Tipps für ein erfolgreiches DFM für Ihre Leiterplatte

Jason J. Ellison
|  Erstellt: January 6, 2022
Tipps für ein erfolgreiches DFM für Ihre Leiterplatte

Wenn Sie einen Altium Blog lesen, dann haben Sie wahrscheinlich schon einmal Leiterplatten entworfen oder hergestellt. Wenn es Ihnen wie mir geht, ist es eine bittersüße Erfahrung, ein Design zur Fertigung zu schicken. Einerseits werden Sie bald die Hardware in den Händen halten, an deren Entwicklung Sie hart gearbeitet haben. Andererseits wissen Sie, dass die Fertigungsstätte eine Liste von DFM-Anfragen schicken wird, und die bereiten gewöhnlich Kopfzerbrechen. In diesem Artikel werden wir diskutieren, welche wichtigen Designmerkmale zu implementieren sind und welche Schritte vor der Fertigung unternommen werden müssen, um den DFM-Prozess zu optimieren. Ich werde auch Beispiele dafür geben, wo ich diese DFM-Probleme bei Signalintegritätsschaltungen häufig sehe.

Beginnen Sie mit einem guten Lagenaufbau

Viele Ingenieure wählen ein Material auf der Grundlage der physikalischen Eigenschaften des Laminats aus und vergessen dabei, dass das Laminat nur in begrenzten Dicken erhältlich ist. Daher muss der Lagenaufbau nach den verfügbaren Optionen und nicht auf der Grundlage beliebig gewählter Dicken entworfen werden. Wenn Sie nicht mit diesen begrenzten Dicken arbeiten, müssen Sie möglicherweise erhebliche Änderungen an der Leiterbahngeometrie vornehmen, sobald die Fertigungsstätte einen realisierbaren Lagenaufbau empfiehlt. Wenn Sie z. B. eine Stripline-Leiterbahn nach einer willkürlich gewählten Masseflächenseparation von 8 mil (zwei 4-mil-Dielektrikumsschichten) entwerfen und die Fertigungsstätte Ihnen mitteilt, dass das Material nur in 5-mil-Stufen erhältlich ist, muss der Abstand zwischen Ihren Leiterbahnen möglicherweise deutlich größer oder kleiner sein, um die Impedanz beizubehalten. Dies ist besonders problematisch, wenn die Dichte des Designs bereits grenzwertig ist.

Um dieses Problem zu vermeiden, sollten Sie sich mit dem Hersteller in Verbindung setzen, bevor Sie mit dem Layout beginnen, und ihm mitteilen, wofür Sie die Platine benötigen. Dabei sollten Sie mindestens den beabsichtigten Frequenzbereich, den die Leiterplatte unterstützen soll, die Anzahl der Lagen und die angestrebte Gesamtdicke angeben. Details wie die anvisierte Dielektrizitätskonstante für die Impedanzkontrolle, die Größe der Leiterplatte und die vorgesehene Endanwendung sind für die Fertigungsstätte sehr hilfreich, um die möglichen Optionen einzugrenzen. Die Wahl eines Materials, mit dessen Herstellung die Fertigungsstätte vertraut ist, ist ebenfalls hilfreich, wenn man beim ersten Versuch gute Ergebnisse erzielen möchte.

Nutzen Sie IPC-A-610

ICP-A-610 ist Ihr bester Freund, wenn es darum geht, die wichtigsten Punkte für eine problemlose Herstellung Ihrer Platine zu verstehen. Das Dokument ist relativ preiswert, und wenn Sie noch kein Exemplar haben, empfehle ich Ihnen, sich eines zu besorgen [1]. Gemäß dieser Norm werden die Leiterplatten in drei Klassen eingeteilt. Klasse 1 ist für Wegwerfartikel gedacht, bei denen die Ausfallrate nicht sehr wichtig ist. Klasse 2 ist für Elektronik, bei der Zuverlässigkeit eine Rolle spielt, und die einen Herstellungsprozesses erfordert, der eine geringe Ausfallrate gewährleistet. Klasse 3 ist für Geräte, bei denen es keine Ausfallrate geben darf, und das klassische Beispiel dafür ist ein Herzschrittmacher. Die geforderten Spezifikationen dieser Klassen unterscheiden sich im Hinblick auf die Sicherheitsmarge, die eingebaut wird, um PCB-bedingte Fehlermöglichkeiten zu kompensieren, sowie im Hinblick auf die entsprechenden Designkriterien, die sich aus den physikalischen Einschränkungen des PCB-Fertigungsprozesses an einer bestimmten Fertigungsstätte ergeben.

