da Platinen dichter und komplexer werden, wird es zunehmend wichtiger, den verteilten Widerstand Ihres Kupfers zu berechnen. Sie können die untenstehende Formel[2-6] verwenden, um den Widerstand in Ihren Kupferbahnen leicht zu berechnen:

R = ρ*L/A

wo:

R der Widerstand von Ende zu Ende in Ohm ist

ρ ist die spezifische Widerstandsfähigkeit des Leiterbahnenmaterials in Ohm-Metern

L ist die Länge der Leiterbahn in Metern

A ist der Querschnittsbereich der Leiterbahn in Quadratmetern

Sie können auch eines der kostenlosen Werkzeuge unten verwenden, um Ihre Kupferresistivität schnell zu berechnen, ohne manuelle Berechnungen durchführen zu müssen:

• Schaltkreis-Rechner[2-7]
• EEWeb Trace Resistance Calculator[2-8] 
• Endmemo Resistance Calculator[2-9] 

Stromtragfähigkeit von Kupfer

In Abbildung 7 kann als Referenz verwendet werden, um die Stromtragfähigkeit von internen Schichten für gängige Kupferdicken und Temperaturniveaus über der Umgebungstemperatur zu verstehen. Die Stromtragfähigkeit für externe Schichten ist ungefähr 2x so hoch wie die von internen Schichten. Für detailliertere Daten zu Leiterbahnbreiten und Abstandsbedingungen siehe IPC2221[2-10].

Abbildung 7 - Umschlossene Leiterbahnbreiten[2-10]

Fertige Plattendicke

Als Teil Ihres endgültigen Materialauswahlprozesses werden Sie Ihre fertige Plattendicke berechnen wollen. Diese Messung wird von Kupfer zu Kupfer gemacht und wird Ihre maximale fertige Plattendicke darstellen. Einige Besonderheiten, die Sie bei der Berechnung der Plattendicke beachten sollten, umfassen:

• Die Dicke der Platine bestimmt, wie Ihr Hersteller seine Verarbeitungsmaschinen einrichtet.
• Die Dicke der Platine beeinflusst die Beschränkungen Ihrer Platine während der Herstellung, einschließlich des Aspektverhältnisses.
• Hersteller bieten typischerweise Laminatdicken zwischen 0,0008" bis 0,240" einschließlich der Lötmaske an.
• Platinen mit einer Dicke von weniger als 0,05" erfordern in der Regel eine spezielle Handhabung und Verarbeitung, was zu höheren Kosten und längeren Verarbeitungszeiten führen kann.

Die Auswahl Ihrer Materialien abschließen

Sie haben nun das notwendige Wissen, um Ihre grundlegenden Materialauswahlen für Ihr nächstes fertigungsbereites PCB-Design zu finalisieren. Zusammengefasst umfasst dies die Basismaterialien und die erforderlichen Eigenschaftswerte, die Sie vor Beginn Ihres Designprozesses benötigen:

 

Mit diesen Werten können Sie dann Ihre maximale Plattendicke berechnen, die sowohl die Herstellungskosten als auch die Verarbeitungsanforderungen Ihres Herstellers direkt beeinflussen wird. Der nächste Abschnitt behandelt, wie Sie Ihr PCB-Layout für die Fertigung strategisch planen können, einschließlich der Platzierung von Vias/Löchern, Lötmaskenschichten, Siebdruckdokumentation und mehr.

Ihr PCB-Layout strategisch planen

Einführung

Mit der endgültigen Auswahl Ihrer Materialien ist es nun an der Zeit, sich in die spezifischen Details Ihres PCB-Layouts zu vertiefen. Obwohl die Arbeitsabläufe einzelner Ingenieure von Designer zu Designer unterschiedlich sein können, gibt es eine Reihe von primären Designüberlegungen, die präzise DFM-Anforderungen benötigen, um eine Platine als 100% fertig für die Herstellung zu betrachten. In den folgenden Abschnitten erfahren Sie die Einzelheiten der Strategie für Ihr PCB-Layout, einschließlich SMT- und Durchsteck-Spezifikationen, Siebdruckdokumentation, Lötmaskenanwendungen und mehr.

Entscheidung zwischen Durchsteckmontage oder SMT

Bei der Gestaltung einer PCB ist es typisch, entweder die Oberflächenmontagetechnik (SMT) oder Durchsteckmontage für Ihre Komponentenanwendungen zu wählen. Wenn Sie beide Herstellungsverfahren verwenden, gilt Ihre Platine als Hybrid-PCB. Basierend auf den aktuellen Branchentrends im PCB-Design wird empfohlen, dass die meisten Ihrer Komponenten oberflächenmontierte Bauteile (SMD) sind, da diese Technologie den PCB-Designmarkt seit den 1990er Jahren dominiert und viele Vorteile bietet, einschließlich höherer Platinendichten zu niedrigeren Kosten. Behalten Sie folgendes im Kopf, wenn Sie zwischen SMT und Durchsteckmontage entscheiden:

• Leiterplatten mit durchkontaktierten Bauteilen (PTHs) werden wellengelötet, während Leiterplatten mit oberflächenmontierten Bauteilen (SMDs) entweder wellen- oder reflowgelötet werden können.
• Die Kombination dieser beiden Technologien führt zu separaten Prozessen bei der Herstellung Ihrer Platine und wird Ihre gesamten Herstellungszeit und -kosten erhöhen.
• Einige Hersteller werden Durchsteckkomponenten von Hand einbauen, was Ihre gesamten Herstellungszeit und -kosten erhöht.

Die von Ihnen gewählte Methode zur Bauteilapplikation hat direkten Einfluss auf Ihre Gesamtkosten und die Herstellungszeit. Es wird empfohlen, bei professionellen Platinenentwürfen bei SMT zu bleiben, da dies zu schnelleren Platinenfertigungen und höherer Zuverlässigkeit führt.

Siebdruck und Komponenten-IDs

Alle Bauteilumrisse auf Ihrem Siebdruck sollten mit einem Referenzdesignator und Polaritätsindikatoren (falls zutreffend) gekennzeichnet sein. Es ist wichtig sicherzustellen, dass diese Designatoren und Indikatoren auch nach der Montage der Bauteile lesbar und sichtbar sind, um eine einfache Überprüfung nach der Produktion zu ermöglichen. Abbildung 8 enthält empfohlene Richtlinien, wo Referenzdesignatorstandorte und Polaritätsmarkierungen auf Ihrem Siebdruck platziert werden sollten:

Abbildung 8 - Platzierung für Komponenten-Referenzbezeichnungen

Komponenten-Referenzdesignatoren

Abbildung 9 enthält eine Liste von branchenüblichen Referenzdesignatoren gemäß dem IPC-2612[3-1] Standard für die Erzeugung von Schaltplansymbolen. Es wird empfohlen, diese Designatoren in allen Ihren Platinenlayouts zu verwenden, um die Konsistenz Ihrer Projekte zu gewährleisten.

Abbildung 9 - Komponenten-Referenzdesignatoren[3-1]

*Kein Klassenbuchstabe, aber häufig verwendet, um Testpunkte für Wartungszwecke zu bezeichnen.

Hinweis: Die obige Liste ist nicht erschöpfend. Siehe die Standardliste der Klassenbezeichnungsbuchstaben in ANSI Y32.2/IEEE Std 315 [3-2], Abschnitt 22 und das Verzeichnis.

Lötstopplack

Der Lötstopplack ist eine dünne, lackähnliche Schicht, die als abschließende Beschichtung auf Ihre PCB aufgetragen wird, um verschiedene Merkmale einschließlich Kupferleiterbahnen und Masseflächen, die nicht gelötet werden sollen, zu schützen. Einige Vorteile des Lötstopplacks umfassen:

• Schutz Ihrer PCB vor Oxidationsschäden.
• Verhindern von Diebstahl und Lötbrücken (Kurzschlüssen) zwischen Leitern und Landungen.
• Verhindern von Abblättern während des Montageprozesses, wenn direkt auf blankes Kupfer aufgetragen.

Grundlegende Freiraumanforderungen für Lötstopplack

Überall dort, wo Löten oder elektrischer Kontakt benötigt wird (um SMD- und PTH-Pads, Werkzeuglöcher, Abschirmkontaktbereiche, Fiducials usw.), ist ein Lötstopplack-Abstand erforderlich. Die Angabe eines Lötstopplack-Abstands stellt sicher, dass es zu keiner Überdeckung der Pads durch den Lötstopplack während der Fertigung kommt, was zu einem kleineren Lötfahnen oder vollständig getrennten Pads führen kann, wenn die richtigen Abstandsangaben nicht spezifiziert sind. Siehe Abbildung 10 unten für die richtigen Abstandsangaben für Lötstopplack auf Pads und Leiterbahnen:

 

In dem oben genannten Beispiel, wenn der minimale Abstand zwischen dem Pad und der Leiterbahn (Spalte B) geringer als erforderlich ist, dann wird Lötstopplack auf das Pad oder das freiliegende Metall auf der Leiterbahn aufgetragen und könnte zu einer Fehlfunktion der Platine führen.

Lötstopplack zwischen SMD-Pads

Wenn ein Bedarf besteht, Lötstopplack zwischen SMD-Pads aufzutragen und nicht genügend Platz dafür vorhanden ist, dann wird empfohlen, zwei Dinge zu beachten:

• Den minimalen Abstand, der zwischen den Pads vorgesehen ist.
• Die minimal erfolgreich reproduzierbare Lötstopplackgröße, die Ihr Hersteller herstellen kann.

Unter Berücksichtigung dieser beiden Anforderungen wird empfohlen, entweder den Abstand zwischen den Pads für die Anwendung von Lötstopplack zu erhöhen oder sich mit Ihrem Hersteller zu beraten, um zusätzliche Alternativen zu bestimmen.

Vias und Löcher

Vias sind ein kritischer Bestandteil jedes PCB-Designs und sind verantwortlich für die Übertragung des elektrischen Stroms zwischen den Schichten. Sie können auch eine erhebliche Belastung für die Herstellungskosten darstellen, wenn nicht konsequent Richtlinien für Freiräume und Größen eingehalten werden. Die folgenden Abschnitte behandeln die Spezifikationen von Via- und Lochfreiräumen, Größenrichtlinien und spezifische Via-Anwendungen.

