Design-for-Manufacturing-Richtlinien für das PCB-Design: Wie das PCB-Routing die Lötstellen beeinflussen kann

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Vor einigen Wochen war ich bei einem Konzert zu Ehren des Big-Band-Dirigenten Stan Kenton. Ich liebe Big-Band-Jazz aus vielen Gründen. Einer davon ist die Zusammensetzung der Musiker und Instrumente innerhalb der Band. Meistens sind es 15 bis 20 Musiker mit verschiedenen Instrumenten, und jeder spielt einen anderen Part. Macht nur einer von ihnen einen Fehler, ruiniert er die Ausgewogenheit des ganzen Stücks, das der Komponist doch so sorgfältig arrangiert hat.

Die Bedeutung jedes einzelnen Mitglieds für die Harmonie der Band hat mich an die Wichtigkeit korrekt hergestellter Leiterplatten erinnert. Wenn nur ein Teil falsch verlötet ist, wird die fertige Leiterplatte intermittierende Fehler aufweisen oder gar nicht funktionieren. So wie ein Saxophon mit einem falschen Griff das ganze Stück ruinieren kann, droht einer Leiterplatte durch eine einzige schlechte Lötstelle das Aus. Zum Glück können Design-For-Manufacturing-Regeln (DFM) Ihnen helfen, schlechte Lötstellen auf Ihrer Leiterplatte zu vermeiden.

Ein Bereich, in dem DFM-Regeln Ihrer Leiterplatte dienlich sein können, wird Sie vielleicht überraschen. Wie Sie die Leiterbahnen auf Ihrem PCB routen, kann sich nämlich direkt auf etwaige Lötprobleme auswirken, und hier bieten die DFM-Regeln einige Anhaltspunkte. Sehen wir uns gemeinsam an, warum PCB-Routing Guidelines benötigt werden und wie Probleme wie etwa kalte Lötstellen und Grabsteineffekte auslöst werden, damit Sie diese Fallstricke in Zukunft vermeiden können.

Leiterbahnen mit spitzem Winkel

Als erstes Problem sehen wir uns spitzwinklige Leiterbahnverläufe an. Obwohl diese Situation nicht explizit ein Lötproblem verursacht, ist es ein Routingproblem, das in den DFM-Richtlinien für PCBs vermerkt ist.

Ein spitzer Winkel liegt dann vor, wenn Leiterbahnen einen Knick von mehr als 90 Grad aufweisen. Die Leiterbahn läuft dann auf sich selbst zurück. In dem durch den spitzen Leiterbahnenwinkel erzeugten Keil können sich während der Herstellung Ätzflüssigkeiten fangen. Diese Chemikalien werden nicht immer wie vorgesehen entfernt und fressen sich dann weiter in die Leiterbahn hinein. Dadurch kann die Leiterbahn irgendwann durchtrennt werden oder nur eine intermittierende Verbindung bilden.

_{Leiterbahn-Routing auf einer Leiterplatte}

Grabsteineffekte an Bauteilen infolge der Leiterbahnbreite

Grabsteineffekte entstehen, wenn ein kleines Bauteil mit zwei Pins (z. B. ein oberflächenmontierter Widerstand) beim Löten aufrecht auf einem seiner Pads steht. Die Ursache ist eine ungleichmäßige Erwärmung der beiden Pads bei der Reflow-Lötung. Die Seite, die zuerst schmilzt, zieht das Bauteil auf ihre Seite und verursacht so den Grabsteineffekt.

Einer der Faktoren, die diese ungleichmäßige Erwärmung verursachen können, sind unterschiedlich breite Leiterbahnen an den beiden Pads. Je breiter die Leiterbahn, umso länger braucht das mit ihr verbundene Pad, um sich zu erwärmen. Hat ein Pad des Bauteils eine sehr schmale Leiterbahn und das andere Pad eine sehr breite, entsteht wahrscheinlich ein Ungleichgewicht bei der Reflow-Lötung, wodurch das eine Pad vor dem anderen schmilzt.

Elektronik-Ingenieure wählen Stromversorgungs-Leiterbahnen oftmals zu breit, als dass der Hersteller sie zuverlässig löten könnte. Die Design-for-Manufacturing-Richtlinien für das PCB-Design geben Empfehlungen hinsichtlich der minimalen und maximalen Leiterbahnenbreiten für verschiedene Bauteilgrößen, aber dies löst vielleicht nicht Ihr spezielles Problem. Entscheidend für Sie ist es, die Anforderungen des Elektronik-Designs und der Herstellung so in Einklang zu bringen, dass Ihr Design beiden Seiten gerecht wird.

_{DFM-Regeln können Ihnen helfen, mit PCB-Routing Probleme bei der Herstellung Ihrer Leiterplatte durch gutes Design zu vermeiden}

Kalte Lötstellen beim PCB-Routing

Ein weiteres mögliches Problem beim Routing dickerer Leiterbahnen ist die Erzeugung kalter Lötstellen. Bei einer kalten Lötstelle ist das Lot entweder nicht richtig geschmolzen und hat keine gute Verbindung hergestellt, oder das Lot hat sich von der Verbindung zurückgezogen. Beim Herausführen einer breiten Leiterbahn aus einem Pad kann diese breite Leiterbahn das Lot vom Pad abziehen, wo es eigentlich benötigt wird um die Verbindung mit dem Bauteil herzustellen.

Die Lösung besteht in der Nutzung von Leiterbahnen, die schmäler als die Padgrößen sind. Einige DFM-Richtlinien empfehlen eine Leiterbahnbreite von nicht mehr als 0,010 mil, obwohl auch hier wieder ein Gleichgewicht zwischen Elektronik- und Mechanikdesign gefunden werden muss.

Natürlich enthalten die  Design-for-Manufacturing-Richtlinien für das PCB-Design mehr als nur die hier vorgestellten Empfehlungen für das PCB-Routing. Vielmehr helfen DFM-Richtlinien ebenfalls bei den richtigen Techniken zur Platzierung der Bauelemente, den Footprint-Größen und anderen Aspekten Ihres Designs. Dies trägt letztendlich dazu bei, dass Ihr Design möglichst fehlerfrei produziert werden kann. Eine Leiterplatte, bei deren Herstellung keine Fehler passieren, ist das Resultat eines guten, soliden Designs, ähnlich wie Stan Kentons Band, wenn sie eine fehlerfreie Interpretation von Intermission spielt.

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