Bei den meisten Geräten sollten Sie einen Fertigungsvermerk auf Ihrer Bohrplanlage anbringen, der besagt: "Diese Leiterplatte ist gemäß ICP-A-610 Klasse 2 zu fertigen." Damit wird der Leiterplattenhersteller angewiesen, dafür zu sorgen, dass alle Ihre Designs dieser Norm entsprechen. Aber ich verrate Ihnen ein kleines Geheimnis über die Fertigungsstätten: Dort werden alle Designs gemäß ICP-Klasse 2 geprüft. Das wird schon allein deswegen gemacht, weil der Hersteller sicherstellen will, dass Sie Ihre Platine nicht wegen Mängeln retournieren. Da der Hersteller also Ihre Leiterplatte sowieso nach den Kriterien der ICP-Klasse 2 prüft, sollten Sie sicherstellen, dass das Artwork den Spezifikationen dieser Klasse entspricht, bevor Sie Ihr Design an die Fertigung schicken. Das mag belanglos klingen, aber dies ist das häufigste Problem, von dem mir Ingenieuren berichten.

Die Einhaltung der meisten IPC-Vorgaben erfordert nur etwas gesunden Menschenverstand. Zum Beispiel sollte kein Siebdruck auf Kupferbahnen oder keine Lötmaske auf SMT-Pads aufgebracht werden. Es gibt jedoch auch einige Dinge, die leicht zu übersehen sind. Diese Kriterien werden in der Regel übersehen, weil sich der Designer auf einen anderen Aspekt des Designs konzentriert, z. B. auf die Signal- oder Leistungsintegrität, anstatt auf die Herstellbarkeit.

Restringgröße

Im ICP-Dokument wird der Bohrausbruch beschrieben und quantifiziert. Um einen Ausbruch zu verhindern, sehen die meisten Fertigungsstätten vor, dass der Restring um eine Durchkontaktierung einen um 12 mils größeren Durchmesser als der Bohrer haben muss. Dieses Problem tritt in der Regel bei Artwork für Koaxialstecker oder serielle Hochgeschwindigkeitsstecker auf. Für die Signalintegrität ist dieses Pad nur lästig und sollte grundsätzlich minimiert werden. Ingenieure, die sich auf Signalintegrität konzentrieren, versuchen in der Regel, dieses Maß auf 8 mils zu bringen, und das ist auch möglich. Allerdings sind nicht alle Fertigungsstätten in der Lage, dies umzusetzen.

Abbildung 1. 20-mil-Bohrung (bei 2,4-mil-Durchkontaktierung) mit einem 32-mil-Restring.
Abbildung 1. 20-mil-Bohrung (bei 2,4-mil-Durchkontaktierung) mit einem 32-mil-Restring.

Bohrungen

Abstand zwischen Leiterbahn und Bohrung

Der Nennabstand zwischen dem Kupfer einer beliebigen Lage und der Kante eines Bohrlochs darf nicht weniger als 8 mils betragen. Damit soll sichergestellt werden, dass der Bohrer nicht wandert und mit einem anderen Netz in Berührung kommt. 8 mils ist recht wenig und der derzeitige Stand der Technik führt zu einer immer höheren Schaltungsdichte, die die Einhaltung dieser Vorgabe zu einem ständigen Kampf macht. Der Schlüssel zum Erfolg liegt hier in der vorausschauenden Planung, der Schaffung von Routing-Kanälen innerhalb Ihres Designs und der entsprechenden Gestaltung Ihrer Leiterbahnen. Nehmen wir an, Sie haben zwei Reihen von Durchkontaktierungen, die durch 10-mil-Bohrungen gebildet werden, und die Reihen liegen auf einer 40-mil-Mittellinie. Ihr Routingkanal beträgt dann 30 mil minus 8 mil auf jeder Seite für DFM, also 14 mil. Wenn Sie zwei Leiterbahnen unterbringen müssen, können Sie 5 mil lange Leiterbahnen mit einem Abstand von 4 mils verwenden. Bei Signalintegritätsanwendungen kommt dies häufig vor, wenn Backplane-Steckverbinder verwendet werden. Bei AirMAX TM [2] zum Beispiel hat der Steckverbinder Reihen von Durchkontaktierungen, die durch 24-mil-Bohrungen (0,6 mm) mit einer 80-mil-Mittellinie (2 mm) gebildet werden. Damit beträgt der Routing-Kanal maximal 40 mil (80 - 24 - 8 - 8), wie in der folgenden Abbildung dargestellt.

Abbildung 2. 10/10/10-Leiterbahn, die durch ein Durchkontaktierungsfeld mit 2 mm Abstand geroutet wird. 
Abbildung 2. 10/10/10-Leiterbahn, die durch ein Durchkontaktierungsfeld mit 2 mm Abstand geroutet wird. 

