Top 5 Tipps für das Design für die Fertigung für 2019

Kürzlich, als ich durch einen bedeutenden Blog der Elektronikindustrie blätterte, stieß ich auf einen Artikel über die 10 häufigsten Fehler beim „Design für die Fertigung“. Ich las den Artikel in der Annahme, er könnte interessant und einfallsreich sein, doch zu meiner Überraschung war er im Wesentlichen eine Kopie eines Artikels, den ich vor 10 Jahren gelesen hatte, welcher selbst eine Wiederaufbereitung eines fast 10 Jahre älteren Artikels war. Ich bin kein Fan davon, alte Artikel neu aufzulegen und sie als „neuen“ Inhalt zu kennzeichnen, da dies eine hervorragende Methode ist, falsche Faustregeln oder noch schlimmer, ungültige „Branchenbestpraktiken“ zu schaffen und weiterzuführen. Die Elektronikindustrie verändert sich so schnell, dass die meisten Inhalte, die vor über einem Jahrzehnt geschrieben wurden, heute veraltet sind. Lassen Sie uns einen Blick auf einige der Top-Fehler werfen, die in diesen Artikeln erwähnt wurden, und sie beleuchten, um dann einige tatsächliche Top-Tipps zu betrachten, die den heutigen Industriestandards entsprechen.

Top-Fehler in Top-Fehlern

Vermeiden Sie spitze Winkel

Wir befinden uns nun in der zweiten Hälfte des Jahres 2019; wir leben in einer Zeit, in der selbst die billigsten, trivialsten Prototypen-PCBs einer Flying-Probe-Prüfung unterzogen werden, um Platinen, die elektrische Fehler aufweisen, auszusortieren, selbst wenn das Problem beim Ätzprozess lag. Der größte Fehler, vor dem uns ein älterer Artikel warnte, den wir vermeiden sollten, waren spitze Winkel, da sie Säurefallen erzeugen können. Wenn Sie einen Tonertransfer und Heimätzung verwenden, könnte dies zutreffen, aber mit modernen Herstellungsverfahren wird dies kein Problem darstellen.

Fotoaktivierte Ätzlösungen, die auf Platinen mit fotoaktivierten Resist-Schichten verwendet werden, sind in Platinenfabriken sehr verbreitet. Diese Ätzmittel erzeugen scharfe, präzise Merkmale, und wenn das Ätzmittel sich ansammelt, bekommt es nicht genug Licht, um aktiviert zu werden. Sie können sogar sehr leicht fotoaktivierte Resist-Schichten zu Hause verwenden. Zeitgenössische Ätzprozesse machen Säurefallen viel weniger riskant, als sie es jemals in der Vergangenheit waren.

Via-in-Pad vermeiden

Ich stimme im Allgemeinen zu, dass Via-in-Pad ein Fehler ist. Der Artikel hat jedoch ein Beispiel verwendet, in dem das Via-in-Pad aus thermischen Gründen tatsächlich hätte verwendet werden sollen. Viele Hochstromgeräte erfordern Via-in-Pad in dem Maße, dass der Hersteller es für den Footprint empfiehlt. Es ist der einzige Weg, um die Wärme effizient genug vom Gehäuse abzuleiten.

Der Artikel behauptete, dass, wenn man ein Via-in-Pad verwendet, es das gesamte Lötzinn wegziehen und einen trockenen Lötanschluss hinterlassen würde. Das ist zu 100% wahr; die Kapillarwirkung wird tatsächlich Lötzinn durchziehen, jedoch wird das Abdecken des Vias auf beiden Seiten dies vollständig verhindern. In spezifischen Fällen, wenn man wirklich keine Lötstopplack auf seinem Pad haben möchte, kann man nur die gegenüberliegende Seite des Vias zum Pad abdecken. Dies funktioniert für Vias bis zu 0,4mm ziemlich zuverlässig, aber wenn man immer noch zögert, kann man auch etwas Siebdruck auf die gegenüberliegende Seite des Vias hinzufügen, um sicherzustellen, dass das Via vollständig abgedeckt ist.

