22 Lösbar Design Probleme bei der Leiterplattenfertigung sowie Leitfaden zur DFM-Analyse
In der Planungsphase eines neuen Projekts konzentrieren sich Unternehmen aller Art in der Regel auf die technischen und finanziellen Aspekte der Leiterplatten-Serienfertigung. Dabei müssen die Kosten für die Leiterplattenfertigung minimiert und Designänderungen vermieden werden, da sonst die Gewinnmargen beeinträchtigt werden. Um Nacharbeiten zu vermeiden, müssen Ingenieure das Leiterplattenlayout sorgfältig entwerfen, um einen reibungslosen Ablauf zu gewährleisten. Herstellungsprozess von Leiterplatten. Nach Erhalt der CAM-Daten korrigieren Zulieferer häufig kleinere Fehler, was zusätzliche Kosten und Zeitaufwand verursacht. Dieser Artikel fasst 22 Aspekte des „Design for Manufacturing“ (DFM) zusammen, die die Leiterplattenfertigung verbessern können, und hilft Produktdesignern, Ingenieuren und Einkaufsleitern dabei, potenzielle Fertigungsprobleme in aktuellen Leiterplatten-Designprojekten schnell zu analysieren.
Was versteht man unter DFM bei Leiterplatten?
DFM steht für „Design for Manufacturability“ (Fertigungsgerechtes Design). Dieses Thema trägt dazu bei, Probleme bei der Fertigung zu reduzieren. In den Designregeln legen wir Abstände und Toleranzen fest. Daher bereiten wir bei der Leiterplatten-DFM die Platine für den praktischen Einsatz vor. Die Toleranzen sollten auf das tatsächliche System abgestimmt sein. Während der Layoutphase einer Leiterplatte halten sich die Entwickler an eine PCB-DFM-Checkliste. Dieser Prozess trägt dazu bei, das Design der Leiterplatte für die Fertigungsphase zu optimieren. Er senkt Kosten, sichert die Qualität und dient den Entwicklern als Erinnerung daran, bei jeder geplanten Fertigung eines Designs die DFM-Prüfungen durchzuführen. PCB-DFM ist ein zentraler Bestandteil der funktionsübergreifenden Teamarbeit und der Zusammenarbeit mit Teams in der Lieferkette und zudem ein integraler Bestandteil des gesamten Produktdesignprozesses.
22 Fragen zum Leiterplatten-Design und Referenzen zur DFM-Analyse
Im Folgenden finden Sie 22 Fehler beim Leiterplatten-Design, die vor der Leiterplattenfertigung vermieden werden können – zusammengefasst vom Ingenieurteam von Geyuan Electronics. Als Ingenieure haben wir alle schon diese Erfahrung gemacht: Nachdem wir ein Projekt mühsam abgeschlossen und die Leiterplatte fertiggestellt haben, schicken wir sie zur Prototypenfertigung – nur um festzustellen, dass das Muster eintrifft und all unsere Bemühungen umsonst waren. Konkrete Probleme mit der Leiterplatte können entweder auf das Design oder auf die Fertigung zurückzuführen sein. Natürlich lassen sich viele Probleme bereits vor der Fertigung vermeiden. Unsere Zusammenstellung von 22 vermeidbaren Fehlern beim Leiterplattendesign kann Ihnen dabei helfen, effiziente und fehlerfreie Leiterplatten herzustellen.
1. Unvollständige und ungültige Entwurfsunterlagen
Ob Gerber, ODB++ oder eine Stücklistendatei – die Eingabedateien enthalten wichtige Informationen wie Schichtbilder, Stücklisten, Leiterplattenumrisse, IPC-Netzlisten, Masterzeichnungen und die Schichtreihenfolge. Jegliche Unklarheiten in den Spezifikationen können in späteren Phasen zu Problemen führen. Daher sollten alle erforderlichen Dokumente vor der Übergabe an die Fertigung überprüft werden.
