Die Anordnung der Komponenten auf der Leiterplatte ist ein wichtiger Punkt beim PCB-Design.

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Tipps für eine effiziente Leiterplatten-Produktion So umgehen Sie Missverständnisse zwischen Design und Fertigung

04.10.2019

PCB-Design und -Fertigung sind komplex, und beide Seiten müssen sich mit spezifischen Problemen auseinandersetzen. Zwar gibt es einige grundlegende Regeln und Prozesse, die die Abstimmung vereinfachen. Häufig werden sie aber noch nicht ausreichend berücksichtigt.

In einer idealen Welt geben PCB-Designer ihre Entwürfe an die Fertigung weiter und diese setzt die Pläne dann zügig und problemlos in einer bestückte Leiterplatten um. In der Realität wird ein gutes Design schnell zu einem erklärungsbedürftigen Konstrukt, das den tatsächlichen Anforderungen der Produktion nicht gewachsen ist.

Die Folge sind zahlreiche Abstimmungsschleifen zwischen den beiden Arbeitsbereichen, die den Zeitdruck erhöhen und auf beiden Seiten zu Missstimmung und gegenseitigem Unverständnis führen können. Damit aus der Schnittstelle zwischen Idee und Herstellung kein eiserner Vorhang wird, sollten beide Bereiche Hand in Hand agieren: „Design with Manufacturing“ statt „Design for Manufacturing“. Bei der Umsetzung können folgende Tipps helfen.

Angaben des Klassentyps für das Design beachten

Während Class 2 der Industriestandard für die PCB-Dokumentation ist, ändert sich die Master-Zeichnung erheblich, wenn Entwickler mit Class 1 oder 3 designen. Deswegen ist es wichtig, anzugeben, welcher Klassentyp in den Designs benutzt wurde. Nur so weiß der Hersteller, dass nicht ein Standard-Class-2-Prozess erforderlich ist, sondern einer der beiden anderen Klassentypen.

Berücksichtigung von RoHS-Anforderungen

PCB-Hersteller müssen eine Auswahl an Lötmittel-Kombinationen unterstützen, die den allgemein gültigen RoHS-Standards (Restriction of Hazardous Substances) entsprechen. Darauf sollte schon explizit beim Design geachtet werden und die einzelnen Übereinstimmungen mit dem geforderten Design-Standard hier auch dokumentiert werden. Sind die RoHS-Spezifikationen nicht zwingend nötig, wird dies idealerweise bereits im Rahmen des Designs angegeben.

Exakte Dokumentation der Schichtenabfolge

Das spezifische Layer-Stackup-Arrangement ist eine kritische Komponente im elektronischen Design – insbesondere bei digitalen Hochgeschwindigkeitsdesigns, die impedanzkontrollierte Transmission Lines erfordern. Deswegen ist es unabdingbar, die entsprechende Schichtenabfolge im PCB-Design zu dokumentieren.

Die Schichtennummern können in der Kupfer-Übersicht angezeigt werden. Dabei steht „1“ für Top-Layer, „2“ für die erste innere Schicht, „3“ für die zweite innere Schicht und so weiter. Die Nummern sollten so positioniert werden, dass sie nicht überlappen. Die Zeichnung für die Fertigung muss eine klare Stackup-Abbildung beinhalten, die alle Kupferschichten, Lötschutz- sowie Überlappungs- und andere Schichten in der richtigen Abfolge und mit den korrekten File-Namen aufführt: beispielsweise Top, Mid1, Mid2 oder Bottom.

Abfolge der Fertigungsprozesse berücksichtigen

Das Produktionsvolumen sollte von Anfang an klar in allen Bereichen kommuniziert werden: Es macht beispielsweise einen Unterschied, ob eine designte Leiterplatte später in hohen Volumina automatisch produziert werden soll oder nur in kleinen Stückzahlen für Prototypen gebraucht und daher manuell bestückt wird. Dies sollte der zuständige PCB-Designer vorher abklären. Die automatische Fertigung bietet zwar viele Vorteile – geringe Kosten pro Platte sowie schnelle, zuverlässige und gleichförmige Fertigung –, wenn hohe Volumina einer Leiterplatte gebraucht werden. Sie hat aber auch Nachteile, die das Design berücksichtigen sollte.

So ermöglicht die automatisierte Fertigung beispielsweise keine Post-Produktions-Anpassungen, da für manche Komponenten durch die automatisierte Fertigung keine ausreichende Kontrolle über die genaue Plattenausrichtung möglich ist. Die führende Industrie-Richtlinie für das Design und das Layout von SMD-Anschlussflächen, die IPC-Richtlinie 7351, ist eine gute und zuverlässige Quelle, um in Bezug auf automatisierte oder manuelle Fertigung von Anfang an den richtigen Planungsweg einzuschlagen.

Richtige Montagekomponenten verwenden

Generell werden drei Sorten von Montagebauteilen in der Leietplattenproduktion unterschieden: Through-Hole-Komponenten (TH), die in der Platte fixiert sind, auf Surface Mount Technology (SMT) basierte Komponenten, die auf der Platte aufgebracht werden, sowie die Nicht-Standardkomponenten. SMT-Komponenten bieten einige Vorteile gegenüber TH-Komponenten, insbesondere für die automatisierte Fertigung. Sie kosten weniger und sind kompakter. Allerdings sind sie hitzeempfindlicher und ihr Set-up in der Produktion ist komplexer.

Deswegen empfiehlt es sich, in bestimmten Fällen lieber auf TH-Komponenten zurückzugreifen. Kommen beide Technologien zum Einsatz, gibt es einige wichtige Regeln zu beachten.

Anordnung der Komponenten auf der Leiterplatte

Die Anordnung der Komponenten auf der Leiterplatte ist ein weiterer Punkt, der beim PCB-Design Beachtung finden muss. Bei der Fertigung sollten TH-Komponenten auf beiden Seiten der Leiterplatte vermieden werden. Die Platzierung von TH-Komponenten auf einer Seite der Leiterplatte und von SMT-Komponenten auf der anderen Seite ist möglich, ebenso wie die Verwendung von SMT-Komponenten auf beiden Seiten. Wichtig ist, dass ausreichend Abstand zwischen den Komponenten eingehalten wird, vor allem wegen der Hitzeentwicklung und des thermalen Schattens, der aufgrund der unterschiedlichen Größe der Komponenten entsteht.

Außerdem spielt die ausgewogene Verteilung der Systemkomponenten auf der Leiterplatte in Bezug auf das spezifische Gewicht eine wichtige Rolle. So sollten für eine optimale Gewichtsverteilung zum Beispiel die großen Komponenten und BGAs auf der Platte verteilt und nicht am Rand angesiedelt werden. Zudem sollten die TH-Komponenten aufgrund der unterschiedlichen Temperaturbedingungen nicht direkt neben BGAs liegen.

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  • Das Layer-Stackup-Arrangement ist eine kritische Komponente im elektronischen Design und kann den Fertigungsprozess entscheidend beeinflussen.

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