Übrigens, es sind nicht nur Vias auf dem Pad, mit denen Sie vorsichtig sein müssen. Wenn Sie ein Via, das nicht abgedeckt wurde, sehr nah an einem Pad platzieren, kann es auch Lötzinn von Ihrem Pad wegziehen.

Vermeiden Sie die Verwendung mehrerer Werkzeuggrößen

Der Artikel argumentierte, dass, wenn Ihr Hersteller mit unglaublich engen Toleranzen arbeiten wird, die Verwendung einer Vielzahl von ähnlichen, aber nicht genau identischen Lochgrößen auf Ihrer Platine Ihre Platinenkosten erhöhen könnte. Ein Blick auf die heutige Bohrtechnologie zeigt jedoch, dass dies weit von der Wahrheit entfernt ist. Werkzeugmagazine in industriellen PCB-Bohrern enthalten so ziemlich jede Mikrobohrergröße, die der Menschheit bekannt ist, und Werkzeugwechsel erfolgen unglaublich schnell. Selbst wenn alle 13,5mil und 14mil Löcher mit ihren exakten Größenbohrern gebohrt werden, könnte dies nur ein oder zwei Sekunden pro PCB-Blatt dauern. Im Allgemeinen wird die Platinenfabrik all diese Löcher auf eine Größe runden, solange die Größe innerhalb ihrer Toleranzanforderungen oder innerhalb der Toleranzen liegt, die Sie auf einer Zeichnung angegeben haben.

Das Gleiche gilt für Schlitze auf einer Leiterplatte. Ich habe noch keine Leiterplattenfertigung gefunden, die mich für die Verwendung von sehr kleinen Schlitzen (30-40mil) bestraft oder eine separate Fräsroutine für das Quadratmachen von Ecken mit einem größeren Werkzeug bei einem Schlitz mit einem 20mil-Fräser vorschreibt.

Vermeiden von Siebdruck auf Pads

Es kann unmöglich sein, zu verhindern, dass Siebdruck von einer Komponente auf das Pad einer anderen gelangt, besonders bei einer eng verlegten Platine. In meiner Altium-Bibliothek verwende ich sowohl einen Pin-1-Designator-Siebdruckpunkt als auch ein Siebdruck-Feature unter der Komponente, wo möglich, um die Orientierung aus genau diesem Grund leicht erkennbar zu machen. Ich habe noch keine günstige oder teure Leiterplattenfirma gefunden, die nicht automatisch Siebdruck von Pads für Sie reinigt oder zumindest fragt, ob sie es tun sollen.

Wenn Sie eine Platine mit Siebdruck auf einem Pad erhalten haben, könnte dies sicherlich zu großen Problemen mit dem Lötmittelbenetzen auf diesem Pad führen, was eine schlechte Verbindung zur Folge hätte. Mit den heutigen Herstellern ist dies jedoch kein Problem, das ich erlebt habe.

Nicht Hinzufügen von Lötstopplack zwischen Pads

Dieser „Fehler“ lässt mich nur den Kopf schütteln. Wie kann man vergessen, eine Maske zwischen den Pads auf einer Platine hinzuzufügen? Altium und so ziemlich jedes andere Design-Tool kümmern sich darum für Sie. Viele Bauteile mit feinem Raster haben Abstände zwischen den Pads, die keinen Lötpastenabstand zwischen den Pads zulassen. Dennoch habe ich gesehen, wie Altium Masken zwischen Pads erzeugt, die 1/1000 eines Mil breit sind. Selbst die Standard-Designregeln in Altium funktionieren perfekt, um Lötpastenabstand zwischen den Pads zu spezifizieren.

Wenn die Maske zwischen den Pads zu klein ist, wird ein gutes Leiterplattenhaus Sie informieren, bevor es weitergeht, und ein weniger besorgtes Leiterplattenhaus wird einfach das Feature löschen und fortfahren.

