Front-End-Entwicklung einer Baugruppe

Der Begriff „Front-End-Engineering“ (auch Front End Engineering and Design, FEED) beschreibt im weitesten Sinne einen technischen Entwurfsansatz, der zur gründlichen Projektplanung und Projektkostenkontrolle eingesetzt wird. Der Produktentwicklungsprozess bezieht sich auf alle notwendigen Schritte, um ein Leiterplattendesign in die Produktion zu überführen. In diesem Artikel geben wir einen Überblick über diese Prozessschritte und definieren, was in ihnen geschieht und was die jeweiligen entscheidenden Faktoren sind. In den nachfolgenden Artikeln werden wir auf die eigentlichen Arbeitsschritte während des Herstellungsprozesses im Einzelnen eingehen.

Was enthalten die Dateien

Abbildung 1 zeigt das Front-End-Engineering als ersten Schritt bei der Herstellung einer mehrlagigen Leiterplatte. Der dargestellte Prozessablauf ist in der gesamten Leiterplattenindustrie Standard.

Abbildung 1: Prozessablauf bei der Herstellung von mehrschichtigen Leiterplatten

Um den Fertigungsprozess zu starten, werden alle im Layoutprozess erstellten Leiterplattendesigndaten dem Hersteller zur Verfügung gestellt. Dabei verarbeiten Computer-Aided-Manufacturing-(CAM)-Arbeitsplätze (Abbildung 2) die Designdaten in einer Reihe von Arbeitsschritten und bilden die Grundlage der Werkzeuge, die für die Fertigung benötigt werden. 

Zu den in diesem Prozess bereitgestellten Informationen gehören:

• Die Gerber-Daten oder Darstellungen der verschiedenen Leiterplattenlagen
• Die Netzliste, die die Verbindungen auf der Leiterplatte enthält
• Informationen zum Lagenaufbau
• Die Bohrdaten
• Die Fertigungsvorgaben
• Die Materialvorgaben

Abbildung 2. Typischer Front-End-Engineering-Arbeitsplatz

Wie aus den obigen Ausführungen ersichtlich, hat die Sicherstellung, dass alle an den Hersteller gelieferten Informationen vollständig und korrekt sind, einen erheblichen Einfluss auf das Fertigungsergebnis. Tabelle 1 zeigt eine Liste der typischen Dateien, die der Fertiger benötigt. Diese können in verschiedenen Formaten vorliegen (z. B. GenCam, Gerber oder OCB++).

Tabelle 1. Typische Dateien, die zur Herstellung einer Leiterplatte benötigt werden

Start des Front-End-Engineerings

Der erste Schritt im Front-End-Engineering-Prozess besteht darin, den Entwurf auf seine Korrektheit zu überprüfen. Wichtiger Bestandteil dieses Prozesses ist die Synthese einer Netzliste aus den Gerberdaten bzw. der Vorlage, die zeigt, wie die Leiterplatte gemäß der Vorlage verdrahtet wird. Diese synthetisierte Liste wird mit der CAD-Netzliste (wie oben beschrieben) verglichen und beschreibt, wie die Leiterplatte verschaltet werden soll. Dieser Netzlistenvergleich ist der erste entscheidende Schritt im PCB-Tooling-Prozess und sollte niemals ausgelassen werden, egal wie eng der Zeitplan auch sein mag. Die Netzlisteninformationen müssen vollständig und korrekt sein (Stichwort: „garbage in, garbage out“). Wenn die Gerber-Netzliste und die CAD-Netzliste nicht übereinstimmen, sollten weitere Arbeiten unterbleiben, bis die Unterschiede beseitigt sind. Dieser Netzlistenvergleich ist eine wichtige Methode, um Fehler in den Designdaten frühzeitig zu vermeiden. Unterbleibt diese Maßnahme, führt dies häufig dazu, dass die Leiterplatten von Anfang an falsch und unbrauchbar sind. Ist die Netzliste erfolgreich abgeglichen, werden als Nächstes die Designvorlagen überprüft auf:

• korrekte Leiterbahnbreiten
• korrekte Abstände
• korrekte Ausrichtung aller Ebenen untereinander
• für die jeweiligen Bohrlochdurchmesser und -toleranzen angemessene Pad-Größen

Falls die Leiterplatte hergestellt wird, ist sie impedanzkontrolliert. Das Entwicklungsteam hat es versäumt, die Leiterbahnbreiten, Laminatdicken und Ausführungen anzugeben, die erforderlich sind, um die richtige Impedanz auf jeder Ebene zu erreichen. Front-End-Ingenieure setzen Tools zur Impedanzbestimmung ein, um diese wichtigen Informationen zu erhalten. Nach unserer Erfahrung ist es nicht ratsam, diesen kritischen Schritt dem Hersteller zu überlassen, denn er wird ihn nach seinem hauseigenen Verfahren durchführen. Dies kann dazu führen, dass zwei verschiedene Lieferanten mit demselben Datensatz völlig unterschiedliche Leiterplatten herstellen. Dies ist einer der Hauptgründe, warum wir in unseren Kursen und Schriften so viel Zeit in das Stackup-Design investieren. Ein Fehler kann hier viel Zeit, Geld oder verpasste Marktchancen kosten.