Abstand zwischen den Bohrungen

Der absolut kürzeste Abstand zwischen den Bohrungen bringt Komplikationen mit sich. Der Bohrer wackelt bei seiner Drehung und erzeugt dadurch seine Positionstoleranz, die als Bohrerwanderung bezeichnet wird. Der Bohrer wird auch durch die nicht harzhaltigen Bestandteile des Laminats (Glasgewebe, Gewebe oder Keramik) herumgeschoben. Die Position der Bohrung ändert sich dann auf dem Weg durch die Platine. Dies wird als Drill Walking bezeichnet. Um den Abstand zwischen den Bohrlöchern konservativ abzuschätzen, können Sie die folgende einfache Formel verwenden:

Minimaler Abstand Bohrung-zu-Bohrung = Bohrerdurchmesser*2

Der Multiplikator 2 ergibt sich aus zwei anderen Werten, die sich auf den Lagenaufbau und das Material beziehen. Dieser Wert kann niedriger sein, und wenn Sie eine engere Durchkontaktierungsdichte benötigen, wenden Sie sich an die Fertigungsstätte, um deren Mindestwert in Erfahrung zu bringen.

Maximale Bohrungsgröße

Wie bereits erwähnt, gibt es beim Bohren natürlich Grenzen. Neben den bereits angeführten Aspekten hängt die maximale Bohrungsgröße auch von der Dicke der Leiterplatte ab. Diese Einschränkung wird als Aspect Ratio bezeichnet. Die Aspect Ratio ist abhängig von der jeweiligen Fertigungsstätte und sollte in deren öffentlich zugänglichen Leistungsdokumenten angegeben sein. In der Regel können die Fertigungsstätten die Platine 12-mal dicker machen als das kleinste Bohrloch. Je nach Fertigungsstätte kann dieses Problem dadurch gelöst werden, dass von beiden Seiten gebohrt wird. Damit lässt sich die Aspect Ration praktisch verdoppeln. Nachfolgend finden Sie eine Tabelle mit den maximalen Leiterplattendicken für bestimmte Mindestbohrgrößen, damit Sie sich leicht orientieren können.

Tabelle 1. Maximale Leiterplattendicke für Mindestbohrgrößen und Aspect Ratios.
Tabelle 1. Maximale Leiterplattendicke für Mindestbohrgrößen und Aspect Ratios.

Die Aspect Ratio ändert sich auch, je nachdem, ob Ihre Durchkontaktierung eine fertige Bohrungsgröße benötigt oder ob die fertige Bohrungsgröße "egal" ist. Zum Beispiel sind 9,7-mil-Bohrungen (0,25 mm) für verschiedene geerdete Durchkontaktierungen sehr üblich, und diese Bohrungen müssen keine fertige Bohrungsgröße haben. Moderne Steckverbinder für 56 Gb/s und mehr haben jedoch 17,7-mil-Bohrungen (0,45 mm), bei denen die fertige Bohrung in einem akzeptablen Bereich liegen muss. Daher wird der 17,7-Millimeter-Bohrer wahrscheinlich der Aspect Ratio 12:1 und der 9,7-Millimeter-Bohrer der Aspect Ratio 20:1 entsprechen. Dadurch wird die Leiterplatte auf etwa 194 mil (5 mm) begrenzt.

Zusammenfassung

Um Ihre Leiterplatte problemlos durch die Fertigung zu bringen, sollten Sie das Design auf den Herstellungsprozess abstimmen. Wenn Sie mit der obigen Anleitung beginnen, haben Sie schon viel erreicht. Es wird wahrscheinlich noch andere Probleme geben, die in diesem Blog nicht behandelt werden. Wenn diese auftreten, notieren Sie sie und erstellen Sie weitere Regeln für sich und Ihr Unternehmen für die nächste Fertigung. Das wird Ihnen Wochen an DFM-Aufwand ersparen und vielleicht sogar ein paar Dollar für Ibuprofen.

[1] Website auf der Sie IPC-A-610 kaufen können: https://shop.ipc.org/IPC-A610G-English-D
[2] AirMAX-Steckverbinder: https://www.amphenol-icc.com/airmax-10016527101lf.html

Möchten Sie mehr darüber erfahren, wie Altium Ihnen bei Ihrem nächsten PCB-Design helfen kann? Sprechen Sie mit einem Experten von Altium oder informieren Sie sich über Design- und Herstellbarkeitsrichtlinien.

Über den Autor / über die Autorin

Über den Autor / über die Autorin

Jason J Ellison received his Masters of Science in Electrical Engineering from Penn State University in December 2017.
He is employed as a signal integrity engineer and develops high-speed interconnects, lab automation technology, and calibration technology. His interests are signal integrity, power integrity and embedded system design. He also writes technical publications for journals such as “The Signal Integrity Journal”.
Mr. Ellison is an active IEEE member and a DesignCon technical program committee member.

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