Falsche Footprint-Größen

Seit Jahren veröffentliche ich nun eine große Open-Source-Datenbankbibliothek von Komponenten, die es Ihnen ermöglicht, reale, kaufbare Teile auf der Ebene der Schaltplanerfassung in Ihr Design einzufügen. Mit vollständigen und genauen 3D-Modellen und der 3D-Ansicht von Altium auf die Platine sowie der Kollisionsprüfung an 3D-Körpern ist es sehr schwierig, ein Design zu vollenden, bei dem Teile kollidieren. Sie können jetzt die gleiche Funktionalität über eine breitere Palette von Komponenten mit Concord Pro erhalten, einem Add-on-Produkt für Altium.

Es sind mindestens 5 Jahre vergangen, seit ich das letzte Mal fähig war, versehentlich ein Bauteil in meiner Stückliste zu spezifizieren, das nicht auf den von mir auf der Platine platzierten Footprint passt. Ich werde diesen „Fehler“ eher dem Nichtgebrauch der besten Werkzeuge während des Entwurfs zuschreiben, als dass es ein Fehler im Entwurfsprozess selbst wäre.

Meine Top-Tipps

Nachdem wir nun eine breite Palette von „Top-Fehlern“ aus vergangenen Jahren ausgeschlossen haben, werfen wir einen Blick auf einige Tipps, die Ihnen helfen könnten, wenn Sie gerade erst anfangen, für die Fertigung zu entwerfen.

Freiraum um Befestigungselemente

Es ist sehr einfach, ein mechanisches Loch für einen Befestiger zu platzieren und zu vergessen, wie groß der Kopf dieses Befestigers sein könnte. Etwas, das größer ist, aber ironischerweise leichter zu vergessen ist, ist die Unterlegscheibe für diesen Befestiger. Ich platziere in der Regel eine Durchkontaktierung mit dem korrekten Freiraumloch für den Befestiger und spezifiziere den Ring (den Kupferkreis, der daran befestigt ist) in der gleichen Größe wie die größte verfügbare Unterlegscheibe für diesen Befestiger (wo mehrere Unterlegscheibenstandards existieren), plus ein bisschen extra. Wenn Sie wirklich eine Leiterbahn unter dem Kopf des Befestigers führen müssen und es auf keine andere Weise geht, fügen Sie einen soliden Siebdruck über dem Befestigungsbereich als zusätzlichen Schutz für Ihre Leiterbahn hinzu. Die kleine Menge an zusätzlichem Schutz, den der Siebdruck bietet, könnte das sein, was Ihre Leiterbahn vor Schäden bewahrt, wenn jemand den Befestiger zu fest anzieht.

Um ganz sicher zu gehen, fügen Sie ein 3D-Modell des Befestigers zu Ihrer Platine hinzu und montieren Sie es in das Loch. Dies stellt sicher, dass Sie den Befestiger ein- und ausbauen können und Sie nicht den Körper einer anderen Komponente im Weg platzieren.

Kupferabstand zu Platinenrändern

Altium kümmert sich eigentlich um diesen Punkt für Sie. Wenn Sie jedoch die Standardeinstellungen umgangen haben, um eine Leiterbahn einzufügen, stellen Sie sicher, dass sie nicht zu nah am Rand liegt. Viele Online-Artikel werden Korrosion als das unbestreitbare Hindernis nennen, wenn es darum geht, den Kupferabstand zu optimieren, denn Sie möchten kein freiliegendes und unbeschichtetes Kupfer haben. Wenn Sie jedoch eine feine Leiterbahn nahe am Rand der Platine führen, könnte der Fräser/der Schlitzbohrer die Leiterbahn absplittern und zerstören. Beim Einsatz von V-Scoring zur Trennung von Platinen in einem Panel nimmt der Score eine bestimmte Breite ein und ist nicht immer perfekt genau, was leicht die Leiterbahn beschädigen oder entfernen kann.

Nachdem ich Schlitze in die Platine gemacht habe, führe ich normalerweise eine letzte Überprüfung durch, um Fehler im Abstand zu finden, bevor ich meine Arbeit einreiche. Es gab Zeiten, in denen ich versehentlich eine Leiterbahn auf einer internen Schicht direkt über einen Schlitz geführt habe. In Ihren Platineneinstellungen legen Sie die Frässchicht auf die Schicht, in der Sie Ihre Fräswege haben, damit Altium die Schlitze in der 3D-Ansicht darstellen wird. Danach kopieren Sie die Frässchicht in Ihre Sperrschicht, um sicherzustellen, dass die Designregeln alle bestehenden Probleme hervorheben und zukünftige verhindern.

