Herstellungsrichtlinien für Anfänger im PCB-Design

Erstellt: November 8, 2017
Aktualisiert am: Dezember 8, 2020
Herstellungsrichtlinien für Anfänger im PCB-Design

Designprofis sprechen viel über Design- und Herstellungsrichtlinien, aber was genau sind diese und wie werden sie in Ihrer PCB-Designsoftware implementiert? In der Leiterplattenentwicklung hat Design zur Herstellung eine sehr einfache Bedeutung: Sie sollten Designentscheidungen nur dann umsetzen, wenn Sie sicherstellen können, dass diese mit maximaler Ausbeute hergestellt werden können. Diese trügerisch einfache Erklärung lässt vieles aus, und natürlich nehmen Sie an, dass Ihr Hersteller alles fertigen kann, was Sie in Ihrer Design-Software in ein PCB-Layout eingeben.

Die Wahrheit ist, dass verschiedene Fertigungsbetriebe unterschiedliche Fähigkeiten, Materialoptionen und kontaktlose Standard-Serviceoptionen besitzen. Es gibt einige sehr häufige vorkommende Fehler oder Versehen, die dazu führen, dass eine Leiterplatte nicht hergestellt werden kann und umfangreiche Neudesigns erforderlich werden. In diesem Artikel gehe ich auf einige der häufigsten Fehler ein, die neuen wie erfahrenen Designern unterlaufen können. Ich habe diese Fehler selbst gemacht, aber kann Ihnen sagen, dass Sie diese Fehler auch immer wieder ausbügeln und so sicherstellen können, dass Ihre Leiterplatte herstellbar ist.

Einige grundlegende Tipps zum PCB-Design für die Fertigung

Die Punkte, die ich im Folgenden skizzieren werde, beziehen sich fast ausschließlich auf zwei wichtige Bereiche:

  • Materialüberlegungen, insbesondere Kern-/Laminatmaterialien und Kupfergewicht
  • Fertigungsgrenzen, insbesondere Funktionsgrößen und Abstände in einem PCB-Layout

Lassen Sie uns vor diesem Hintergrund gleich loslegen und uns einige der grundlegenden PCB-Design- und Herstellungsrichtlinien ansehen, die Sie benötigen, um den Designerfolg sicherzustellen.

Erstellen Sie zuerst einen Lagenaufbau

Sie werden überrascht sein, wie leicht es ist, in Ihr neues Design einzusteigen und mit der Platzierung von Komponenten auf der Leiterplatte zu beginnen. Bei einfacheren Leiterplatten, die keine kontrollierte Impedanz, keine spezifische Buskapazität und kein dichtes digitales Routing erfordern, kann man einfach mit der Bestückung auf einer Leiterplatte mit gerader Lagenzahl und Standard-Lagendicke beginnen. Je nach Design kann es sein, dass die hergestellte Leiterplatte nicht die von Ihnen erwartete Funktionalität aufweist.

PCB-DFM-Richtlinien
Um sicherzustellen, dass Ihr Design auch herstellbar ist, können Ihnen PCB-Fertigungsbetriebe im Vorhinein eine entsprechende Tabelle für den Lagenaufbau zusenden.

Bei den meisten Entwürfen, selbst bei Mikrocontroller-Leiterplatten für den Hobbygebrauch, müssen Sie zumindest die Lagenanordnung und die Materialeigenschaften kennen. Wenden Sie sich per E-Mail an Ihren Hersteller und fordern Sie einen Standard-Lagenaufbau an, bevor Sie mit dem Entwurf von Leiterbahnen für digitale Busse oder von Leiterbahnen mit kontrollierter Impedanz beginnen. Andernfalls kann es sein, dass der Hersteller Ihre Leiterplatte mit einem Lagenaufbau herstellt, der nicht die von Ihnen erwarteten Funktionen bietet. Ein weiteres Risiko besteht darin, dass Sie einen Lagenaufbau erstellen, den der Hersteller nicht fertigen kann, meistens weil kein Material auf Lager ist, das Ihren Lagenaufbau-Spezifikationen entspricht.

Passen Sie das Kupfergewicht an Stromdichte und Laminate an

Wenn Sie Materialien auswählen oder einen Lagenaufbau genehmigen lassen, wundern Sie sich nicht, wenn Ihr Hersteller Ihr Kupfergewicht zurückweist. Sie müssen die Kupfergewichte verwenden, die im Materialsatz Ihres Herstellers verfügbar sind und können nicht einfach ein beliebiges Kupfergewicht angeben. Wenn Sie sich die Zeit genommen haben, das Kupfergewicht und die Leiterbahnbreite abzuschätzen, die Sie für eine bestimmte Stromdichte benötigen (z. B. bei Stromschienen), dann sollten Sie darauf achten, dass Sie das erforderliche Gewicht angeben, wenn Sie den Lagenaufbau mit Ihrem Hersteller festlegen.