Via-Freiraumanforderungen

Standard-Vias sollten minimale Freiräume zu benachbarten Leitern aufweisen, und der Freiraum hängt weitgehend davon ab, ob das Via abgedeckt oder freiliegend ist. Oft findet man, dass freiliegende Vias größere Freiräume erfordern, um offene elektrische Verbindungen zu schließen, verglichen mit abgedeckten Vias.

Via-Größenrichtlinien

Beim Design von durchkontaktierten Bohrlöchern wird empfohlen, ein 1:1-Verhältnis zwischen dem Lochdurchmesser und der Substratdicke einzuhalten. Diese Faustregel stellt sicher, dass sich während des Herstellungsprozesses ausreichend Kupfermetall im gesamten Loch aufbaut. Zum Beispiel sollten in einem 0,20” dicken Substrat die Löcher mindestens 0,20” im Durchmesser sein. Allerdings haben die meisten Hersteller eine breite Auswahl an Bohrlochgrößen und werden in der Regel Anforderungen außerhalb dieser allgemeinen Empfehlung erfüllen. Eines sollte man beim Wählen einer Lochgröße bedenken: Ein fertiges durchkontaktiertes Loch wird aufgrund der Beschichtung enger sein. Abbildung 11 zeigt typische Standardbohrgrößen:

Abbildung 11 - Standardbohrgrößen für Vias und Löcher

Ringbreiten

Die Ringbreite ist die Differenz zwischen dem Durchmesser des Pads und dem entsprechenden Bohrdurchmesser; mit anderen Worten, der Bereich auf dem Pad, der das Via umgibt. Abbildung 12 zeigt, wie man die Breite eines Ringes leicht berechnen kann:

Ringbreite = (Durchmesser des Pads - Durchmesser des Lochs) /2

Abbildung 12 - Empfohlene Ringbreite

Es gibt viele Bedingungen, die dazu führen können, dass das gebohrte Loch während der Herstellung nicht genau in der Mitte ist. Wenn es akzeptabel ist, eine „Tangenz“ auf den Pads Ihres fertigen Produkts zu haben, dann wird empfohlen, mit Ihrem Hersteller deren Richtlinien für minimale Ringbreiten zu überprüfen.

Um sicherzustellen, dass das fertige Produkt einen minimalen Ring von 0,001 Zoll aufweist, sollten alle Pads in Ihrem Design 0,0008 Zoll (2 x 0,0004 Zoll) größer als das gebohrte Loch sein. Dies gewährleistet, dass das gebohrte Loch tangential zum Rand des Pads liegt. Wenn Sie die Durchkontaktierungen Ihrer Designs nicht durchmetallisieren, kann dies zu kleineren Ringen führen, was dazu führen könnte, dass der Ring beim Löten abgehoben oder während des normalen Betriebs der Platine abgebrochen wird. Dies tritt aufgrund des fehlenden Supports durch einen metallisierten Zylinder auf.

Abbildung 13 - Gebohrte und metallisierte Lochdurchmesser

Freiliegende Vias

Freiliegende Vias sind freiliegende elektrische Verbindungen, die nicht mit Lötstopplack abgedeckt sind. Die Freiräume für freiliegende Vias zu anderen Vias oder Lötflächen, die nicht an das Pad angrenzen, sollten mindestens 0,15 Zoll betragen, wobei 0,20 Zoll bevorzugt werden.

Abgedeckte Vias

Das Abdecken eines Vias mit Lötstopplack, bekannt als Tenting, bedeckt das Vialoch und den Ring mit Lötstopplack und sollte als Standardmethode in Ihrem Design-Workflow festgelegt werden. Beachten Sie, dass normalerweise keine zusätzlichen Schritte von Ihrem Hersteller unternommen werden, um sicherzustellen, dass eine Viaöffnung geschlossen bleibt. Wenn Sie sicherstellen möchten, dass Ihr Via geschlossen und abgedeckt ist, sollten Sie in Ihrem Fertigungsdruck angeben, dass diese Vias mit Maskenstopfen versehen werden sollen, was auch als Maskenfüllung bezeichnet wird. Dies ist besonders wichtig für BGA-Designs, bei denen Vias nahe an den SMD-Pads der BGA gefunden werden.

Sehen Sie sich Abbildung 14 für Beispiele empfohlener Anwendungen des Via-Tentings an:

Abbildung 14 - Empfohlene Anwendungen des Via-Tentings auf einem BGA

Via-in-Pads und Micro Vias

Via-in-Pads ermöglichen eine enge Platzierung von Bypass-Kondensatoren und erleichtern das Routing für BGAs mit jedem Ballabstand, sowie unterstützen das thermische Management und die Erdung. Befolgen Sie die untenstehenden Richtlinien, wenn Ihr Design Via-in-Pads erfordert:

• Die Via-in-Pads sollten mit Kupfer abgedeckt sein. Zusätzlich sollte die gegenüberliegende Seite der Vias entweder mit Kupfer abgedeckt (wenn als In-Circuit-Test (ICT) Punkt verwendet) oder maskiert werden, um sicherzustellen, dass Plattierungschemikalien nicht innerhalb des Vias eingeschlossen werden.
• Wenn die Via-in-Pads nicht abgedeckt sind, können zusätzliche Montagekosten entstehen, um Probleme wie Lötzinn-Wicking (Umverteilung des Lötzinns weg von der beabsichtigten Verbindungsstelle) und Lötzinn-Plünderung (Mangel an ausreichend Lötzinn und Hohlräume in den beabsichtigten Verbindungsstellen) zu behandeln.

Blind- und Buried-Vias

Ähnlich wie Durchkontaktierungen verbinden Blind- und/oder Buried-Vias (BBV) eine oder mehrere Schichten. Bei diesem Prozess verbindet ein Blind-Via eine äußere Schicht mit einer oder mehreren inneren Schichten, jedoch nicht mit beiden äußeren Schichten, und ein Buried-Via verbindet eine oder mehrere innere Schichten, jedoch nicht mit einer äußeren Schicht. Dies ist wichtig, da diese Art von Vias dichtere Platinen ermöglicht und Platz auf den Komponentenschichten spart, da kein Platz benötigt wird. Siehe Abbildung 15 für ein Beispiel einer Anwendung von Blind- und Buried-Vias:

Abbildung 15 - Blind- und Buried-Vias

Ein besonderes Detail, auf das man bei der Verwendung von Blind-Vias achten sollte, ist die Bohrtiefe (von einer äußeren Schicht zu einer inneren Schicht). Wenn Sie beispielsweise eine 0,062” dicke Platine mit 8 Schichten haben, darf die maximale Tiefe des Blind-Via-Lochs 0,018” nicht überschreiten (für ein 0,035” Via mit einem 0,018” Loch).

Als allgemeine Richtlinie sollten die Via-Pads der internen Schichten etwa 0,016” über der Bohrgröße liegen, da dies eine gute Ausbeute für Ihren Hersteller gewährleistet. Es wird empfohlen, sich mit Ihrem Hersteller zu beraten, um deren BBV-Designbeschränkungen für Kupfergewicht, minimale Bohrgröße und maximale Aspektverhältnisanforderungen besser zu verstehen.

Vias unter BGAs

Reflow-Prozesse können dazu führen, dass Chipkomponenten sich verschieben oder verkippen, was dazu führt, dass eine Seite der Chipkomponente einen Kurzschluss mit einem nahegelegenen freiliegenden Via verursacht. Deshalb wird empfohlen, Vias unter BGAs standardmäßig in Ihren Designregeln zu tenten. Verwenden Sie die untenstehenden Richtlinien für den empfohlenen Freiraum für den freizuhaltenden Bereich:

• Wenn ein Via neben einem SMD-Pad liegt, sollte es mindestens 50% der Komponentenabschlusssbreite betragen.
• Wenn ein Via am Ende eines SMD-Pads liegt, sollte es mindestens 0,15” (vorzugsweise 0,20”) betragen.

Abbildung 16 zeigt einige Beispiele für gute Designpraktiken für Vias, die in der Nähe von Chipkomponenten platziert sind:

 

Abbildung 16 - Richtlinien für die Platzierung von Vias in der Nähe von Chipkomponenten

Tränenförmige Pads

Der Zweck des Hinzufügens eines Tränenpad ist es, die mechanische und thermische Belastung zu reduzieren, wo die Leiterbahn auf das Pad trifft, indem zusätzliche Kupfer-/Metallunterstützung bereitgestellt wird. Dies hilft auch sicherzustellen, dass gute Verbindungen hergestellt und aufrechterhalten werden, da es die Toleranz des PCB-Herstellers erhöht, wenn ein Auftrag gebohrt wird und eine Fehlregistrierung auftritt.

