Gedruckte Leiterplatten - typische Unregelmäßigkeiten in Fertigungsunterlagen, Teil 1

Inhalt und Qualität der elektronischen Fertigungsunterlagen für gedruckte Leiterplatten haben einen erheblichen Einfluss auf die Geschwindigkeit und die Kosten der Herstellung von fertigen Leiterplatten. Unklarheiten und unpräzise Angaben verursachen oft erhebliche Probleme bei der richtigen Auslegung von tatsächlichen Kundenerwartungen und können im Extremfall dazu führen, dass hergestellte Schaltungen nicht den Kundenanforderungen entsprechen. Im Beitrag wurden typische Unregelmäßigkeiten in Fertigungsunterlagen erörtert, die vermieden werden sollten. Die vorgestellten Mängel wurden mit Empfehlungen und Ratschlägen versehen, die eine effiziente Fertigung von Schaltungen in Übereinstimmung mit Kundenerwartungen gewährleisten.

Aufgrund der beträchtlichen Länge des behandelten Themenbereichs wurde der Artikel in zwei Teile gegliedert. Die erste widmet sich einer Beschreibung des Inhalts von Fertigungsunterlagen, den verwendeten Dateiformaten sowie typischen Mängeln, die auf den individuellen Projektschichten auftreten. Im zweiten Teil, der in der nächsten Ausgabe erscheinen wird, werden typische Unregelmäßigkeiten im Aufbau von Nutzen für automatische Bestückung, Konstruktion von mehrlagigen Schaltungen und ausgewählte Fehler in technologischen Spezifikationen der Projekte erörtert.

Unterlageninhalte und verwendete Dateiformate

Vollständige Fertigungsunterlagen für gedruckte Leiterplatten enthalten eine technologische Spezifikation und ein Leiterplattendesign in Form eines Pakets mit notwendigen Dateien, in denen die einzelnen Projektschichten gespeichert sind. Ein schwerwiegender Mangel ist das Fehlen eines der aufgeführten Elemente sowie das Nichtvorhandensein von Dateien, auf die in den vorhandenen Dateien verwiesen wird. Unvollständige Fertigungsunterlagen führen meist zu einer Verlängerung der Projektumsetzung, da sie durch Klärungsschritte vervollständigt werden müssen. Neben der Vollständigkeit ist es wünschenswert, dass die bereitgestellten Projektdateien in Formaten gespeichert werden, die in der Leiterplattenindustrie allgemein akzeptiert werden.

Gängige Formate zum Speichern von Leiterplattendesigns, die von den meisten führenden Leiterplattenherstellern akzeptiert werden, sind: Gerber in den Versionen RS274X oder RS274D, Excellon und ODB. Viele gängige CAD-Programme lassen Daten in die genannten Formate exportieren. Einige Hersteller unterstützen andere, weniger verbreitete Dateiformate, die für die von ihnen eingesetzte Software nativ sind (z.B. CAM350, Lavenir, Ucamco, Graphicode). Das Zusenden eines Projekts dem Hersteller im internen Format des verwendeten CAD-Programms, meist in Form einer einzelnen Datei, schließt in der Regel deren Öffnen und folglich die Fertigung aus.

Technologische Spezifikationen von Schaltungen sollten sich mithilfe typischer Textbearbeitungsprogramme und Viewer für gängige Grafikdateien bzw. PDF-Dateien einfach ablesen lassen. Es ist auch zulässig und üblich, diese Art von Parametern und anderen Hilfsinformationen in grafischer Form auf zusätzlichen Projektschichten zu speichern. Die Spezifikation kann in eine einzelne Datei oder eine Gruppe von Dateien geschrieben werden, was ihre Lesbarkeit erleichtert, sofern die Informationen durchdacht gruppiert wurden. Diese Lösung wird in fortgeschritteneren Projekten praktiziert, die in Form von Nutzen für automatische Bestückung entwickelt werden. Die einzelnen Dateien enthalten in der Regel technologische Projektparameter, Maßzeichnungen des Nutzens und der Details, Einzelheiten der formgebenden Fräsung und einen Querschnitt des Laminats, der über die gewünschten Aufbaureihenfolge und Materialien (stack-up) informiert. Unabhängig von der Anzahl der Dateien sind eine klare und eindeutige Darstellung der Inhalte sowie die Benennung von Dateien von Schlüsselbedeutung. Die Verwendung von langen Namen, insbesondere in Form von Zahlenreihen, erhöht unnötig die Gefahr, beim Lesen von Unterlagen eine Datei zu übersehen oder eine falsche Datei auszuwerten.

