Wie Saatkörner in einer Reihe pflanzen – SMT-Bauteilbestückungstoleranz auf Platinen

In diesem Frühjahr half mir mein 5-jähriger Neffe bei der Aussaat einiger Pflanzenkeime. Es machte ihm sichtlich Spaß, die Samen in die Blumenbeete zu werfen, aber er achtete nicht wirklich darauf, wo sie landeten – die meisten auf dem Gehweg. Ich beschloss daher, bevor ich ihn weitermachen ließ, etwas Gartenband, um die Bettränder herum anzubringen. Dies half dem kleinen Kerl, den größten Teil des Saatguts wenigstens in die richtigen Bereiche zu befördern. Nachdem das Blumenbeet in Schuss war, gönnten wir uns zur Abkühlung einen leckeren Saft.

Die Episode brachte mich dazu, über Flachbaugruppen und die Verbindung von Design und Fertigung nachzudenken: Virtuelle Bauteile auf dem Bildschirm und ihre Bestückungsplätze werden zu realer Hardware, die von Bestückungsautomaten an vordefinierten Positionen mit einer Genauigkeit von wenigen Mikrometern auf der Leiterplatte platziert werden. Doch wenn die Stücklistensoftware und die Bauteilebibliothek die Hardware-Komponenten nicht akkurat beschreiben, sodass der Einkauf diese richtig beschaffen kann, und die Maschinen in der Fabrik nicht wissen, wo diese zu platzieren sind, dann verkümmert Ihr Design.

Es gibt einige wenige Abmessungen und deren Platzierungstoleranzen, die Sie daher beim Leiterplattenentwurf beachten müssen. Der Bereich, in dem Ihre Bauteile platziert werden sollen, muss definiert und begrenzt werden. Dieser wird aus den maximalen Toleranzwerten für die Grundfläche und den Umriss Ihres Bauteils bestimmt, die im Datenblatt zu finden sind. Anhand dieser Maße wird in der Bauteilebibliothek das Anschlussmuster (Footprint) und der Platzbedarf (auch „Courtyard-Zone“ oder „Abstandszone“) für jedes Bauelement definiert.

Vom PCB-Footprint zum PCB-Landemuster

Eine Leiterplatte beginnt mit einem Schaltplan, der vom Konstrukteur ausgewählte Bauelemente enthält. Jedes dieser Bauteile hat seine Abmessungen, die im jeweiligen Datenblatt zu finden sind, einschließlich IPC-konformen Eigenschaften – wie z. B. das Footprint, anhand dessen Sie das Landemuster festlegen.

Das Landemuster wird auf Basis der Bauform und des Footprints des Bauteils erstellt. Die Abmessungen sind dafür im Datenblatt als Minimal-, Nominal- und Maximalabmessungen angegeben. Zur Bestimmung der Courtyard-Zone werden die maximalen Abmessungen der betreffenden Bauform verwendet. Dies stellt sicher, dass genügend Toleranz vorhanden ist, damit später alle Bauteile auf die Leiterplatte passen.

Der SMT-Courtyard-Zone umfasst die Bauteilform und das Landemuster
 

Verwendung der Maximaltoleranzen für Fertigungsgenauigkeit und korrekte Montage

Nun, da Sie die IPC-konformen Maximalwerte für die Grundfläche zusammen mit denen der Bauteilform definiert haben, erhalten Sie Ihre Courtyard-Zone. Sie ist die maximale Fläche, die benötigt wird, um ein Bauteil mit all seinen Abmessungen einschließlich Landemuster auf der Leiterplatte zu platzieren.

Und da jedes Bauteil seine eigene Platzierungskoordinaten auf der Leiterplatte hat, können die Bestückungsautomaten die Komponenten während der Montage an die richtige Stelle setzen. Die SMT-Toleranzanalyse beinhaltet Fertigungsdetails wie die Art der Lötung und die für eine genaue Montage erforderlichen mechanischen Sperrflächen. Die Herstellung der Leiterplatte ist möglich, da diese Toleranzen zur Definition der Courtyard-Zone für SMT-Komponenten verwendet wurden, um eine einwandfreie Montage innerhalb der Leiterplattengrenzen zu erreichen.

Verwendung Ihrer PCB-Design-Software für ein optimales PCB-Layout

Wenn Sie das nächste Mal ein PCB-Layout erstellen und dabei die Bestückungstoleranz für SMT-Bauteile berücksichtigen, denken Sie an die Bauteilanzahl und -typen, die Sie in Ihrem Design verwenden wollen. ActiveBOM kann Ihnen helfen, alle Bauteile Ihres Entwurfs an einem gemeinsamen Ort zu organisieren. Bedenken Sie auch die mechanischen Abmessungen, die Ihnen vom Produktteam für Ihre Leiterplatte zugestanden wurden. Diese definieren die Grenze, innerhalb der Sie Ihre Bauteile platzieren können.

Nachdem Sie die SMT-Bauform gewählt haben, können Sie mithilfe eines PCB-Bauteilassistenten oder eines Ihrer Bauteilverwaltungssysteme die Courtyard-Zone für Ihr SMT-Bauteil festlegen. Da jedes Bauteil seinen vorgesehenen Platz auf der Leiterplatte hat, kann jedem eine eindeutige Ausrichtung auf der Leiterplatte zugewiesen werden. Dies verbessert die Platzierungsgenauigkeit jedes einzelnen Bauteils und erleichtert die präzise Fertigung und Montage.

Es ist ganz klar zu definieren, wo jedes einzelne SMT-Bauteil innerhalb der Leiterplattenperipherie platziert werden soll. Die Verwendung der in Ihrer PCB-Designsoftware verfügbaren Werkzeuge unterstützt Sie bei der Visualisierung Ihrer Gegebenheiten und sorgt dafür, dass Sie innerhalb der vorgesehenen Fläche bleiben.

Ein PCB-Bauteilassistent oder andere Bauteilverwaltungssysteme unterstützen Sie bei Ihren Designs erheblich.
 

Wenn Sie darüber nachdenken, welche PCB-Designsoftware für Sie infrage kommen könnte, dann behalten Sie die Bedürfnisse Ihrer Designumgebung im Auge und denken Sie an die Notwendigkeit, mit anderen Mitgliedern Ihres Teams zu kommunizieren. Glücklicherweise tragen BOM-Tools dazu bei, etwaige Kommunikationslücken zu schließen und sicherzustellen, dass dabei keine Fehler passieren.

Innerhalb der leistungsstarken PCB-Design-Software von Altium steht das ActiveBOM-Tool zur Verfügung. Es erlaubt eine Echtzeit-Aktualisierung vom Schaltplan, Layout und Stücklisten mit konsistenter Berücksichtigung von Änderungen der Bauteilverfügbarkeit und der Bauteilpreise. Dadurch wird Ihre Lieferkette bei der Verwaltung der Bauteilbeschaffung unterstützt.

Zu wissen, wie man fertigungsgerecht entwickelt, ist eine Seite der Herausforderung; die andere ist, über die Software-Werkzeuge zu verfügen, die für das Design benötigt werden. Wenn Sie neugierig darauf sind, wie Sie Ihren Designprozess mit fortschrittlichen BOM-Tools weiter optimieren können, sprechen Sie noch heute mit einem Altium-Experten.