Der Tränenbildungsvorgang beinhaltet das Hinzufügen von Kupfer zur Verbindung eines bestehenden Pads und eines Leiterbahnaustritts. Es ist wichtig, diese vorrangig zu Durchgangsbohrungen hinzuzufügen, wo möglicherweise ein kleines Verhältnis von Leiterbahn zu Pad besteht. Sie sollten auch zu Leiterbahnläufen von einem Pad (festes oder Durchgangspad) hinzugefügt werden, und diese Praxis wird wichtiger, je schmaler eine Leiterbahn wird. Für Leiterbahnen, die größer als 0,20” sind, sind Tränenpads normalerweise nicht notwendig. Als Regel gilt, wenn Ihr Design kein HF- oder Hochfrequenzgerät ist, fügen Sie Tränenpads in der letzten Phase Ihres Designs hinzu. Abbildung 17 zeigt verschiedene Beispiele für Tränenpads und ihre empfohlenen Abstands- und Formanforderungen:

Abbildung 17 - Empfohlene Tränenpad-Formen

Aspektverhältnis Beschichtung

Das Seitenverhältnis ist das Verhältnis zwischen der Dicke der Platine und der Größe des gebohrten Lochs (vor der Beschichtung)[3-4]. Dieses Verhältnis dient als Leitfaden für Ihren Hersteller, damit sie die mechanischen Fähigkeiten ihrer Bohrausrüstung nicht überschreiten. Abbildung 18 zeigt ein visuelles Beispiel dafür, wie Seitenverhältnisse auf einer Leiterplatte bestimmt werden:

Abbildung 18 - Bestimmung eines Seitenverhältnisses für eine Leiterplatte

Zum Beispiel hat eine Leiterplatte mit einer Dicke von 0,065″ und einer Lochgröße von 0,020″ ein Seitenverhältnis von 3:1. Dieses Verhältnis ist auch im Hinblick auf den Beschichtungsprozess wichtig. Lochgrößen, die im Vergleich zur Plattendicke zu klein sind (höhere Seitenverhältnisse), erreichen möglicherweise keine akzeptable Kupferbeschichtung, wenn die Beschichtungslösungen durch das Loch fließen. Abbildung 19 bietet einen allgemeinen Leitfaden zur Festlegung von Seitenverhältnissen:

Abbildung 19 - Matrix für Seitenverhältnisse bei spezifischen Plattendicken[3-5]

Leitlinien für Via-Abstände, Platzierung und Routing

Mit festgelegten Via-Größen und -Typen ist es nun an der Zeit, mit der Platzierung und dem Routing auf Ihrem Platinenlayout zu beginnen. Unten finden Sie mehrere Platzierungsrichtlinien, die besonders für Platinenlayouts mit Durchgangslochkomponenten oder SIP-Typ-Paketen zu beachten sind.

Empfehlungen zur Platzierung von Vias bei Durchsteckkomponenten

Wenn Ihr Design aus Durchsteckkomponenten besteht, wird empfohlen, Vias von diesen Bauteilen fernzuhalten, da das Via das Lötzinn hochziehen und die Komponenten beschädigen kann. Es wird auch empfohlen, Vias etwa 0,100 Zoll von SIP-Paketen fernzuhalten, da diese Pakete falsch eingesetzt werden können.

Allgemeine Empfehlungen zur Platzierung von Vias

Da Lötzinn durch Vias hochfließen kann, wird nicht empfohlen, Vias unter Chipkomponenten zu platzieren, da dies zu einer beschädigten, kurzgeschlossenen oder abgehobenen Komponente führen kann. Dies ist auch wichtig, da Chipkomponenten manchmal auf die Platine geklebt oder mit Epoxidharz befestigt werden müssen, und ein Via darunter oder in der Nähe kann diesen Bereich stören (siehe Abbildung 20 für ein Beispiel).

Abbildung 20 - Via-Freigaberichtlinien für das Wellenlöten

Beim Verbinden eines Via-Randes mit einem Komponentenpad-Rand sind Freiräume von weniger als 0,010 Zoll nicht empfohlen, es sei denn, Sie entwerfen eine dichte Platine. Wenn Ihre Platine dicht ist, müssen Sie diese mit Lötstopplack abdecken. Es wird empfohlen, sich mit Ihrem Hersteller über die minimalen Freiräume zu beraten, die sie für dichtere Platinen benötigen. Siehe Abbildung 21 für ein Beispiel empfohlener Verbindungen von Vias zu Komponentenpads:

Abbildung 21a - Empfohlene Verbindungen von Vias zu Pad-Komponenten (Gutes Design)

Abbildung 21b - Nicht empfohlene Verbindungen von Vias zu Pad-Komponenten (Schlechtes Design)

Wenn ein Via nicht mit einem Komponentenpad verbunden wird, wird ein Mindestabstand von 0,025 Zoll (ca. 0,635 mm) empfohlen, und dieser Abstand sollte auf 0,040 Zoll (ca. 1,016 mm) erhöht werden, wenn sich das Via auf der Lötseite der Platine befindet.

Siehe Abbildung 22 und beachten Sie die Richtung des Wellenlötens:

Abbildung 22 - Via-Komponentenabstand für das Wellenlöten

Ihre Via-Anforderungen abschließen

Vias sind ein kritischer Bestandteil jedes Elektronikdesigns, und sicherzustellen, dass Ihre Abstände, Größen, Typen und Routing-Methoden durchgehend auf Ihrer Platine konsistent bleiben, trägt wesentlich dazu bei, eine herstellbare und kosteneffiziente Platine zu entwerfen. Der nächste Abschnitt konzentriert sich auf zusätzliche Layoutstrategien für die Platine und andere Optionen, die Sie während Ihres Designprozesses beachten sollten.

Trace-Routing zu Komponenten-Landungen

Wenn Sie eine Komponentenabschlussterminal haben, die Wärme erzeugen könnte und mit einer großen Spur verbunden ist, kann der erzeugte Wärmeübergang zu einer schlechten Lötverbindung führen. Dies kann sogar zu offenen Lötstellen bei Verbindungen ohne Lötstopplack führen, da das Lötzinn von der Komponentenabschlussterminal wegfließen kann.

Um dieses Problem zu lösen, kann das Verjüngen von Leiterbahnen dabei helfen, das thermische Gleichgewicht zu bewahren und zu verhindern, dass das Lötzinn und die Wärme vom Pad wegfließen.

Das Verjüngen einer Leiterbahn

Eine allgemeine Richtlinie für das Verjüngen einer Leiterbahn ist, sie nicht breiter als 0,010 Zoll zu halten, wo sie sich mit dem Pad verbindet, und sie mindestens 0,010 Zoll zu führen, bevor sie sich mit der breiten Leiterbahn verbindet. Wenn Sie eine breite Leiterbahn mit einem Bauteil-Land verbinden müssen, sollten sie die gleiche Breite haben, während die Abmessungen so klein wie möglich gehalten werden. Abbildung 23 zeigt ein Beispiel für diesen Prozess:

Abbildung 23a - Verbinden großer Leiterbahnen mit Bauteil-Lands (Gutes Design)

Abbildung 23b - Verbinden großer Leiterbahnen mit Bauteil-Lands (Gutes Design)

Verbinden großer Masseleiterbahnen mit Bauteil-Lands

Wenn Sie große Massebahnen mit Komponentenlandungen verbinden müssen, sollten Sie die Bahnen verjüngen, um ein gutes Gleichgewicht zu gewährleisten und um die Wärmeübertragung zu verhindern, die dazu führen könnte, dass Lötzinn zum großen Leiterbereich wandert. Sie können auch mehrere Bahnen haben, die Landungsmuster mit den großen Bahnen und Masseflächen verbinden. Es wird empfohlen, die Bahnbreite (beim Verjüngen) vom Pad auf maximal 0,010 Zoll und 0,010 Zoll als minimale Länge vom Pad zu einer großen Fläche oder Bahn zu halten. Siehe Abbildung 24 für ein Beispiel dieser Abstandsempfehlungen:

Abbildung 24a - Verbinden von Komponentenlandungen mit großen Leitern (Gutes Design)

Abbildung 24b - Verbinden von Komponentenlandungen mit großen Leitern (Schlechtes Design)

Verbinden von Pads eng beieinander liegender Komponenten

Beim Verbinden der Pads von eng beieinander liegenden Chipkomponenten wird empfohlen, die Bahnen quer heraus und dann wieder in die Pads zu führen, anstatt die Bahnen direkt zwischen den Pads oder über die Pads zu führen. Dies hilft, Kurzschlüsse zu vermeiden, die fälschlicherweise nachgearbeitet werden, verhindert Tombstoning aufgrund schlechter thermischer Gleichgewichte und vermeidet kalte Lötstellen und das Verschieben von Komponenten. Siehe Abbildung 25 für ein Beispiel, wie Pads richtig mit Komponenten verbunden werden:

Abbildung 25a - Verbinden von Pads eng beieinander liegender Komponenten (Gutes Design)

Abbildung 25b - Verbinden von Pads eng beieinander liegender Komponenten (Schlechtes Design)

Abbildung 25c - Verbinden von Pads eng beieinander liegender Komponenten (Schlechtes Design)

Pads mit Leiterbahnen verbinden

Jedes Pad sollte mit seiner eigenen Leiterbahn verbunden sein, und es wird empfohlen, die Verlegung entweder außerhalb der Kanten oder innerhalb der Kanten der Pads vorzunehmen, während die Verlegung symmetrisch gehalten wird. Dies ist wichtig und kritisch in Bereichen ohne Lötstopplack, da es hilft, das Lötzinn davon abzuhalten, sich vom Pad zu entfernen und verhindert, dass Komponenten verrutschen. Im Allgemeinen möchten die meisten Hersteller eine ausgewogene Menge an Kupfer sehen, die die Komponentenpads verbindet. Siehe Abbildung 26 für Beispiele der Leiterbahnführung und bevorzugte Methoden zum Verbinden von Leiterbahnen mit Chip-Pads.

Bevorzugte Verlegung: (Pfeile zeigen die Lötzinnmigration an)

 

Akzeptable Verlegung:

 

Nicht bevorzugte Verlegung: (Pfeile zeigen die Lötzinnmigration an)

Abbildung 26 - Verbinden von Leiterbahnen mit Komponentenflächen bei Verwendung von Lötstopplack

Bei der Verlegung von SMD-Komponenten mit Anschlussdrähten wird empfohlen, die Leiterbahn über und dann zurück in einer umgekehrten „U“-Konfiguration zu führen, anstatt ein „H“ zu bilden, indem direkt zwischen den Flächen gegangen wird. Siehe Abbildung 27 für ein Beispiel dieser „U“-förmigen Konfiguration:

Abbildung 27 - „U“-Konfiguration für das Verlegen von bedrahteten SMD-Komponenten

Planes und Traces

Es wird empfohlen, Ihre Strom- und Masseebenen immer auf internen Schichten, symmetrisch und zentriert zu haben. Dies hilft, das Verbiegen Ihrer Platine zu verhindern und unterstützt auch die genaue Positionierung und Platzierung von Komponenten. Die meisten Montagehersteller erlauben ein Biegen und Verdrehen von 0,7%-0,75% entweder für doppelschichtige PCBs oder mehrschichtige PCBs mit einer Plattendicke von 0,06”.