Setzen Sie Kupfer-zu-Kupfer-Abstände durch

Wenn Sie ein neues PCB-Layout beginnen, wendet Ihre ECAD-Software eine Reihe von Standardabstandsregeln an, die konservative Werte für nahezu jede Leiterplatte darstellen. Diese Werte sind in der Regel viel zu konservativ, sodass es üblich ist, sie einfach zu ignorieren, ohne die richtigen Abstandswerte einzuprogrammieren, bevor mit dem Layout begonnen wird. Schlimmer noch, Sie geben möglicherweise zu kleine Werte ein, die zulassen, dass Sie Elemente zu dicht nebeneinander platzieren, sodass die Leiterplatte nicht hergestellt werden kann.

Polygonabstand
Beachten Sie das Polygon, welches in der Nähe dieser Leiterbahn platziert ist: Die DRC-Engine hat in diesem Fenster einen Abstandsfehler entlang der Leiterbahn markiert. Die Leiterbahn-zu-Polygon-Abstandsregel sollte dabei so eingestellt sein, dass die Elemente nicht zu nah beieinander liegen. Sonst kann es während der Fertigung zu einem unbeabsichtigten Kurzschluss zwischen den Elementen kommen.

Die Lösung: Informieren Sie sich über die Grenzwerte Ihres Herstellers, bevor Sie mit der Platzierung beginnen, und programmieren Sie diese Werte als Designregeln in Ihr PCB-Projekt. Wenn Sie sicherstellen möchten, dass Sie die häufigsten Verstöße gegen Abstände beachten, konzentrieren Sie sich auf diese Abstände:

  • Leiterbahn zu Leiterbahn
  • Leiterbahn/Pad zu Polygon
  • Leiterbahn zu Pad 
  • Pad zu Pad

Die letzten beiden Punkte gelten für SMD-Pads und Landing-Pads mit Durchkontaktierungen (Vias oder Bauteilanschlüsse). Beachten Sie, dass diese Werte bei schwerem Kupfer größer sind, da eine Ätzkompensation erforderlich ist.

Überlappende Bohrlöcher

Wenn Sie die vorherigen Abstandsrichtlinien befolgt und die Mindestabstände von Pad-zu-Pad festgelegt haben, dann haben Sie sich möglicherweise bereits mit dieser Design- und Herstellungsrichtlinie befasst. Wenn die Bohrlöcher zu nahe beieinander liegen, kann es passieren, dass sie sich überlappen, weil der CNC-Bohrer wandert. Jeder Bohrtreffer weicht leicht von der idealen Trefferposition ab, was bei der Platzierung von Vias und Durchgangsbohrungen berücksichtigt werden muss.

Beachten Sie, dass die Einhaltung der Pad-zu-Pad-Abstände für Vias und Durchgangsbohrungen noch keine Garantie dafür ist, dass Sie auch den Bohrtrefferabstand einhalten. Angenommen, Sie platzieren eine 10 mil Via mit einem 12 mil Pad. Wenn Ihr Pad-zu-Pad-Abstandslimit nur 5 mil beträgt, Ihr Bohrer-zu-Bohrer-Abstand aber 10 mils, dann verletzen Sie das Bohrtrefferlimit um 3 mils, wenn Sie nur das Pad-zu-Pad-Limit berücksichtigen.

Ein ähnliches Problem kann zwischen Bohrtreffern auftreten, die durch eine Fläche verlaufen, wie z. B. die Leiterplatten-Lötflächen und der GND-Flächenabstand, die wir unten dargestellt haben. Die beiden grünen Bereiche zeigen den Abstand zwischen der Via-Wand und einer Fläche für diese Netze/Signale; der hier verbliebene Splitter ist sehr klein und nicht herstellbar. Das nachstehende Beispiel ist ein Fall, bei dem ein solcher Herstellungsfehler zwar nicht dazu führt, dass das Gerät nicht mehr funktioniert, aber im Allgemeinen muss das nicht immer so sein. Würde sich ein solcher Defekt auf der Oberflächenlage zwischen zwei Durchgangsbohrungen befinden, bestünde die Gefahr von Brückenbildung beim Löten, da die schmale Kupferstruktur bei der Herstellung wahrscheinlich weggeätzt würde.

