Kosteneffiziente PCB-Herstellung durch DFM und Panelisierung

Wenn Unternehmen Leiterplatten für die Fertigung in großen Stückzahlen entwickeln, suchen sie nach Möglichkeiten, die Herstellungskosten durch kleine Tricks und Kniffe zu senken. Das erfordert nur relativ geringen Aufwand, wenn die Details der Produktion schon in der Frühphase des Designprozesses eingehend diskutiert und bei der Leiterplattenentwicklung berücksichtigt werden (was daher äußerst empfehlenswert ist). Diese frühzeitige Optimierung des Layouts im Hinblick auf die geplanten Herstellungsverfahren wird im Allgemeinen als „fertigungsgerechte Gestaltung“ oder „Design for Manufacturing“ (kurz: DFM) bezeichnet.

Es gibt verschiedene DFM-Methoden, mit denen sich langfristig beträchtliche Einsparungen realisieren lassen. Meine bevorzugte Strategie besteht schlicht und einfach darin, schon früh den Kontakt zu den Fertigungsunternehmen zu suchen und mich über deren spezifische Fähigkeiten, Herausforderungen und Geschäftsmodelle zu informieren. Auf diese Weise kann ich mir ein Bild davon machen, welche Aspekte meines Designs sich einfach (und daher kostengünstig) umsetzen lassen und welche Elemente mit Mehraufwand (und entsprechend höheren Kosten) verbunden sind.

Davon profitierte ich beispielsweise vor einigen Jahren, als ich einen Verstärker für einen Lautsprecher designte und zunächst einen PCB mit rundem Formfaktor favorisierte, da dieser auf optisch ansprechende Weise direkt hinter das ebenfalls runde Chassis des Lautsprechers montiert werden konnte. Bei der Diskussion meiner Idee mit dem Hersteller stellte sich jedoch schnell heraus, dass PCBs mit einer (vermeintlich einfachen) runden Form in der Herstellung so teuer sind, dass dies die Wirtschaftlichkeit des Designs stark schmälert.

Daher entschied ich mich am Ende doch für ein rechteckiges Standarddesign, dessen Fertigungskosten erheblich niedriger lagen. Durch die entsprechende Anpassung meines Layouts konnte ich die Profitmarge des Endprodukts steigern und das Projekt zu einem erfolgreichen Abschluss bringen. 

Kostensenkungen durch Panelisierung

Ein mittlerweile weit verbreiteter DFM-Ansatz ist die sogenannte Panelisierung. Bei dieser Methode werden mehrere Leiterplattenlayouts auf einem größeren Substrat bzw. Panel aufgebracht und dann in dieser Form bestückt. Die gewünschten Einsparungen ergeben sich hier also aus der Möglichkeit zur gleichzeitigen Fertigung mehrerer PCBs.

Nach Abschluss des Herstellungs- und Bestückungsprozesses wird das Panel dann in die einzelnen Leiterplatten zerteilt. Auf diese Weise erhalten Sie auf einen Schlag eine ganze Menge fertiger und (hoffentlich) voll funktionsfähiger PCBs, die nur darauf warten, eingebaut und verkauft zu werden. Das klingt eigentlich recht einfach, oder? Doch nicht so schnell: Damit die PCB-Massenfertigung später möglichst reibungslos läuft und die gewünschten Einsparungen bringt, müssen bei der Panelisierung einige wichtige Feinheiten beachtet werden.

^{Paneltrennlinie in Form einer eingefrästen V-Nut}

Verschiedene Panelisierungsmethoden

Wie bei vielen Prozessen in der Elektronikbranche, gibt es auch bei der Panelisierung unzählige Möglichkeiten und Varianten. Da jeder Hersteller einen eigenen Ansatz hat, stehen Sie als Designer ein ums andere Mal vor der Wahl, ihr Design entsprechend anzupassen oder sich nach einem anderen Partner für die Fertigung umzusehen. Im Folgenden werden die drei gängigsten Verfahren erläutert:

Panelisierung mithilfe von V-Nuten: Bei diesem Ansatz werden die einzelnen Leiterplatten durch V-förmige eingefräste Nuten mit einer Tiefe von einem Drittel der Panelhöhe voneinander getrennt. Die spätere Vereinzelung wird dann von einer Maschine übernommen, die am besten für gerade Schnitte geeignet ist. Daher empfiehlt sich diese Methode vor allem für PCBs, die drei Voraussetzungen erfüllen: keine überhängenden Komponenten, keine abgerundeten Ecken und ein ausreichender Abstand der Bestückungsgrenze vom Leiterplattenrand.

Panelisierung durch Tab-Routing: Hier werden die Leiterplatten entlang ihrer Konturen ausgefräst – unter Beibehaltung einer Handvoll von Materialbrücken, die das Board bei der Fertigung und Bestückung des Panels sicher in Position halten. Diese Art der Panelisierung eignet sich nicht für Leiterplatten mit großen Transformatoren und anderen schwereren Komponenten, die die Vereinzelung stark verkomplizieren. Zugleich ist festzustellen, dass diese Methode die auf die Leiterplatten wirkenden Lasten senkt und dadurch das Risiko eines Absplitterns reduziert.