Der gleiche Satz von Empfehlungen gilt für Leiterbahnen. Sie sollten möglichst gleichmäßig sowohl in der X- als auch in der Y-Achse verlegt werden und vorzugsweise in Mehrfachorientierung auf allen Schichten, um das Verwerfen der Platine zu verhindern.

Plattierungsoptionen

Für Platinen mit durchkontaktierten Löchern (PTH) wird chemisch abgeschiedenes Kupfer verwendet, um den Lochpfad leitfähig genug zu machen, damit weiteres Kupfermetall bis zu einer vom Designer spezifizierten Dicke aufgebaut werden kann, die üblicherweise 0,001 Zoll beträgt. Der Prozess des chemisch abgeschiedenen Kupfers fügt den externen Leitungen zusätzlich zu der ursprünglichen Kupferfolie (0,5 oz oder 1 oz) durchschnittlich 0,0013 Zoll Kupfer hinzu. Abbildung 28 fasst die gängigsten Oberflächenarten für alle freiliegenden Schaltkreise auf einer Platine zusammen. Es wird empfohlen, sich mit Ihrem Hersteller zu beraten, um eine Oberflächenbeschichtung auszuwählen, die den Materialabbau verringert und die Oberflächenkonsistenz beim Verbinden von Komponenten auf Ihrer Platine verbessert.

Abbildung 28 - Vergleich der abschließenden Plattierungsarten[3-6]

Thermische Entlastung

Thermische Entlastung ist entscheidend für das Wellenlöten, SMT-Verarbeitung und Handschweißen. Dies wird noch wichtiger bei Baugruppen mit hohem Kupfergehalt und Mehrlagenplatinen, da das Kupfer zu einem Wärmesenker werden kann, der den größten Teil der Wärme aus den Lötstellen zieht. Dies kann es schwierig machen, Prozesstemperaturen aufrechtzuerhalten, und die Anwesenheit einer thermischen Entlastung erleichtert das Löten von Durchsteckkomponenten, indem die Rate des Wärmeabzugs durch metallisierte Durchkontaktierungen verlangsamt wird. Das Fehlen einer Wärmeentlastung könnte zu schlechter Lochfüllung und kalten Lötstellen führen und kann auch die Nacharbeitungsfähigkeiten beeinträchtigen. Einige der Vorteile, die das Hinzufügen einer thermischen Entlastung auf Ihrer Platine bietet, umfassen:

• Bessere Kontrolle über die Lochgröße.
• Mehr Konsistenz in der Plattierungsdicke.
• Schnellere und einfachere Inspektion von Lötstellen.

Als allgemeine Regel wird empfohlen, ein Muster für thermische Entlastung für jedes Via oder Loch zu verwenden, das mit einer Masse- oder Stromversorgungsebene verbunden ist. Es wird auch empfohlen, thermische Entlastung bei Pressfit-Komponentenlöchern zu vermeiden und die thermische Stromkapazität in Ihren Berechnungen zu berücksichtigen. Siehe Abbildung 29 für ein Beispiel eines typischen Musters für thermische Entlastung im Platinenlayout:

Abbildung 29 - Typisches Muster für thermische Entlastung

Die Grundlagen legen

Dieses Kapitel hat die Grundlagen für Ihren Entwurfsprozess gelegt und es Ihnen ermöglicht, die Grundlagen Ihres Board-Layouts zu planen, einschließlich der Verwendung von Durchsteck- oder SMT-Komponenten, der klaren Dokumentation Ihres Siebdrucks, des Verständnisses der Bedeutung der Lötmaske und schließlich der Spezifizierung von Via-Größen und -Platzierung. Wir sind jetzt bereit, in die spezifischen Richtlinien für die Platzierung und Ausrichtung Ihrer Komponenten auf Ihrem Board-Layout einzutauchen, um Ihre PCB erfolgreich herstellen zu lassen.

Platzieren und Ausrichten Ihrer Komponenten

Einführung

Nachdem Sie Ihre bevorzugten Komponententypen festgelegt haben, ist es nun an der Zeit zu entscheiden, wie Sie diese Teile effizient auf Ihrem Board platzieren und ausrichten. Dieser Prozess wird einen großen Einfluss darauf haben, wie Sie den verfügbaren Platz auf Ihrem Board-Layout nutzen, und kann einer der herausforderndsten Schritte in Ihrem Entwurfsprozess sein. Unten finden Sie spezifische Empfehlungen, wie Sie Ihre Komponentenplatzierung optimieren können, um sowohl herstellbar zu sein als auch Ihre spezifischen Entwurfsanforderungen zu erfüllen.

Allgemeine Richtlinien für die Platzierung und den Abstand von Komponenten

Bevor wir auf die Spezifika der Komponentenplatzierung und -ausrichtung eingehen, gibt es mehrere allgemeine Richtlinien, die zu beachten sind:

• Für effizientes Löten und Platzieren wird empfohlen, ähnliche Komponenten in die gleiche Richtung zu orientieren.
• Vermeiden Sie es, Komponenten auf der Lötseite einer Platine zu platzieren, die hinter Bauteilen mit durchkontaktierten Löchern liegen würden.
• Um die Anzahl der für die Montage einer Platine erforderlichen Prozesse zu minimieren, versuchen Sie, alle Ihre SMD-Komponenten auf derselben Seite der Platine zu platzieren und alle Durchsteckkomponenten (falls gemischt) auf der Oberseite der Platine.
• Wenn Sie gemischte Technologiekomponenten haben (Durchsteckkomponenten oben und SMT auf beiden Seiten), könnten Hersteller einen zusätzlichen Prozess zum Epoxydieren der unteren Komponenten benötigen, was Ihre gesamten Herstellungskosten erhöht.
• Sie sollten alle Landungen nur mit einer Leiterbahn beenden und Ihre Pads mit Lötstopplack definieren.

Indem Sie den oben genannten Richtlinien folgen, werden Sie allein dadurch weit vor einem typischen PCB-Designer in der effizienten Nutzung Ihres Layouts sein, während Sie auch sicherstellen, dass Ihre Platine ohne Verzögerungen hergestellt wird. Die nächsten Abschnitte werden spezifische Empfehlungen zur Platzierung, Orientierung und Terminierung von Komponenten behandeln.

Spezifische Richtlinien zur Platzierung von Komponenten und zur Ausrichtung der Platine

Ein ausreichender Abstand zwischen Ihren Komponenten ist entscheidend für ordentliches Löten, das Durchführen von Nacharbeiten, das Testen Ihrer Platine und einen reibungslosen Montageprozess. Eine schlechte Abstandsplanung bei Komponenten könnte zu manueller Platzierung führen, da eine Pick-and-Place-Maschine ihre Arbeit nicht ordnungsgemäß ausführen kann.

Manchmal lässt es sich nicht vermeiden, Chipkomponenten auf der Unterseite Ihrer Platine zu verteilen. Um Schattenbildung und unsolderierte Enden zu vermeiden, wird empfohlen, einen Abstand von 0,100 Zoll zwischen den einzelnen Komponenten einzuhalten, wie in Abbildung 30 gezeigt:

Abbildung 30 - Komponentenabstand zur Vermeidung von Schattenbildung und unsolderierten Enden

Es wird empfohlen, dass der Abstand von Komponente zu Komponente das 1-fache der Komponentenhöhe beträgt (oder mindestens ½ ihrer Höhe). Abbildung 31a und b zeigt den minimal empfohlenen Komponentenabstand für einige der gängigsten Gehäusetypen. Für detailliertere Informationen zum Komponentenabstand siehe bitte IPC-7351[4-1].

Abbildung 31a - Empfohlener minimaler Abstand zwischen SMD-Komponenten basierend auf SMT-Dichte

Abstand von Komponente zu Komponente

Abbildung 31b - Standardabstands-Anforderungen für Komponentenabstand basierend auf Typ[4-2]

HINWEIS: Sockel (für PLCC und DIP) und Steckverbinder sollten von BGA- und CSP-Komponenten entfernt sein, um Rissbildung an Lötstellen aufgrund möglicher Belastungen während des zweiten Einsetzens/Entfernens von Erweiterungskarten oder IC-Komponenten zu verhindern.

(*) Nur für die Primärseite. Für die Sekundärseite ist ein Freiraum von 0,125 Zoll für alle SMT-Komponenten von DIP-Pins erforderlich, die eine selektive Wellenlöt-Vorrichtung benötigen. Pressfit-Steckverbinder sind eine Ausnahme und benötigen diesen Freiraum auf der Sekundärseite nicht.

(**) Erweiterte Option, falls unbedingt notwendig:

0402-Komponenten können 20 mils auseinander sein.

0603-Komponenten können 25 mils auseinander sein.

Diese Zahlen gelten nur für Viasystems und erfordern eine spezielle Einrichtung ihrerseits.

Viasystems sollte informiert werden, bevor das Board hergestellt wird.

Komponenten- und Boardausrichtung

Es ist wichtig, sich Zeit zu nehmen, um Ihre Komponenten sorgfältig auszurichten, da dies die Herstellbarkeit Ihres Boards und die Zuverlässigkeit des Montageprozesses direkt beeinflusst. Einige Variablen bestimmen, wie Ihr Board durch die Montageausrüstung Ihres Herstellers platziert und gelötet wird, einschließlich der Werkzeuglöcher, Steckverbinderpositionen, Randkomponenten und der PCB-Kontur. Siehe Abbildung 32 für einen Vergleich zwischen Board-Layouts mit schlecht platzierten Komponenten und solchen mit ausreichendem Abstand.

Abbildung 32a - Das Zusammenfassen großer Komponenten erfordert Hochtemperatur-Refusion (kann Chips beschädigen)

Dieses Board muss bei höherer Temperatur umgefließt werden, was Schäden an Chipkomponenten verursachen könnte. Dies liegt daran, dass große Komponenten in einem bestimmten Bereich des Boards platziert sind.

Abbildung 32b - Große Komponenten zur besseren thermischen Verteilung verteilen

Für eine bessere thermische Verteilung ist es am besten, große Komponenten über das Board zu verteilen.