2. Ungeeignetes Substratmaterial
Je nach ihrer Funktion erfordern manche Schaltungen spezielle Materialien. Beispielsweise sind herkömmliche Substrate für Hochfrequenzsignale nicht gut geeignet. In solchen Fällen müssen die Hersteller bereits in der Anfangsphase die Materialanforderungen besprechen und geeignete Leiterplattensubstratmaterialien auswählen.
3. Falsche Kabelbreite
Kupferbahnen verbinden alle Komponenten in einer Schaltung. Jegliche Defekte an den Bahnen können zu Kurzschlüssen, Signalverzerrungen und Überhitzung führen. Die Strombelastbarkeit eines Leiters (einer Bahn) steigt mit seiner Breite. Fließt ein höherer Strom durch die Bahn, wird mehr Wärme abgegeben, was zu einer Überhitzung der Leiterplatte führt. Optimieren Sie daher die Leiterbreite entsprechend den Anforderungen Ihrer Schaltung und stellen Sie sicher, dass die Leiterbreite auf der äußeren Schicht mindestens 4 mil beträgt. Sie können Online-Tools nutzen, um die Leiterbreite, die Strombelastbarkeit und den Temperaturanstieg zu optimieren.
4. Falscher Kabelabstand
Achten Sie darauf, dass der Leiterabstand nicht zugunsten eines kompakteren Schaltungslayouts vernachlässigt wird, da ein unzureichender Leiterabstand zu Überschlägen und Übersprechen führen kann. Halten Sie sich an die Standardrichtlinien und sorgen Sie für einen ausreichenden Abstand zwischen den Leitern. Ähnlich wie bei der Leiterbreite können Sie einen Leiterabstands- und Spannungsrechner verwenden, um den optimalen Abstand zwischen den Leitern zu berechnen.
5. Säurefalle
Wenn eine Leiterbahn beim Fräsen einen spitzen Winkel (unter 90°) bildet, entsteht eine Säurefalle. Beim Ätzen kann Säurerest in der Biegung eingeschlossen werden, was zu einem übermäßigen Ätzen der Leiterbahn führt. Säurefallen lassen sich vermeiden, indem Leiterplattenentwurf indem beim Fräsen scharfe Biegungen vermieden werden.
6. Unzureichender Abstand zwischen der Leiterbahn oder dem Bohrloch und der Kante
Sie sollten bei Ihrem Schaltungslayout einen optimalen Abstand zwischen Kanten und Leiterbahnen einhalten. Wenn Sie den Abstand aus irgendeinem Grund verringern, können externe Leiterbahnen bei der Entmetallisierung teilweise abgeschabt oder durchtrennt werden. Ein unzureichender Abstand zwischen Kupfer und der Leiterplattenkante kann dazu führen, dass Kupfer freiliegt und Grate an den Kanten entstehen.
7. Fehler beim Bohrvorgang
In Leiterplatten (PCBs), bohren Hersteller Löcher für verschiedene Zwecke, beispielsweise als Durchkontaktierungen, zur Ausrichtung und zur Bestückung mit Bauteilen. Das Bohren ist ein irreversibler Vorgang, und jedes unnötige Bohren kann Ihr Design zunichte machen. Weitere zu berücksichtigende Faktoren sind Größe, Abstand, Seitenverhältnis, Anzahl der Löcher auf der Leiterplatte sowie der Maschinentyp (Laser/mechanisch). Häufige Fehler beim Bohren sind Lochringe und ein zu geringer Abstand zwischen Bohrer und Kupfer.
8. Mängel des Rings
Der Ring verbindet die Durchkontaktierung mit der Leiterbahn. Ist der Durchmesser des Rings zu klein, unterbricht er den Signalfluss zwischen dem Leiter und der Durchkontaktierung. Fertig gebohrte Löcher können eine Toleranz von ±2 mil aufweisen; liegt diese also unter 2 mil, kann der Ringbruch auftreten. Dies führt zu einem offenen Stromkreis. Darüber hinaus kann ein zu kleiner Ring bei einem Bauteil-Loch nach der Bestückung zu mangelhaften Lötstellen führen.