Vias Abdecken

Altium verfügt über Designregeln für die Lötstopplack-Ausdehnung auf Vias, die für das Zeltieren verwendet werden können, also nutzen Sie diese. Alles unter 15mil/0.4mm sollte gezeltet werden. Darüber hinaus sollten Sie in Betracht ziehen, wie dick der Lötstopplack von Ihrem Platinenhersteller ist. Ein vollständig gezeltetes und abgeschlossenes Via ist eine gute Sache, da es verhindert, dass korrosives Material wie Flussmittel, Schmutz und Feuchtigkeit in das Loch gelangen und Ihr Via korrodieren.

Wenn das Loch zu groß wird, um vollständig abgedeckt zu werden, könnte der Versuch, es zu zeltieren, stattdessen ein größtenteils abgedecktes Loch schaffen, das die Dinge, die Sie fernhalten möchten, leichter einfängt. In solchen Umständen ist es besser, unverzeltete Vias zu verwenden und die Beschichtung zu nutzen, um das Loch zu schützen. Halten Sie den Lötstopplack-Abstand um das Loch jedoch recht klein, da Sie nicht möchten, dass das Via zu einem potenziellen Ort für einen Kurzschluss wird.

Sehr hochwertige Platinen werden wahrscheinlich während der Herstellung mit Epoxidharz in den Vias gefüllt. Wenn Sie solche entwerfen, sind die Tipps, die wir besprochen haben, wahrscheinlich nicht relevant für Sie, da Sie längst über das Stadium hinaus sind, in dem Sie Tipps zur Fertigungsgestaltung benötigen!

Doppelseitige Platinen

Viele Produkte, die ich entwerfe, verwenden zweiseitige Platinen. Allerdings sollten Sie einen guten Grund haben, sich für eine zweiseitige Ausführung zu entscheiden. Wenn Sie versucht sind, nur ein oder zwei passive Bauteile auf die Unterseite der Platine zu setzen, könnten Sie sich selbst viele Probleme bei der Montage bereiten. Entweder Sie entscheiden sich voll und ganz für ein zweiseitiges Design oder bleiben bei einer einseitigen Ausführung. Wenn Sie keinen wirklich guten Grund haben, Bauteile auf beiden Seiten der Platine anzubringen, bleiben Sie einfach bei der oberen Schicht. Wenn Größenbeschränkungen oder Dichtespezifikationen der Platine eine signifikante Menge an Komponenten auf der Unterseite erfordern, dann sei es so.

Sie könnten auch in Erwägung ziehen, eine kleinere Bauteilgröße zu verwenden, um etwas Platz auf der Platine zurückzugewinnen. Für die meisten Montagebetriebe ist eine 0402-Komponente unproblematisch und wird weit günstiger sein, als Komponenten auf beiden Seiten der Platine zu platzieren. Viele Montagebetriebe werden keine signifikanten Mehrkosten oder Verschwendung haben, wenn sie 0201-Passive verwenden, was Ihnen eine enorme Menge an freiem Platz bieten kann, selbst wenn Sie bereits 0402-Teile verwenden. Prüfen Sie vor der Verwendung von 0201 oder kleineren Bauteilen bei Ihrem Montagebetrieb, da ältere Maschinen diese möglicherweise nicht zuverlässig verarbeiten können. Wenn der Montagebetrieb kleinere Komponenten verarbeiten kann, wird dies wahrscheinlich viel günstiger sein als die Verlassung auf eine zweiseitige Montage.