Abbildung 33: Ablösung der Terminierung vom Komponentenpad aufgrund schlechter thermischer Balance (Tombstoning) 

Wenn Ihr Board aus großen Komponenten mit Höhen über 0,20 Zoll besteht, wird empfohlen, den Abstand von Komponente zu Komponente gleich der Höhe des größten Bauteilpakets zu machen. Diese Strategie bietet ausreichend Platz für die visuelle Inspektion und erleichtert die Nacharbeit.

Um eine bessere thermische Balance Ihres Boards während des Reflow-Lötens zu erreichen, sollten Sie die Komponenten so gleichmäßig wie möglich auf Ihrem Board verteilen. Dies stellt sicher, dass kein Bereich auf Ihrem Board wesentlich heißer als ein anderer wird. Es wird auch empfohlen, große Komponenten nicht in einem Bereich des Boards zu konzentrieren, um Verbiegen und Verdrehen zu minimieren und eine ausgewogene thermische Verteilung zu gewährleisten.

Board-Ausrichtung für das Wellenlöten

Hersteller bevorzugen typischerweise, dass ein Board entlang seiner langen Achse durch eine Lötmaschine fließt. Dies minimiert die Komplexität der Einrichtung und verhindert, dass ein Board während des Lötens nach unten wölbt. Siehe Abbildung 34 für ein Beispiel, das eine unerwünschte Board-zu-Löt-Ausrichtung zeigt, die durch den Kartenrandstecker vorgegeben wird, welcher mit der Greifvorrichtung kollidieren würde, wenn er zur bevorzugten langen Achse gedreht würde.

Abbildung 34 - Unerwünschte Board-zu-Löt-Ausrichtung

Komponentenorientierung

Die geografische Platzierung einer Komponente auf einer Leiterplatte ist wichtig für die ordnungsgemäße Herstellbarkeit der Platine. Es wird empfohlen, Ihre Komponenten relativ zum Platinenumriss und zum Lötprozess entlang der langen Achse der Leiterplatte zu orientieren, wobei Ihre kleinen integrierten Schaltkreise (SOIC) parallel zur Fließrichtung des Lötzinns ausgerichtet werden, wie in den Abbildungen 35 a und b dargestellt.

Abbildung 35a: Platine in dieser Orientierung (Oben & Unten) wird entlang der langen Achse gelötet (Bevorzugte Orientierung)

Abbildung 35b: Orientierung der Komponenten auf der Unterseite für Wellenlöten (Nicht bevorzugt)

Für Chip-Komponenten sollten beide Anschlüsse parallel zur Lötwelle sein, damit sie gleichzeitig gelötet werden können. Vermeiden Sie Schattenbildung, indem Sie Chip-Komponenten nicht senkrecht zueinander platzieren. Dies hilft auch, ungleichmäßige Lötfahnen (und Auslassungen) zu vermeiden, die normalerweise Stress auf die Lötstellen ausüben. Abbildung 36 zeigt ein visuelles Beispiel für die korrekte Orientierung von Chip-Komponenten.

Abbildung 36a: Gute Orientierung der Chip-Komponente

Abbildung 36b: Schlechte Orientierung der Chip-Komponente

Je mehr Schattenwurf kleinerer Komponenten Sie auf Ihrer Platine durch die Lötwelle haben, desto wahrscheinlicher wird Ihre PCB mit offenen Lötstellen enden. Stellen Sie sicher, dass die Lötrichtung Ihrer Platine so positioniert ist, dass große Komponenten die kleineren Chipkomponenten nicht beschatten, wie in Abbildung 37 unten gezeigt.

Abbildung 37a: Gute Komponentenplatzierung

Abbildung 37b: Schlechte Komponentenplatzierung (Schattenwurf)

BGA-Orientierung

Es wird empfohlen, BGAs oben auf der Platine zu platzieren, um die Möglichkeit offener Lötverbindungen während des zweiten Reflow-Durchgangs zu eliminieren. Ihr Hersteller könnte zusätzliche Schritte im Montageprozess verlangen, wenn Sie BGA-Komponenten auf beiden Seiten Ihrer Platine haben.

Diese zusätzlichen Schritte werden eine temporäre Unterstützung der anderen Seite eines BGA während des zweiten Reflow-Durchgangs sicherstellen.

Vermeiden Sie es, BGA- und größere Quad-Flat-Package (QFP)-Komponenten in der Mitte der PCB zu platzieren, um eine Verformung der Platine durch schwerere Teile zu verhindern. Das Nichtbeachten dieser Richtlinie kann, wie in Abbildung 38 gezeigt, zu offenen Lötverbindungen führen und ist ein Problem für Standardplatinen mit 0,062 Zoll, wenn die Platinenfläche größer als 25 Quadratzoll ist.

Abbildung 38 - Beispiel für den Bogen-und-Dreh-Effekt bei BGA-Geräten

Wenn Ihr Design BGA-Komponenten auf beiden Seiten der Platine hat, wird empfohlen, jedes BGA zu versetzen, um die Nacharbeit zu erleichtern und die Inspektion der Lötkugeln zu erleichtern, wie in Abbildung 39 gezeigt.

Abbildung 39 - BGA-Montagestrategie

Platzierung unter dem Bauteil

Wenn Sie einen Chip unter einem Bauteil spezifizieren, kann dies Inspektionen, Nacharbeiten und Tests erschweren. Wenn sie unter BGA-Sockeln oder ZIF-Sockeln platziert werden, müssen Sie den Zusammenfall der BGA-Kugeln berücksichtigen, der typischerweise etwa 25% des Kugeldurchmessers beträgt. Es wird empfohlen, die Toleranzen des Stackups bei diesen Arten von Designs im Auge zu behalten, da sie es unmöglich machen, versteckte Geräte zu inspizieren und die Durchführung von Nacharbeiten herausfordernd machen.

Begrenzungen bei der Platzierung von Widerstandspaketen (R-Pack)

Widerstandspakete mit konvexer Endung und externen Lötstellen werden von PCB-Herstellern bevorzugt. Diese Arten von Widerstandspaketen haben bessere Abstände und eine einfachere Endlötung, was die visuelle Überprüfung und Inspektion der Lötstellen erleichtert.

Platzierung von Kondensatoren

Um Ihr Design konsistent zu halten und den Montageprozess zu unterstützen, wird empfohlen, alle polarisierten Kondensatoren so zu platzieren, dass das positive Ende nach rechts oder unten zeigt. Wie Sie zuvor gesehen haben, sollte die Polarität auf dem Siebdruck auf der Gehäusekontur angegeben sein. Entkopplungskondensatoren sollten immer so nah wie möglich am Stromanschluss des ICs platziert und senkrecht zu SOIC-Komponenten und dem Lötfluss ausgerichtet werden.

Doppelseitige Platinen

Der Abstand zwischen den Pads (Land-zu-Land), die senkrecht und parallel zur Lötrichtung sind, sollte mindestens 0,025” betragen, um Lötbrücken zu vermeiden. Es wird auch empfohlen, einen Mindestabstand von 0,025” von einem Durchgangsloch-Pad oder einer Via-Kante zu einem Oberflächenmontage-Pad oder einer anderen Via zu halten.

Komponenten und Wellenlöten

Alle Komponenten, die auf der Wellenlötseite einer Baugruppe verwendet werden, sollten zunächst von Ihrem Hersteller für das Eintauchen in ein Lötbad genehmigt werden. Für hohe Komponenten (höher als 0,0100”), wie Tantalkondensatoren, wird empfohlen, mindestens 0,100” Land-zu-Land-Abstand (aus allen Richtungen) zu haben, um Ausfälle und offene Verbindungen während des Wellenlötprozesses zu vermeiden.

Einige Arten von Komponenten sind empfindlich gegenüber Wellenlöten bei höheren Temperaturen, und es wird nicht empfohlen, sie auf der Rückseite Ihrer Platine (untere Schicht) zu platzieren, wo die Lötwelle mit der Komponente in Kontakt kommen würde. Komponenten, die nicht für die Platzierung auf der Rückseite einer Platine (untere Schicht) empfohlen werden, umfassen:

• BGA-Komponenten.
• Nicht gekapselte Induktoren.
• QFP-Komponenten.
• „J“-geleitete Bauteile.
• Steckverbinder.
• Jedes andere Gerät, das nicht in Lötzinn getaucht werden kann.

Durchsteckkomponenten

Bei der Bestimmung Ihrer erforderlichen PTH-Fertiggröße beachten Sie, dass, wenn das PTH zu groß ist, die Komponente nicht an Ort und Stelle bleibt und sich verschieben könnte, was die Wahrscheinlichkeit eines „Hochkommens“ erhöht und Kurzschlüsse durch Lötzinnflutung während des Wellenlötens verursachen könnte. Ist das PTH zu klein, passt die Komponente möglicherweise nicht in das PTH und könnte zu unzureichender Lötzinnfüllung führen. Es ist leicht, eine Durchsteckkomponente falsch zu orientieren, daher werden richtungsgebundene Gehäuse gegenüber bidirektionalen bevorzugt. Abbildung 40 gibt einen allgemeinen Leitfaden zur Bestimmung der PTH-Fertiggrößen:

Abbildung 40 - Pin-zu-Loch-Empfehlungen für Durchsteckkomponenten[4-3]

Mit den Informationen aus diesem Kapitel sind Sie nun gut gerüstet, um mit dem Platzieren und Ausrichten Ihrer Komponenten zu beginnen, um grundlegende Fertigungsanforderungen zu erfüllen. Bevor Sie mit dem Platzierungsprozess Ihrer Komponenten beginnen, wird empfohlen, sich mit Ihrem Hersteller in Verbindung zu setzen, um spezifische Platzierungsanforderungen zu besprechen, die in den obigen Abschnitten nicht dargelegt wurden. Jetzt, da Ihr Design auf dem besten Weg zur Fertigstellung ist, ist es an der Zeit, den Layoutprozess der Platine abzuschließen, indem Sie Ihre Anforderungen an Testpunkte im nächsten Kapitel konfigurieren.