Abb. 1. Teile der Leiterbahnenstruktur und Bohrungen (durch einen roten Rahmen gekennzeichnet) außerhalb der Schaltungskontur (rosafarbene Linie)

Korrekte Fertigungsunterlagen sollten eine Mindestanzahl von Dateien enthalten, die ihre Vollständigkeit und eine einfache und eindeutige Auslegung von in einer vom Leiterplattenhersteller akzeptierten Sprache gespeicherten Informationen gewährleisten. Hersteller akzeptieren in der Regel neben ihrer Muttersprache auch Englisch und Deutsch. Während im Fall von einfachen Designs die Einreichung von Unterlagen in einer anderen Sprache manchmal bedingt zulässig ist, kann es bei komplexen Projekten passieren, dass die Unterlagen mit der Bitte um Übersetzung in eine akzeptierte Sprache zurückgegeben werden.

Das Einbeziehen überflüssiger, aus Sicht der Leiterplattenherstellung nutzloser Dateien in die Unterlagen, erschwert ihre Analyse. Dies betrifft vor allem eine große Gruppe von Dateien für automatische Bestückung (BOM, Pick-und-Place), Katalogeinträgen von Elementen, teilweise umfangreichen Anleitungen zur Inbetriebnahme und Funktionsprüfung der bestückten Pakete sowie Unterlagen, die über Änderungen in den einzelnen Projektrevisionen informieren. Es ist nicht zulässig, im Rahmen eines Unterlagenpakets verschiedene Varianten des Entwurfs und mehrere technologische Spezifikationen bereitzustellen, die sich, zu allem Unglück, gegenseitig ausschließen. Eine gute Lösung besteht im Beifügen eines ausgefüllten technologischen Datenblatts, das auf der Website des Herstellers verfügbar ist.

Ein Fertigungsauftrag über gedruckte Schaltungen lässt sich am einfachsten dadurch erteilen, dass dem Leiterplattenhersteller Fertigungsunterlagen und Angaben zur benötigten Stückzahl und zum Liefertermin per E-Mail zugesandt werden. Die Online-Abgabe von Bestellungen über das auf der Website des Herstellers verfügbare Formular ist jedoch die beste und empfohlene Lösung, die viele Vorteile bietet. Auf der Grundlage der in das Formular eingegebenen Parameter wird automatisch ein technologisches Datenblatt generiert, und dank der integrierten Kontrollmechanismen für diese Parameter wird das Risiko erheblicher technologischer Fehler bereits bei der Bestellung reduziert. Ein weiterer Vorteil von Online-Bestellungen besteht in einer vorläufigen Selbstprüfung der Vollständigkeit von beigefügten Projektunterlagen bei Auftragserteilung, die von namhaften Herstellern, darunter auch TS PCB, angeboten wird.

Auch hinsichtlich der Anzahl von angehängten Dateien vollständige Projektunterlagen können in Bezug auf die darin enthaltenen Informationen fehlerhaft oder inkonsistent sein. Die gängigsten Fehler dieser Art für die individuellen Entwurfsschichten werden im Folgenden erörtert.

Fehler der Lagen von Leiterbahnenstrukturen

Die häufigsten Fehler der Leiterbahnenstrukturen in Entwurfsunterlagen sind die Nichteinhaltung der minimal zulässigen Werte der DRC-Parameter (Design Rules Check), Platzieren von Teilen der  Leiterbahnenstrukturen außerhalb der Außenkonturen der Leiterplatte und Einbetten von Hilfslagen, die beispielsweise den Prozess der automatischen Bestückung unterstützen.