Abstände gemäß den PCB-DFM-Richtlinien
Der enge Abstand zwischen diesen beiden Durchkontaktierungen hinterlässt einen sehr kleinen Kupfersplitter auf der Kupferlage. Dieser wird überätzt und erscheint nicht auf der fertigen Leiterplatte.

Die auf der Hand liegende Lösung ist hier, einfach ein größeres Pad zu verwenden. Das ist genau das, was Sie tun würden, um die grundlegenden IPC-Klassenanforderungen zu erfüllen. Verwenden Sie eine Pad-Mindestgröße von (Bohrdurchmesser) + 8 mils, um sicherzustellen, dass Sie fast immer die Bohrer-zu-Bohrer-Abstandsgrenze einhalten.

Kleine Funktionsgrößen

Wenn Sie anfangen, Komponenten und Leiterbahnen in eine Leiterplatte zu packen, könnten Sie versucht sein, Leiterbahnen, Bohrtreffer und Pads unnötig klein zu machen. Die Abstandsregeln schränken bereits ein, wie eng Sie alles packen können, aber eine ebenso wichtige Designanforderung ist die Mindestfunktionsgröße. Die beiden häufigsten Punkte, die Sie ansprechen müssen, sind Mindestlochgrößen und Leiterbahnbreiten. Dieser Punkt ist so einfach wie das Nachschlagen von Hersteller-Funktionsgrößen und das Programmieren dieser Größen in Ihre Designregeln. Typische Herstellungsgrenzen, die für die meisten Leiterplatten gelten, sind 4 mil Leiterbahnbreite und 6 mil Bohrlochbreite. Für viele einfachere Leiterplatten, die keine kontrollierte Impedanz benötigen, empfiehlt es sich, eine Leiterbahnbreite von 8 bis 10 mil und einen Bohrdurchmesser von 10 mil zu verwenden.

Lötmasken-Splitter

Dies ist ein oft übersehener Aspekt der Bestückung, der sicherstellen soll, dass die Lötmaskenöffnungen zuverlässig als Damm gegen geschmolzenes Lot fungieren können, das zwischen zwei benachbarte Komponenten fließt. Auch wenn die Abstände zwischen den Pads angemessen sind, kann eine zu große Lötmaskenöffnung auf einem NSMD-Pad einen sehr dünnen Lötmaskenkanal zwischen den Pads hinterlassen.

Splitterfehler der Lötmaske
Dieser übriggebliebene Lötmaskensplitter (zwischen Q9 und Q10) ist nicht herstellbar, denn er ist einfach zu dünn. Der Abstand zwischen den Pads ist jedoch immer noch ausreichend. Hier besteht die Lösung darin, die Lötmaskenöffnung bei diesen Pads auf 0 mil zu reduzieren. Möglicherweise müssen Sie auch den Abstand zwischen diesen Komponenten um einige Mils vergrößern.

Eine typische Mindestanforderung für Lötmaskensplitter beträgt hier 5 mil. Wenn der Lötmaskensplitter unter der Herstellergrenze liegt, kann er nach dem Aushärten abbrechen und einen Kanal erzeugen, in dem zwei Pads mit Lot überbrückt werden könnten. Die Lösung besteht hier darin, zusätzliche Abstände anzubringen oder die Öffnung der Lötmaske auf dem betroffenen Pad so zu verkleinern, dass ein ausreichend großer Splitter übrig bleibt.

Überlappender Siebdruck

Nachdem die Platzierung und das Routing abgeschlossen sind, sollte der Siebdruck überprüft werden, um sicherzustellen, dass sich die Referenzkennzeichen nicht überlappen. Falls dies der Fall sein sollte, können Sie diese im PCB-Layout verschieben, bis alles klar ist. Obwohl dies technisch gesehen keine Voraussetzung für eine erfolgreiche Fertigung oder Bestückung ist, wird ein gewissenhafter Hersteller dies bei einer Designüberprüfung dennoch als Problem kennzeichnen.

Ein schwerwiegenderes Problem ist das Überlappen des Siebdrucks mit Pads/Löchern, auf die das Lot aufgetragen wird. Überprüfen Sie dies entweder mit einem 3D-Modellbetrachter oder indem Sie sich die Gerbers direkt ansehen.

Die obige Liste von Richtlinien sollte die häufigsten DFM-Probleme enthalten, die fast alle Designs betreffen können. Wenn Sie die oben genannten Richtlinien in Ihren Projekten umsetzen, werden sie Teil des normalen Designprozesses. Sobald diese Punkte in Ihre Designregeln einprogrammiert sind, können Sie diese jederzeit im Rahmen eines Design-Reviews überprüfen, bevor Sie Ihre Leiterplatte in Produktion geben.

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