Konfigurieren Ihrer Testpunktanforderungen

Das Definieren geeigneter Testpunkte auf einem Platinenlayout während Ihres Designprozesses ist entscheidend, damit Ihre PCB von Ihrem Hersteller getestet und verifiziert werden kann. Die von Ihnen festgelegten Testpunkte bestimmen letztendlich die Zuverlässigkeit Ihrer PCB und ermöglichen es Ihrem Hersteller, potenzielle Probleme zu identifizieren und zu diagnostizieren, bevor Ihre Platine die Verarbeitungsanlage verlässt. Dieses Kapitel wird allgemeine Testanforderungen für Ihre PCB behandeln und dann auf die Spezifikationen der Testpadplatzierung und Panelisierung eingehen.

Allgemeine Testpunktanforderungen

Bevor wir auf die spezifischen Anforderungen an Testpunkte und -pads eingehen, gibt es mehrere allgemeine Richtlinien, die zu beachten sind:

• Jeder Knotenpunkt auf Ihrer Platine sollte mindestens einen Testsondenpunkt haben (vorzugsweise zwei), einschließlich der Komponentenpins, die mit diesem Knoten verbunden sind.
• Es wird nicht empfohlen, Bauteilanschlüsse als Testpunkte zu verwenden, da diese Methode zu fehlenden und gerissenen Lötstellen führen kann.
• Es wird empfohlen, Ihre Testpunkte über die gesamte Platine zu verteilen, anstatt sie an einer Stelle der Platine zu konzentrieren, da dies hilft, Luftlecks im Vakuumversiegelungsprozess Ihrer verpackten Platine zu vermeiden.

Testpads

Testpads können entweder Vias/Pads, ein Bauteilpad (PTH) oder ein spezifizierter Testpunkt (TP) mit eigenem Referenzdesignator sein.

Siehe Abbildung 41 für ein Beispiel eines Durchkontaktierungstestvias.

Abbildung 41 - Durchkontaktierungstestvia

Für Testsonden verwenden Sie die unten angegebenen Testpad-Durchmesser, um während Ihres Fertigungsprozesses ordnungsgemäße Testergebnisse zu gewährleisten:

• Für Standard-Testsonden mit 0,100”, 0,070” oder 0,050” sollten die Testpad-Durchmesser zwischen 0,015” und 0,040” liegen und sie sollten genügend Lötoberfläche für einen zuverlässigen Sondenkontakt haben.
• Wenn Ihr Design die Verwendung von 0,030” bis 0,015” Sonden erfordert (z.B. bei Bauteilen mit feinem Raster), sollten Testpads einen ausreichenden Abstand um sie herum haben (nicht weniger als 0,050”).
• Die 0,030” bis 0,015” Sonden sind zerbrechlicher, teurer, weniger zuverlässig und ihr Einsatz sollte minimiert werden.
• Für größere Platinen (mehr als 12” auf jeder Seite) sollte die Testpadgröße mindestens 0,040” betragen.
• Generell sollten Testpadflächen nicht näher als mindestens 0,125” am Platinenrand liegen.

Abstand der Testpads und Werkzeuganforderungen

Der Abstand zwischen den Testpads (Mitte-zu-Mitte) sollte bei 0,100” gehalten werden. Dies ermöglicht den Einsatz größerer Sonden, die günstiger in der Einrichtung sind und eine zuverlässigere Messung liefern.

Je kleiner der Abstand zwischen den Testpads ist, desto wahrscheinlicher muss Ihr Hersteller kleinere, kostspieligere und weniger zuverlässige Sonden verwenden, wie in Abbildung 42 gezeigt.

Abbildung 42 - Abstand der Testpads

Testpads für SMT-Platinen

Komponenten auf SMT-Platinen, die 0,35 Zoll (oder mehr) hoch sind, sind schwer zu prüfen, daher wird empfohlen, den Abstand zwischen den Prüfpads und dem Rand dieser Komponenten auf 0,100 Zoll zu halten. Dies verhindert die Notwendigkeit von Ausschnitten oder Entlastungen in der Prüfplatte, falls der Pad-zu-Komponenten-Abstand unter das erforderliche Minimum fällt, wie in Abbildung 43 gezeigt.

Abbildung 43 - Prüfpad zu Komponentenabstand für Komponenten über 0,200 Zoll hoch

Für Komponenten, die weniger als 0,35 Zoll hoch sind, sollten Prüfpads nicht weniger als 0,040 Zoll vom Komponentenrand entfernt platziert werden.

Dies vermeidet Schäden an der Sonde oder der Komponente aufgrund von Toleranzen bei der Komponentenplatzierung und Fixierung, wie in Abbildung 44 gezeigt.

Abbildung 44 - Prüfpad zu Komponentenabstand für Komponenten unter 0,200 Zoll Höhe

Werkzeuganforderungen für Tests

Mindestens zwei Werkzeuglöcher sind auf der PCB erforderlich. Sie sollten so weit wie möglich auseinander und diagonal platziert sein und einen Durchmesser von 0,125 Zoll haben. Der freie Bereich um die Werkzeuglöcher sollte einen 0,125 Zoll ringförmigen Radius haben.

Panelisierung

Panelisierung, auch bekannt als Step-and-Repeat, ist die Methode, zwei oder mehr PCBs auf einem Panel zu platzieren, was es ermöglicht, die Platinen während der Herstellung, des Versands und der Montage zu sichern. Da Ihre PCB nach Panel berechnet wird, wird Ihr Preis direkt davon beeinflusst, wie viele PCBs auf einem Panel gefertigt werden können. Die Panelisierung kann Ihnen auch Zeit sparen, indem mehrere Platinen gleichzeitig in großen Mengen verarbeitet werden, wie in Abbildung 45 gezeigt.

Abbildung 45 - Rechteckige Schaltungen in einem einzigen Panel mit Werkzeuglöchern und Ausbrechlaschen

Die PCB-Bilder auf einem Panel können ein einzelnes Design oder eine Gruppierung verschiedener Designs sein. An mehreren Stellen entlang des Randes des Panels werden Löcher gebohrt, wobei die Platinenkontur nicht vollständig gefräst wird, um eine Lasche zu bilden. Einmal auf dem Panel, können die Platinen dann leicht herausgeschnappt werden, bevor oder nachdem sie mit Komponenten bestückt wurden.

Es wird empfohlen, sich mit Ihrem Hersteller zu beraten, um zu bestimmen, ob eine Panelisierung erforderlich ist, um Ihre Platine herzustellen. Die Faktoren, die bestimmen, wie viele PCBs auf ein Panel passen, umfassen:

• Größe des einzelnen Designs.
• Gesamtgewicht der platzierten Komponenten.
• Größe des Montagegeräte-Panels.
• Zusätzlicher Freiraum, der für überhängende Komponenten benötigt wird.

Mit zunehmender Anzahl an Schaltkreisen in einem Panel wird dessen mechanische Festigkeit schwächer, was dazu führen kann, dass das Panel unter seinem Gewicht während der Montage und des Reflow-Prozesses verbiegt. Obwohl ein kleineres Panel mit weniger Platinen stärker sein könnte, ist dies möglicherweise nicht der effizienteste Weg, um die Standard-Panelgrößen des PCB-Herstellers zu nutzen, und wird zusätzliche Kosten während des Montageprozesses verursachen.

Allgemeine Richtlinien für Panels

Ein durchschnittliches Panel hat ungefähr die Größe eines A4-Blattes Papier. Die folgenden Spezifikationen sollten für eine Standard-Panelisierung enthalten sein:

• Ausbruchstreifen sollten rund 0,400” messen.
• Fiducials sollten mindestens 0,125” von einer Kartenkante oder Panelrahmenkante entfernt sein.
• Panel-Designs sollten 0,125” unbeschichtete Werkzeuglöcher haben, die 0,2” von den Rahmenecken entfernt liegen (oder gemäß den Richtlinien Ihres Herstellers).
• Ein Panel-Design-Zeichnung, die beinhaltet:
  • Panelabmessungen Länge und Breite.
  • Abmessungen der Ausbruchschienen.
  • Abmessungen und Positionen der Fiducial-Ziele.
  • Abmessungen und Positionen der Werkzeuglöcher.

Werkzeugstreifen

Da eine Leiterplatte von Montagegeräten an Ort und Stelle gehalten werden muss, ist normalerweise ein komponentenfreier Bereich von 0,200 Zoll auf beiden Seiten der Platine erforderlich. Wenn Komponenten näher als dies platziert sind, wird ein Werkzeugstreifen benötigt, und es wird ein zusätzlicher Abfallbereich von 0,400 Zoll um die Kanten der Platine herum erforderlich sein. Wenn Ihr Design Komponenten hat, die über die Kanten der PCB hinausragen, sollte die Breite des Werkzeugrahmens entsprechend erhöht werden. Obwohl nicht erforderlich, erleichtert eine 0,100 Zoll Fase an der Ecke der Werkzeugleisten die Ausrichtung der Montagegeräte mit der Platine und hilft, jegliches Verklemmungsrisiko zu vermeiden. Abbildung 45 zeigt ein Standardpanel mit den Werkzeugstreifen, Löchern und Rahmen.

Die Werkzeugstreifen werden nach Abschluss der Montage verworfen und die einzelnen Schaltkreise entfernt. Wenn Ihr Design keine überhängenden Komponenten enthält und die nächstgelegene Komponente zum Rand mindestens 0,100 Zoll entfernt ist, werden die Werkzeugstreifen entlang der oberen und unteren Kanten wie in Abbildung 47 unten gezeigt einbezogen:

Abbildung 47 - Werkzeugstreifen entlang der oberen und unteren Kanten einer PCB

Werkzeuglöcher

Werkzeuglöcher sind erforderlich, um die Leiterplatte in Maschinen und Vorrichtungen genau auszurichten und zu positionieren, damit sie bearbeitet werden kann (z.B. Fräsvorrichtungen, Lötpasten-Siebdruckprozess, Bohrmaschinen, Testvorrichtungen usw.). Die minimale Konfiguration sollte mindestens zwei unbeschichtete Löcher umfassen, eines in jeder Ecke (gegenüberliegend), mit einem Durchmesser von 0,125″ und 0,200″ vom Rand der Platine entfernt. Ein drittes Loch ist wünschenswert, wenn der Platz dies zulässt, da es die Ausrichtungsgenauigkeit verbessern kann und verwendet werden kann, um sicherzustellen, dass die Platine nicht in falscher Orientierung in der Vorrichtung platziert wird.