DRC-Parameter, deren Charakteristik für verschiedene Dicken der Kupferfolie der technologischen Spezifikation des Herstellers entnommen werden kann, bestimmen die minimal zulässigen Abstände und Breiten von Elementen der Leiterbahnenstrukturen für eine gegebene Kupferschichtstärke. Es sei daran erinnert, dass die DRC-Werte mit zunehmender Kupferfoliendicke steigen, was bedeutet, dass es nicht möglich ist, einen Entwurf mit 5 mil (0,127 mm) breiten Bahnen für eine Endkupferdicke von 105 μm umzusetzen. Das Zusenden eines Projekts mit DRC-Werten unterhalb der zulässigen Grenzen schließt die Möglichkeit der Fertigung aus. In solchen Situationen bieten einige Hersteller, wie TS PCB, technische Unterstützung, indem sie Vorschläge machen, was im Entwurf verbessert werden muss, um die Fertigung zu ermöglichen oder zu optimieren.

Das Vorhandensein von Teilen der Leiterbahnenstruktur außerhalb der Schaltungskontur (Abb. 1) kann als eine unvollständige oder Arbeitsversion des Entwurfs interpretiert werden und bedarf einer Klärung. Daher lohnt es sich, die Gewohnheit anzunehmen, unnötige, außerhalb der Kontur liegende Elemente, vor dem Erstellen von Fertigungsdateien aus dem Entwurf zu entfernen.

Viele PCB-CAD-Programme bieten die Erstellung umfassender Fertigungsunterlagen, auch für die automatische Bestückung mit Bauteilen. Sie erzeugen zusätzliche Schichten mit Umrissen von zu montierenden elektronischen Bauteilen und anderen speziellen Passmarken, die beim Erstellen von Gerber-Dateien einfach in andere Schichten eingebettet werden können. Manchmal wird diese Option von Kunden unwissentlich gewählt, und ihre Auswirkungen sind sehr gefährlich, obwohl sie normalerweise durch den Hersteller leicht erkannt werden können. Während das Einbetten dieser zusätzlichen Symbole auf Lötstoppmasken- und Bestückungsdrucklagen keine Gefahr darstellt, führt ihre Präsenz auf den Leiterbahnenstrukturen in der Regel zu Kurzschlüssen (Abb. 2). Ein solcher Entwurf ist hinsichtlich des elektrischen Sachaltkreises inkorrekt, obwohl er gelieferten Unterlagen entspricht, . In Anbetracht des oben Gesagten ist es besonders auf die im sogenannten CAM-Prozessor ausgewählten Optionen zu achten, der für die Erzeugung von Fertigungsdateien für das Projekt verantwortlich ist. Es lohnt sich auch, die erstellten Gerber-Dateien visuell mit Nutzung von kostenlosen Browsern, z.B. Gerbv, auf Unregelmäßigkeiten zu überprüfen.

Abb. 2. Beispiel für die Einbettung von Hilfsschichten der automatischen Bestückung auf der Leiterbahnstruktur, die zahlreiche Kurzschlüsse verursachen

Fehler in Masken- und Bestückungsdrucklagen

Ähnlich wie bei Leiterbahnenstrukturen sollten außerhalb der Schaltung auf den Lötstoppmasken- und Bestückungsdrucklagen liegende Elemente auch entfernt werden. Für Bestückungsdruck auf Maskenlagen sollten Blenden verwendet werden, die nicht kleiner sind als vom Leiterplattenhersteller empfohlen. Dies ist besonders wichtig, wenn sich unter dem Bestückungsdruck eine Kupferschicht befindet, die im HAL-Verfahren verzinnt wird. Denn es besteht eine hohe Gefahr, dass solcher Bestückungsdruck unsachgemäß verzinnt wird, was den elektrischen Wirkungsgrad der Schaltung nicht beeinträchtigt, aber ihren ästhetischen Wert verringert (Foto 1).