Panelisierung durch Tab-Routing mit perforierten Materialbrücken: Dieser Prozess ähnelt dem eben beschriebenen einfachen Tab-Routing. Allerdings werden hier die Materialbrücken zusätzlich mit kleinen Bohrlöchern perforiert, was die Vereinzelung stark erleichtert und außerdem ein höheres Maß an Kontrolle bietet, da der Bruchverlauf besser vorherzusehen ist. Indessen eignet sich diese Methode noch weniger für Leiterplatten mit schweren Komponenten, deren Eigengewicht zum Bruch der Materialbrücken führen kann.

Kostenfaktoren und Herausforderungen

Natürlich interessieren sich die meisten Designer letztlich weniger für die technischen Details der verschiedenen Verfahren als vielmehr für die damit verbundenen Kosten und Herausforderungen. Grundsätzlich gilt hier die Faustregel, dass Kosten und Aufwand von der Komplexität des zu fertigenden Designs abhängen und mit dieser wachsen. Außerdem ist zu beachten, dass eine auf Panelisierung basierende Fertigung die folgenden Herausforderungen mit sich bringt, die ebenfalls einen Einfluss auf die Kosten haben:

Vereinzelung: Bei Einsatz einer Fräse zur Vereinzelung der fertig bestückten Leiterplatten bleiben Späne und andere Rückstände auf der Oberfläche der PCBs zurück, die dann zu einem späteren Zeitpunkt in einem separaten, mit zusätzlichem Aufwand und Kosten verbundenen Arbeitsschritt entfernt werden müssen. Falls Sie statt einer Fräse eine Säge verwenden möchten, sollten Sie bei der Gestaltung der Kontur Ihrer Leiterplatte unbedingt berücksichtigen, dass hier nur gerade Schnitte möglich sind. Eine dritte Option ist der Einsatz eines modernen Lasers, der allerdings nur bei Leiterplattenstärken von 1 mm oder weniger zum Zug kommen kann, sodass Sie in diesem Fall nicht beliebig dicke mehrschichtige PCB-Designs erstellen können.

Bruchflächen: Die meisten Vereinzelungsverfahren hinterlassen raue Bruchflächen an den Seiten der Werkstücke – insbesondere im Fall von Panelisierung durch Tab-Routing mit perforierten Materialbrücken (siehe oben). Damit sich die vereinzelten PCBs gefahrlos handhaben lassen, müssen sie also an den fraglichen Stellen abgeschliffen werden, was wiederum zusätzlichen Arbeitsaufwand bedeutet.

^{Die Fertigungsprozesse eines Herstellers sind oft auf eine spezifische Art der Panelisierung ausgerichtet, was sich dann auch in Ihrem Design widerspiegeln muss.}

Überhängende Komponenten: Wie bereits erwähnt, können überhängende Komponenten die Zahl der für Ihr Design infrage kommenden Panelisierungsmethoden drastisch einschränken. Darüber hinaus ergeben sich in einem solchen Fall möglicherweise Probleme bei der Vereinzelung der fertigen PCBs, da hier die Gefahr besteht, dass der Fräskopf mit einem überhängenden Bauteil kollidiert und dadurch das gesamte Panel beschädigt. Es versteht sich von selbst, dass derartige Pannen mit unvorhergesehenen Kosten und Verzögerungen verbunden sind.

Möglichkeiten zur frühzeitigen Erkennung und präventiven Behebung potenzieller Probleme

Erfahrene PCB-Designer setzen auf verschiedene bewährte Methoden zur frühzeitigen Erkennung und Behebung potenzieller Probleme.

Wie bereits erwähnt, lässt sich mit einem nach DFM-Grundsätzen gestalteten Design auf effektive Weise sicherstellen, dass Panelisierung und Herstellung möglichst kosteneffizient ablaufen. Hierfür ist es unter anderem erforderlich, sich schon in der Frühphase des Designprojektes über die richtigen Fertigungsunternehmen und deren Herstellungsprozesse zu informieren. So können Sie Ihr Layout von Anfang an optimal für die Produktion auslegen.

Darüber hinaus lassen sich viele Herausforderungen rund um die automatisierte PCB-Fertigung leichter meistern, wenn Sie eine erstklassige Designsoftware verwenden. Beispielsweise bietet Altium Designer^® über das Feature „Embedded Board Array“ umfassende Funktionen für die PCB-Panelisierung. Damit können Sie auf einfache Weise ein Panel mit mehreren identischen oder verschiedenen PCB-Designs zusammenstellen. Und da die Ursprungsdesigns nicht einfach in das Panel kopiert, sondern mit diesem verknüpft werden, zeigen sich Änderungen an einem Ursprungsdesign unmittelbar im Layout des Panels.

Natürlich gibt es neben der Panelisierung noch viele weitere Möglichkeiten, Herstellungskosten einzusparen. Dennoch verdient dieser Punkt besondere Aufmerksamkeit, da Fehler hier schnell in unvorhergesehenen Mehrkosten oder sogar komplett fertigungsuntauglichen PCBs resultieren.

Deshalb sollten Sie unbedingt die hier – und in zahlreichen anderen Artikeln – vorfindlichen Ratschläge und DFM-Grundsätze beherzigen und während des gesamten Designprozesses auf eine fertigungsgerechte Gestaltung achten. Dadurch sparen Sie nicht nur Zeit, sondern können auch die Fertigungskosten und das Risiko nachträglicher Korrekturen senken.

Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, wie Altium Sie bei der Bewältigung Ihrer Herausforderungen rund um die Panelisierung unterstützen kann, sollten Sie noch heute mit einem unserer Experten sprechen.