Aufgrund der Beschränkungen der automatischen Platzierungsköpfe und der Werkzeugkontakte sollte eine komponentenfreie Zone von etwa 0,400″ vom Zentrum des Lochs aus eingehalten werden. Diese Anforderungen können je nach Einsetzmaschine variieren, daher wird empfohlen, sich mit Ihrem Leiterplattenhersteller abzustimmen, um die beste Konfiguration zu gewährleisten. Die korrekte Platzierung von Werkzeuglöchern kann in Abbildung 48 gesehen werden:

Abbildung 48 - Korrekte Platzierung von Werkzeuglöchern auf einer Leiterplatte

Depanelisierungsprozess

Es gibt mehrere unten dargestellte Entpanelisierungsmethoden, die alle ihre Vorteile haben, je nach den physischen Einschränkungen Ihrer Platinenform und den zugehörigen Komponenten. Ihre spezifischen Designanforderungen bestimmen, welches Entpanelisierungsverfahren verwendet wird, und es wird empfohlen, sich mit Ihrem Hersteller zu beraten, um die ideale Lösung auszuwählen.

Trennlaschen

Um die einzelnen PCBs während des Montageprozesses zu unterstützen und sie nach Abschluss der Montage entfernen zu können, werden mehrere kleine Trennlaschen am Umfang des PCB-Profils hinzugefügt.

Für eine bessere Stabilität sind mindestens zwei Laschen an jeder Kante Ihrer Platine erforderlich. Diese Laschen sollten nicht durchkontaktierte Löcher zwischen 20 mils und 30 mils im Durchmesser und im Abstand zwischen 40 mils bis 50 mils haben, wie in Abbildung 49 gezeigt. Diese Methode hat den Vorteil, dass sie leicht von der Platine abgebrochen werden kann, aber eine raue Kante hinterlässt. Wenn Sie enge Toleranzen für ein mechanisches Gehäuse haben, können die Löcher in die PCB versetzt werden, um jegliches Material über den PCB-Rand hinaus zu eliminieren.

Abbildung 49 - Trennlaschen

Während des Herausbrechens wird etwas Stress auf das Laminat und auf SMT-Komponenten, die in der Nähe der Tabs positioniert sind, ausgeübt, was zu Beschädigungen führen kann. Um den Schaden zu minimieren, wird empfohlen, diese Komponenten um 90° zur Kantenrichtung des Boards zu orientieren. Im Allgemeinen sollten Komponenten, Leiterbahnen, Vias und innere Lagen nicht innerhalb von 0,100 Zoll von den Herausbrechbohrungen liegen.

Festes Herausbrechen

Die Methode des festen Herausbrechens ist stärker und verwendet weniger Material als Herausbrech-Taben und erfordert auch keinen Nibbler, um eine Platine von einem Panel zu entfernen. Nachdem die PCB herausgebrochen wurde, neigt die Platine dazu, ein wenig unerwünschtes Material an ihrem Rand zu hinterlassen, was möglicherweise etwas Füllung erfordert, um die Platine zu ebnen. Abbildung 50 zeigt einen Querschnitt des festen Herausbrechens auf einer PCB:

Abbildung 50 - Fester Herausbrechstift

V-Nutung

Die V-Nutung oder V-Scoring ist eine weitere Alternative, um Platinen vom Panel zu trennen, und ist oft eine gute Option für Platinen ohne überhängende Komponenten. Diese alternative Depanelisierungsmethode ist kostengünstiger und ideal für die Massenproduktion. Ein Querschnitt der V-Nutungsmethode ist in Abbildung 5 dargestellt:

Abbildung 51a - V-Nut Querschnitt

Das Herausbrechen von Platinen aus dem Panel mittels V-Nutung erzeugt etwas Spannung entlang der abzubrechenden Kante, daher wird empfohlen, SMT-Komponenten nicht näher als 0,100 Zoll vom Platinenrand zu platzieren. Die V-Nutung erzeugt auch eine raue, unfertige Platinenkante, nachdem sie von Ihrem Leiterplattenhersteller geritzt wurde. Abbildung 51b zeigt die erforderlichen Nutungslinien auf einem Panel für die V-Nutungsmethode:

Abbildung 51b - Erforderliche Nutungslinien und Details auf V-genutetem Panel

Unregelmäßig geformte PCBs

Wenn Sie eine PCB mit einer unregelmäßigen Form entwerfen, dann wird empfohlen, die Panelisierungstechnik während des Montageprozesses zu nutzen, um den Produktionsprozess für Ihre Platine zu optimieren.

Dies wird einige Materialabfallstücke ergeben, wie in Abbildung 52 gezeigt:

Abbildung 52 - Unregelmäßige Platine mit Füllpanels

Abschluss Ihres Platinenlayouts

Durch das Hinzufügen geeigneter Testpunkte auf einer Platine erhöhen Sie signifikant die Wahrscheinlichkeit, jegliche fertigungsbedingten Fehler während des Validierungsprozesses nach der Produktion zu entdecken. Da jedes Design seine Einschränkungen und einzigartigen physischen Beschränkungen hat, wird immer empfohlen, sich mit Ihrem Hersteller abzustimmen, um die ideale Platzierung von Testpunkten zu bestimmen. Mit dem Abschluss des Layoutprozesses Ihrer Platine ist es nun an der Zeit, zum Prozess der Nach-Design-Dokumentation überzugehen, um die Designabsicht klar an Ihren ausgewählten Hersteller zu kommunizieren.

Dokumentation Ihrer PCB für die Fertigung

Bevor Sie Ihr Design zur Fertigung schicken können, müssen Sie sicherstellen, dass es ordnungsgemäß dokumentiert ist, um Ihre Designabsicht klar zu kommunizieren. Obwohl elektronische Dateien wie Gerber und ODB++ genügend grundlegende Informationen liefern, um Ihre Platine herzustellen, enthalten sie nicht alle feinen Details in Ihrem Kopf darüber, wie Sie beabsichtigen, Ihre Platine produzieren zu lassen.

Die Dokumentationsphase ist Ihre Chance, das Layout Ihrer Platine genau zu dokumentieren und jegliche Missverständnisse bezüglich der Designabsicht zu vermeiden, die typischerweise auftreten, wenn die Designziele nicht klar vermittelt werden. Dieses Kapitel konzentriert sich auf die Erstellung einer standardisierten PCB-Dokumentationsvorlage und umreißt alle notwendigen Details, die Sie einbeziehen möchten, um das Verständnis Ihres Herstellers zu erhöhen. Das folgende Kapitel wird dann auf die Spezifikationen Ihrer Hauptzeichnung eingehen. Dieses und das folgende Kapitel beziehen Informationen aus dem Standard IPC-D-325A[6-1].

Zeichnungsgrößen

Der erste Schritt zur Erstellung einer Hauptzeichnung ist die Auswahl eines geeigneten Zeichenbereichs, der alle Ihre Zeichnungen enthält. Die Abmessungen Ihres Zeichenbereichs werden als Zeichnungsgröße bezeichnet und sollten den Standardgrößen gemäß ANSI-Y 14.1[6-1] entsprechen, wie in Abbildung 53[6-2] dargestellt. Wenn möglich, sollten die Zeichnungsgrößen für alle Dokumentationen konsistent gehalten werden, während sie dennoch den Dokumentationsrichtlinien Ihres Unternehmens entsprechen.

Abbildung 53 - Standardzeichnungsgrößen für PCB-Dokumentation

Primäre Blöcke einer PCB-Vorlage für Fertigung und Montage

Es gibt mehrere Blöcke, die in Ihrer PCB-Zeichnung enthalten sein müssen. Ein Block enthält zusätzliche Details und Spezifikationen, die dazu beitragen, Ihre Designanforderungen für die Herstellung klar zu definieren und sollte vollständig detailliert sein, um potenzielle Produktionsverzögerungen oder Fehler zu vermeiden. Abbildung 54 zeigt einen leeren Zeichenraum mit hervorgehobenen Blöcken.

Abbildung 54 - Leerer PCB-Zeichenraum mit hervorgehobenen Blöcken

Zonierung

Die Zonierung wird verwendet, um auf eine Zeichnung zu verweisen und ist besonders nützlich bei mehrseitigen Zeichnungen. Obwohl Sie eine Zeichnung auf mehrere Arten zonieren können, wird empfohlen, eine Methode auszuwählen und diese durchgehend in all Ihren Entwürfen zu verwenden, um der Konsistenz willen. Die in diesem Handbuch vorgestellte Methode umfasst die folgenden Richtlinien (siehe Abbildung 55):

• Die horizontalen Ränder (oben und unten) des Zeichenblatts müssen beginnend mit „A“ im obersten linken Teil der Zeichnung beschriftet und alphabetisch erhöht werden, während Sie sich nach rechts bewegen.
• An den vertikalen Seiten (links und rechts) beginnen Sie mit „1“ oben und fahren Sie nach unten fort, während Sie numerisch zunehmen, wenn Sie sich nach unten bewegen.
• Alle Buchstaben sollten großgeschrieben werden.

Abbildung 55 - Beispiel einer Zonierungsmethode

Titelblock

Der Titelblock ist ein wichtiger Teil Ihres PCB-Designs, da er Ihrem Hersteller grundlegende Informationen mitteilt, die für die Herstellung Ihres Boards notwendig sind. Bei der Erstellung des Titelblocks für Ihr PCB-Projekt gibt es viele verschiedene Abschnitte, die Sie angeben müssen, einschließlich:

• Titel
• Maßstab
• Zeichnungsnummer
• Käfigcode
• Freigabeblock

Die folgenden Abbildungen zeigen diese Abschnitte im Detail auf dem Titelblock und liefern zusätzliche Details darüber, was eingeschlossen werden muss:

Titel und Untertitel

Der Titel und Untertitel bieten eine kurze und genaue Beschreibung der PCB und sollten in Großbuchstaben geschrieben werden.