Abb. 1. Teilweise unverzinnter Bestückungsdruck wegen der Verwendung einer zu kleinen Blende auf der Lötstoppmaske

Für Bestückungsdrucklagen sollten Linien nicht kleiner als 4 mil (0,102 mm) verwendet werden. Die Verwendung dünnerer Linien ist zwar zulässig, jedoch nur, wenn sie sich überlappen und ein größeres Symbol, z.B. ein Logo, bilden. Bei kleineren Blenden ist eine korrekte Ausführung des Bestückungsdrucks nicht möglich, da selbst bei dessen Vergrößerung auf das notwendige Minimum die Bestückungssymbole unlesbar werden. Bestückungssymbole sind nicht auf demaskierten Kontaktpads und Vias anzubringen, da diese relativ zur Lötstoppmaskenschicht zugeschnitten werden. Die Nichtbeachtung dieser Regel führt zu einer erheblichen Fragmentierung der Bestückungsdrucklage und zum Verlust ihrer Lesbarkeit und Ästhetik (Foto 2).

Abb. 2. Unleserlicher Bestückungsdruck nach dem Arbeitsgang dessen Zuschnitts relativ zur Lötstoppmaskenschicht

Defekte der Bearbeitungsschichten

Abhängig von Kundenwünschen (z.B. Vorhandensein von plattierten Kanten, konischen Bohrlöchern) erfolgen individuelle Arbeitsgänge der mechanischen Bearbeitung in mehreren Fertigungsetappen. Deshalb sollten sie gründlich dokumentiert werden. Als grundlegende Schicht der mechanischen Bearbeitung gilt die Kontur, die die Form und Größe der Schaltung bestimmt.

Kontur

Der Entwurf muss eine eindeutige Kontur in Form eines geschlossenen Polygons oder einer Kurve aufweisen. Das Fehlen einer Kontur, mehrere Konturen oder eine unvollständige Kontur schließen die Projektumsetzung aus. Die Kontur sollte in einer separaten Schicht dargestellt werden. Dessen Einbetten auf einigen bzw. allen Lagen ist keine gute Lösung, da es Kurzschlüsse in den Leiterbahnenstrukturen und Probleme bei der korrekten Bestimmung des Schaltungsumrisses verursachen kann. Bei gedruckten Schaltungen in Form von Nutzen sollten die Projektunterlagen sowohl die Konturen der einzelnen Schaltungen als auch des Nutzens selbst enthalten. Mehrere Umrisslinien mit Versatz, falsch geschlossene Polygonecken und fragmentierte Linien und andere Passmarken außerhalb und innerhalb des tatsächlichen Umrisses der Schaltung erschweren es CAM-Ingenieuren sehr, die eigentliche Form der gedruckten Schaltung zu bestimmen und sind ein häufiger Grund für einen Klärungsbedarf.

Fräs- und Ritzenschichten

Andere Objekte und Formen in der Konturschicht können als Bereiche interpretiert werden, die einer zusätzlichen mechanischen Bearbeitung unterliegen. Daher ist es von Vorteil, Informationen dieser Art, beispielsweise für das formgebende Fräsen (routing), auf separaten Hilfslagen, sog. mechanischen Lagen, anzubringen, deren Bestimmung in der technologischen Spezifikation klar zu beschreiben ist.

Abb. 3. Beispiel für eine korrekte Kennzeichnung der Ritztiefe und des zulässigen Versatzes der Ritzlinie

Dies ist eine bewährte Vorgehensweise, insbesondere bei Schaltungen und Nutzen mit einer komplexen mechanischen Bearbeitung (Fräsen und Ritzen). Beim Ritzen (im Englischen: v-cut, scoring) kann der Entwicklungsingenieur seine Tiefe definieren (Abb. 3). Fehlen solche Angaben, wird die Standardtiefe für die angegebene Laminatdicke verwendet. Bei Projekten, die das Tiefenfräsen (Z-Routing) umfassen, sollten die zu bearbeitenden Bereiche gut gekennzeichnet und bemaßt oder klar beschriftet sein, auf welcher Seite der Schaltung und in welcher Tiefe gefräst werden soll (Abb. 4).