Überprüfen Sie Ihre Ausgabedateien

Zu guter Letzt, und ich hoffe, das versteht sich von selbst, stellen Sie sicher, dass alle Ihre Ausgabedateien vorhanden sind. Ich habe Situationen erlebt, in denen ich vergessen habe, NC-Bohrdateien zu einer Ausgabejobdatei hinzuzufügen, oder versehentlich eine Schicht zu viel für die Gerber-Dateien abgewählt habe. Verwenden Sie einen Gerber-Viewer, auch wenn es nur der in Altium integrierte ist, um zu überprüfen, ob alle Ihre Polygone vollständig gerendert sind, alle Ihre Bohrungen vorhanden sind und Siebdruck und Maske dort vorhanden sind, wo sie benötigt werden. Wenn Sie die Platine an einen Bestücker oder einen Auftragsfertiger senden, stellen Sie sicher, dass Sie auch die Pastenschicht(en), Pick-and-Place-Zentren und Montagezeichnungen exportiert haben.

Bonustipp - Thermals

Ich muss zugeben, Thermals sind ein kleines Ärgernis für mich. Einige Softwareprogramme fügen standardmäßig fast überall Thermals hinzu. Wenn Sie eine Via hinzufügen, bekommt sie ein Thermal; fügen Sie ein Pad hinzu, bekommt es ein Thermal. Thermals können Punkte hoher Induktivität erzeugen und beginnen, Probleme bei moderaten und hohen Signalgeschwindigkeiten zu verursachen. In Situationen mit hohem Strom kann der geringe Kupferquerschnitt des Thermals möglicherweise nicht genügend Strom leiten.

Thermals können das manuelle Löten bei großen Kupferflächen erleichtern und waren möglicherweise für ältere Wellenlötmaschinen erforderlich. Wenn Sie eine hauptsächlich oberflächenmontierte Platine mit ein paar Durchsteckteilen wie Steckverbindern entwerfen, gibt es nicht viele Anwendungsfälle für ein Thermal auf einem Pad. Die oberflächenmontierten Teile werden einem Reflow-Lötprozess unterzogen, während die Durchsteckteile mit einer selektiven Lötmaschine gelötet werden.

Die Fähigkeit, die Wärmeübertragung vom Pad auf eine große Kupferfläche zu verhindern, funktioniert in beide Richtungen. Einerseits kann es die Montage etwas erleichtern, andererseits wird es genauso verhindern, dass jegliche Wärme aus einem Gehäuse entweichen kann. Ich habe mehrere Produktionsplatinen mit einem D-Pak (TO-252) oder einem ähnlichen Gehäuse gesehen, die Thermals auf dem Ground-Pad hatten, was die Fähigkeit des Gehäuses, Wärme abzuleiten, vollständig zunichtemacht.

Stromdichte bei einem Hochstrompaket mit aktivierten Thermals. Stellen Sie sich die thermischen Probleme vor.

Ebenso werden Thermals auf Vias stark einschränken, wie viel Strom und Wärme sie übertragen können. Noch schlimmer ist, dass das Zusammenfassen von Vias für zusätzliche Wärme- oder Stromübertragung das Gebiet jeglichen Kupfers berauben und die Strom- oder Wärmeübertragungskapazität in der gesamten Region dezimieren kann.

Wenn Sie Platinen für moderne Fertigungs und Montageprozesse entwerfen, können Sie Funktionen hinzufügen, die vor einem oder zwei Jahrzehnten nicht zuverlässig gewesen wären. Das Volumen und die Komplexität von Platinen sind in den letzten 2 Jahrzehnten exponentiell gestiegen. Um dieses Tempo des Wandels zu ermöglichen, haben PCB-Hersteller effizientere, genauere und wirksamere Methoden verwendet, um Platinen für hochkomplexe Designs zu erstellen. Die elektrische Prüfung nach der Fertigung ist selbst in den kostengünstigsten Fertigungsanlagen Standard und erfasst den Großteil der Produktionsprobleme. Wenn Sie eine Hochstromplatine mit einem Werkzeug zur Leistungsverteilungsanalyse wie PDN Analyzer von Altium entwerfen, kann dies dabei helfen, Fehler bezüglich unzureichender Kupferfläche für die Anwendung aufzudecken. Wenn Ihr Design nicht robust genug ist, um den Strom-, Frequenz- oder thermischen Anforderungen der Anwendung gerecht zu werden, spielt es keine Rolle, ob die Platine elektrisch funktionsfähig ist oder nicht.

Haben Sie weitere Fragen? Rufen Sie einen Experten bei Altium an.