Abbildung 56 - Titel- und Untertitelblock

Maßstab

Der Maßstab ist das Verhältnis des tatsächlichen Designs zum Bild und sollte in Bruchform beschrieben werden.

Abbildung 57 - Maßstabsblock

Zeichnungsnummer (DWG. NO.)

Die Zeichnungsnummer wird zur Ablage und Identifikation des PCB-Projekts verwendet.

Abbildung 58 - Zeichnungsnummerblock

Käfigcode (falls zutreffend)

Der Käfigcode ist eine fünfstellige Zeichenfolge, die von der Bundesregierung verwendet wird, um ein Geschäftsetablissement zu identifizieren.

Abbildung 59 - Käfigcodeblock

Freigabeblock

Der Genehmigungsblock wird verwendet, damit Personen (Zeichner, Designer, Prüfer usw.) ein Design abzeichnen können.

Abbildung 60 - Genehmigungsblock

Obwohl die Anforderungen je nach den festgelegten CAD-Standards Ihrer Organisation unterschiedlich sein können, gelten die oben genannten fünf Abschnitte als die Mindestanforderungen, die für einen Titelblock benötigt werden. Sie sollten daran arbeiten, Ihre eigenen Titelblockstandards für zukünftige Projekte zu etablieren. Die in den folgenden Abbildungen gezeigten Blöcke enthalten optionale Details, die für die Spezifikationen Ihres Projekts relevant sein könnten.

Anwendungsblock

Der Anwendungsblock ist optional und in zwei Teile gegliedert, der erste ist der Abschnitt „USED ON“ und der andere der Abschnitt „NEXT ASSY“. Der Abschnitt „NEXT ASSY“ informiert den Ingenieur über die nächste Baugruppe, in der das Teil verwendet wird, während „USED ON“ sich auf die Hauptbaugruppe bezieht, die die nächste Baugruppe enthält.

Abbildung 61 - Anwendungsblock

Revisionsblock

Der Revisionsblock wird verwendet, um die Projektrevision zu verfolgen und ist in Abbildung 62 unten zu sehen. Stellen Sie sicher, dass Sie sich an das Revisionschema Ihres Unternehmens halten, aber wenn kein Schema vorhanden ist, verwenden Sie das unten vorgeschlagene Revisionschema:

• Die erste Überarbeitung wird als „A“
• gezeigt. Die zweite Überarbeitung wird als „B“ gezeigt und so weiter
• . Wenn Ihnen die Buchstaben ausgehen, führen Sie einen zweiten Buchstaben ein. „AA“ → „AB“

. Abbildung 62 - Überarbeitungsblock

. Vertragsnummer

. Die Vertragsnummer, auch bekannt als Bestellnummer, wird verwendet, um ein Projekt zu verknüpfen und zu verfolgen

. Abbildung 63 - Vertragsnummer

. Verteilerschlüssel

. Der Verteilerschlüssel wird für die interne Verteilung an bestimmte Abteilungen Ihrer Organisation verwendet und sollte direkt über dem Titelblock platziert werden

. Abbildung 64 - Verteilerschlüssel

. Materialblock

. Der Materialblock enthält Nummern, die den entsprechenden Anmerkungen zugeordnet sind und die verwendeten Materialien spezifizieren

. Abbildung 65 - Materialblock

. Überarbeitungsstatusblock

. Der Überarbeitungsstatusblock enthält Informationen, die sich auf der ersten Seite der Hauptzeichnung befinden und den Überarbeitungsstatus für jedes einzelne Blatt der Zeichnung anzeigen. Dieser Block sollte sich in der oberen rechten Ecke Ihrer PCB-Vorlage befinden

. Abbildung 66 - Überarbeitungsstatusblock

. Fortsetzungsblattblock

.Der Fortsetzungsblatt-Block wird für Blätter verwendet, die nicht die erste Seite sind. Ein Fortsetzungsblatt-Block muss in der unteren rechten Ecke der Seite platziert werden, wie in Abbildung 67 gezeigt, und sollte Folgendes enthalten:

• Genehmigungsblock (falls benötigt)
• Käfigcode
• Zeichnungsnummer
• Zeichnungsrevision (optional)
• Blattnummer
• Maßstab
• Größe

Abbildung 67 - Fortsetzungsblätter

Primäre Blöcke einer PCB-Vorlage für Fertigung und Montage

Schematischer Titelblock

Obwohl ein schematischer Titelblock viele der gleichen Informationen wie sein PCB-Pendant teilt, einschließlich Zeichnungsgröße, Datum, Titel und Revision (siehe Abbildung 67), weist er auch eine Reihe von Unterschieden auf, wie unten dargestellt:

Abbildung 68 - Schematischer Titelblock

Block mit Referenzdokumenten

Der Block mit Referenzdokumenten listet die erforderliche Projektfertigungsdokumentation auf.

Abbildung 68 - Block mit Referenzdokumenten

Montagezeichnungsnummer

Die Montagezeichnungsnummer ist die eindeutige Nummer, die der Montagezeichnung zugewiesen wird. Die Montagezeichnung ist eine detaillierte Darstellung der gesamten Platinenstruktur mit allen platzierten Komponenten.

Fab-Zeichnungsnummer

Die Fertigungszeichnungsnummer ist die eindeutige Nummer, die der Fertigungszeichnung zugewiesen wird. Die Fertigungszeichnung zeigt Bereiche auf der Platine, die konstruiert werden müssen, wie den Lagenstapel und die Bohrtabelle.

Stücklisten-Dokumentnummer

Die Stücklisten-Dokumentnummer ist die eindeutige Nummer, die dem Stücklisten (BOM) Dokument zugewiesen wird. Die BOM integriert alle Aspekte Ihres Designs, um Ihr fertiges Produkt herzustellen. Die BOM wird später in diesem Handbuch ausführlicher besprochen.

PCB-Zeichnungsnummer

Die PCB-Zeichnungsnummer ist die eindeutige Nummer, die der PCB-Zeichnung zugewiesen wird.

Projekt

Dieser Block wird verwendet, um den Namen oder die Nummer des Hauptprojekts einzugeben.

 

Dateiname

Der Dateiname bezieht sich auf den gespeicherten Dateinamen einschließlich der Erweiterung.

 

Firmenname und Adresse

Dieser Bereich ist für den Namen und die Postadresse Ihres Unternehmens.

 

Ihre grundlegende Fertigungsdokumentation abschließen

Die Kommunikation grundlegender Informationen über Ihr Design sowohl an Ihren Hersteller als auch an die Stakeholder verringert das Risiko von Missverständnissen bezüglich der Designabsicht. Es wird dringend empfohlen, die optionalen Blöcke zu nutzen, die am besten zu den spezifischen Anforderungen Ihres Projekts passen, um die Organisation Ihrer Designdokumentation zu erleichtern. Eine organisierte Dokumentation erleichtert es, Ihre Designabsicht über Ihre Dokumentation hinweg zu vermitteln. Jetzt, wo wir die Benennung und Organisation unserer Dokumente behandelt haben, werfen wir einen Blick auf den Inhalt der Hauptzeichnung.

Dokumentation Ihrer Hauptzeichnung

 

Design for Manufacturing (DFM) betrifft nicht nur Ihren Designprozess, es geht auch darum, sich dessen bewusst zu sein, was vor und nach dem Abschluss Ihres Platinenlayouts geschieht, vom ersten digital platzierten Bauteil bis zum letzten Teil, das eine Bestückungsmaschine physisch auf Ihrer PCB platziert. Im Kern ist DFM ebenso eine Kunst wie eine Wissenschaft, die von Ingenieuren verlangt, sich nicht nur ihrer eigenen Sorgen und Bedenken im Designprozess bewusst zu sein, sondern auch die Bedürfnisse jedes Stakeholders. Es ist die Verantwortung des Designers, den PCB-Herstellungsprozess zu verstehen, damit sie DFM-Praktiken erfolgreich in ihrem PCB umsetzen können.

In diesem Leitfaden haben wir uns eingehend mit DFM für das PCB-Design aus zwei Perspektiven beschäftigt: Fertigung und Montage. Im Bereich der Fertigung werden Designer durch Verarbeitungskapazitäten eingeschränkt, und sie müssen sicherstellen, dass das physische Layout in ihrem System diese Einschränkungen nicht verletzt. Im Bereich der Montage muss der Designer weiterhin sicherstellen, dass sein physisches Layout den grundlegenden Aspekten des Montageprozesses nicht im Wege steht und zu hohen Ausbeuten führt. Um ein erfolgreiches PCB gleich beim ersten Mal zu entwerfen, müssen Sie durch ein breiteres Objektiv schauen und das Design, das Sie im digitalen Bereich produzieren, als einen kleinen Teil eines größeren Puzzles sehen.

Das Ziel dieses Leitfadens ist es, neuen Designern die Werkzeuge an die Hand zu geben, die sie benötigen, um sicherzustellen, dass sie nicht gegen DFM/DFA-Beschränkungen innerhalb des PCB-Fertigungsprozesses verstoßen. Wir bieten einfache, aber wichtige Richtlinien zu den folgenden Themen:

• Eine Übersicht über den Fertigungsprozess
• Wichtige Elemente, die in PCB-Fußabdrücken enthalten sein sollten, um die Fertigung und Montage zu unterstützen
• Wichtige Materialeigenschaften, die bei der Materialauswahl für die meisten PCBs gelten
• Tipps zur Strategie eines PCB-Layouts, um eine erfolgreiche Fertigung zu gewährleisten
• Dokumentation Ihres PCBs mit Hilfe von Fertigungs- und Montagezeichnungen

Um mehr über andere wichtige Themen im Bereich PCB-Design zu erfahren, werfen Sie einen Blick auf unsere Guide Books-Seite im Altium-Ressourcenzentrum.