Werkzeugherstellung

Der nächste Schritt ist die Erstellung der Werkzeuge für die Fertigung. Dieser umfasst:

• Produktionsvorlagen für jede Lage
• Bohrdaten
• Prüfspezifikation
• Fräsprofile
• Beschichtungspläne
• Ätzpläne
• Aufbauanleitung
• Laminierungspläne 
• Qualitätsprüfungen

Jeder hier genannte Punkt wird im Folgenden beschrieben:

Die Produktionsvorlage besteht aus einem Film pro Leiterplattenschicht sowie aus mehreren Teilen für die Lötmaske und der Beschriftung bzw. dem Siebdruck der Außenlagen. Sie unterscheidet sich in folgenden Punkten von den Designvorgaben:

• Die Leiterbahnbreiten werden vergrößert, um die beim Ätzen auftretende Verengung zu berücksichtigen
• Die tatsächliche Größe der Vorlage wird geringfügig vergrößert, um die Schrumpfung des Materials während des Laminierungsprozesses zu berücksichtigen
• Um den Umfang herum werden zusätzliche Elemente für Fertigungswerkzeuge hinzugefügt. Dazu gehören:
• Passermarken und Aufnahmelöcher
• Teststrukturen
• Stege aus Harz, um den Harzfluss im Prepreg auszugleichen, wenn es beim Laminieren aufweicht

Abbildung 3 zeigt ein Detail der Innenschicht nach dem Auftragen des Schwarzoxids. Die Passermarken und Bohrungen für Aufnahmelöcher, die Harzsperren (das Muster aus schwarzen Punkten) und die Teststrukturen sind im Randbereich der Platte sichtbar.

Die Bohrdaten enthalten die Bohrdurchmesser und -koordinaten für alle Löcher, ob durchkontaktierte oder nicht durchkontaktierte. Sie sind so organisiert, dass der Bohrer möglichst effizient von Position zu Position fahren kann. Wenn Lochdurchmesser angegeben wurden, berechnet die Arbeitsvorbereitung die Bohrerdurchmesser, die erforderlich sind, um die endgültige Bohrung nach der Beschichtung zu erreichen. Es ist sehr sinnvoll, Anmerkungen zur Bohrergröße hinzuzufügen. Früher legte man die Größe der fertigen Bohrung fest und der Hersteller wählte dann einen für sein Verfahren geeigneten Bohrdurchmesser aus. Bei den heutigen Konstruktionen mit den engeren Abständen der Bauteilanschlüsse sind die Toleranzfenster geringer. Deshalb empfehlen wir, die Bohrergröße als Teil des Pad-Stack-Designs zu definieren und sie damit festzulegen. Dies führt dazu, dass der Bohrdurchmesser in der Bohrtabelle angegeben wird statt der Größe des fertigen Lochs. Wenn Laser-, kontrollierte Tiefenbohrungen oder Verfüllungen Teil des Designs sind, sind diese somit auch Bestandteil der Bohrdaten.

Zur Prüfspezifikation gehören die notwendigen Informationen für den Aufbau der Prüfvorrichtung, die Verdrahtungsregeln für diese Struktur und die Netzliste, mit der das Prüfgerät die korrekte Verbindung prüft.

Fräsprofile enthalten Anweisungen für eine Fräsmaschine, die die Leiterplatte aus dem Nutzen löst, in dem sie integriert war. Wenn die Platinen zur Erleichterung der Bestückung in einem Sub-Panel angeordnet werden, enthält die Vorgabe auch die Anordnung der Durchbrüche und Bohrungen, mit denen die Leiterplatte nach der Bestückung vom Nutzen getrennt wird. Abbildung 4 zeigt einen Nutzen mit neun kleinen Leiterplatten. Das Verfahren wurde entwickelt, um den Herstellungsprozess zu rationalisieren. Die hellen Bereiche stellen das Material dar, das mit der Fräse um die Leiterplatten herum entfernt werden muss. Nach der Bestückung wird jede Leiterplatte aus dem Nutzen gebrochen.

Abbildung 4. Ein Nutzen mit neun Leiterplatten, bereit zur Montage

Die Beschichtungspläne legen fest, welche Metalle auf die äußeren Schichten der Leiterplatte aufgebracht werden und wie lange der Nutzen in jedem Beschichtungsschritt verbleiben muss, um die erforderliche Schichtdicke zu erreichen. Es sei darauf hingewiesen, dass bei der Herstellung von Innenlagen keine Beschichtung erforderlich ist.

Ätzpläne beschreiben die erforderlichen Ätzschritte und die Verweildauer der Leiterplatte bzw. der Innenlagen in jedem Arbeitsschritt.

Aufbauanleitung beschreiben, wie die Innenlagen, Unterbaugruppen (oder Details), Prepreg-Lagen und Kupferfolien der Außenlage angeordnet werden, um den endgültigen Stapel zu erhalten. Dazu gehört auch die Angabe, wie viele Leiterplatten in einer Pressöffnung enthalten sein werden und wie sie getrennt werden sollen.

Die Laminierungspläne beinhalten den Druck, der während der Laminierung herrschen soll, das Temperaturprofil, die Dauer des Pressvorgangs und die Art der Kühlung der laminierten Leiterplatte.

Zusätzlich zu dem oben beschriebenen Netzlistenvergleich gibt es weitere Qualitätstests, die auf Kurzschlüsse und offene Stellen, Leiterbahnabstände und Durchkontaktierungen sowie den Abständen zwischen Vias und Lagen prüfen.

Zusammenfassung

Das Front-End-Engineering konzentriert sich auf alle notwendigen Schritte, die notwendig sind, um ein Leiterplattendesign in die Fertigung zu überführen. Hierbei handelt es sich um einen kritischen Schritt des Herstellungsprozesses, dessen Gründlichkeit sicherstellt, dass die hergestellte Leiterplatte mit dem Entwurf übereinstimmt.

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Referenzen:

1. Ritchey, Lee W. und Zasio, John J., „Right The First Time: a Practical Handbook on High Speed PCB and System Design”, Volume 2.