Abb. 4. Beispiel für eine korrekte Kennzeichnung von Senkbohrungen durch Tieffräsen

Abfasen-Schicht

Die Stoßfugenkanten gedruckter Leiterplatten werden in der Regel einem zusätzlichen Abfasungs-Arbeitsgang (Abwinkeln) unterzogen, um die spätere Montage des Pakets in den Buchsen eines Zielgeräts zu erleichtern. Das Abfasen sollte eindeutig in der technologischen Spezifikation beschrieben oder auf der mechanischen Hilfslage beschriftet werden, indem der abgefaste Bereich angegeben und der Fasenwinkel (typischerweise 45° oder 30°) definiert wird, wie in Abb. 5 gezeigt. In Ermangelung einer Winkelangabe wird der Hersteller einen Standardwinkel, in der Regel 45°, abfasen.

Lochen

Typische Mängel von Bohrprogrammen sind: Fehlen der zu verwendeten Werkzeugdurchmesser, Verwendung unterschiedlicher Einheiten zur Beschreibung von Werkzeugdurchmessern und Koordinaten, Verwendung eines Kommas als Dezimaltrennzeichen und Aufzeichnen von Koordinaten in einem Format mit geringer Genauigkeit.

Die Durchmesser der für das Bohren verwendeten Werkzeuge, die vom Hersteller als endgültig verstanden werden, sollten in den Kopf des Bohrprogramms aufgenommen werden, dürfen aber in einer separaten Textdatei beschrieben werden. Die Verwendung unterschiedlicher Einheiten für Werkzeuggrößen und Koordinaten sowie Verwendung eines Kommas als Dezimaltrennzeichen erschweren das Laden in die CAM-Software und können im Extremfall zur Ausführung von falschen Bohrungen führen.

Ein regelmäßig aufzutreffendes Versehen besteht in der Aufzeichnung des Bohrprogramms mit einer zu geringen Genauigkeit von Koordinaten, indem zu wenige Nachkommastellen für die verwendete Einheit benutzt werden. Die negative Folge davon ist die fehlende Zentrizität von Bohrlöchern zu den zugehörigen Pads der Leiterbahnenstrukturen (Abb. 6). Damit die Koordinaten ausreichend genau sind, sollten bei Millimetern mindestens drei Nachkommastellen („Dezimal“-Stellen) und bei Zoll vier Nachkommastellen verwendet werden.

Abb. 6. Fehlende Zentrizität der Bohrungen von Vias im Verhältnis zu Pads

Bemaßung

Die Bemaßung der Details von gedruckten Schaltungen im unregelmäßigen Format und ganzer Nutzen kann hilfreich, aber nicht immer notwendig sein. Manchmal werden sie sogar zu einem Hindernis, insbesondere wenn sie sich in der Konturschicht befinden und diese weitgehend verdecken, wodurch es schwierig wird, den Umriss der Kontur selbst zu extrahieren. Es wird empfohlen, die Bemaßung auf einer separaten Schicht auszuführen, sollte sie wirklich notwendig sein. Sämtliche Abmessungen sollten in der gleichen Einheit ausgedrückt werden: Millimeter oder Zoll. Eine wechselseitige Verwendung von Millimeter- und Zollmaßen ist ein schwerwiegender Verstoß und kann zum falschen Ablesen von Maßangaben führen.

Zusammenfassung

Im ersten Teil des Beitrags wurden die Grundprinzipien der Erstellung vollständiger und eindeutig interpretierbarer Fertigungsunterlagen für gedruckte Leiterplatten sowie Dateiformate besprochen, die in der Leiterplattenindustrie zum Speichern von Fertigungsunterlagen und technologischen Spezifikationen verwendet werden. Es wurden auch die grundlegenden Mängel der Entwurfsunterlagen dargestellt und kommentiert, die auf Leiterbahnenstruktur-, Lötstoppmasken- und  Bestückungsdrucklagen sowie mechanischen Lagen, die für das Speichern der Kontur und anderer zusätzlichen Informationen für die individuellen Typen der mechanischen Bearbeitung bestimmt sind, vorkommen.

Im nächsten, zweiten Teil des Artikels werden die korrekte Konstruktion von Nutzen für mechanische Bearbeitung unterschiedlicher Art sowie typische Mängel in Spezifikationen der technologischen Projektparameter thematisiert, einschließlich der Dicke des Laminats und der Kupferschichten sowie des Aufbaus von mehrlagigen Leiterplatten.