9. Fehler bei der Lötmaske
Die Lötmaske auf einer Leiterplatte schützt die Oberfläche vor Verunreinigungen und isoliert die Verbindungen. Die Hersteller legen Bereiche (Bauteilflächen und Lötpads) für die Bestückung mit Bauteilen während des Lötvorgangs frei. Wenn zwischen der Durchkontaktierungsöffnung und der angrenzenden Bauteilöffnung kein ausreichender Abstand besteht, können sich bei der Bestückung Lötbrücken bilden, was zu mangelhaften Lötstellen und Effizienzverlusten führt. Daher muss zwischen der Durchkontaktierungsöffnung und der angrenzenden Bauteilöffnung eine ausreichende Lötmasken-Schichtdicke gewährleistet sein. Andererseits kann eine ungeeignete Lötmasken-Schichtdicke zu Lötlöchern führen, wodurch das Kupfer der Korrosion ausgesetzt wird.
10. Kupfer und Lötstopplack
Kupferstreifen sind lose gebundene, dünne Kupferreste, die während des Druckvorgangs entstehen. Beim Galvanisieren können sich diese lose gebundenen Streifen lösen und in die Galvanisierungslösung fallen. Diese Fotolackfragmente können sich an beliebiger Stelle auf der Leiterplatte ablagern und Kurzschlüsse verursachen. Gleichzeitig kann es in Bereichen, in denen der Fotolack entfernt wurde, zu unerwünschtem Kupferaufbau auf der Leiterplatte kommen, was deren Funktionalität beeinträchtigen kann. Lötmaskenstreifen entstehen während des Belichtungsprozesses der Lötmaske, wobei die Lötmasken-Schicht an Ort und Stelle belassen wird, um Lötbrücken zu verhindern. Wenn der Damm weniger als 4 mils dick ist, können diese lose verbundenen Dämme möglicherweise zu Streifen werden und während der Entwicklungsphase abgewaschen werden.
11. Kühlkörper
Beim Löten entsteht übermäßige Wärme, die die Leiterplatte beschädigen kann. Um dies zu vermeiden, müssen Sie ausreichend Wärmeleitpads vorsehen. Wärmeleitpads bestehen aus kleinen Kupferspreizen, die als “Wärmeleitplatten” bezeichnet werden und die Wärmeübertragung unterstützen. Sind diese Wärmeleitplatten nicht mit den Lötpads oder der Lötfläche verbunden, spricht man von „unterversorgten Wärmeleitplatten“. Eine unzureichende Anzahl an Wärmeplatten führt zu einer schlechten Wärmeleitfähigkeit und verursacht eine Überhitzung der Leiterplatte.
12. Siebdruckfehler
Der Siebdruck erfolgt erst in einer späten Phase des Fertigungsprozesses. Wenn sich der Siebdruck mit Lötpads, Leiterplattenoberflächen, Bohrungen usw. überschneidet, kann dies zu Problemen bei der Bestückung führen. Wenn der Siebdruck beispielsweise auf Lötpads aufgebracht wird, kann er in die Lötstellen einschmelzen und zu Unterbrechungen führen.
13. Montageorientiertes Leiterplattendesign
„Design for Assembly“ (DFA) schließt die Lücke zwischen der Vision des Entwicklers und der Realität des Produktionsprozesses. Sie müssen die Verfügbarkeit und Platzierung der Bauteile prüfen; DFA kann dabei helfen, das Leiterplattenlayout zu vereinfachen, um die Gesamtprojektkosten und die Wahrscheinlichkeit von Konstruktionsfehlern zu senken. .
14. Ineffiziente Datennutzung
Ähnlich wie beim DFM sollten Sie alle grundlegenden Datenblätter und Schlüsselparameter – wie beispielsweise Gehäuseabmessungen, XY-Daten, DNI-Spezifikationen, SI-Daten und Teilenummern – überprüfen, bevor das Design in den Montageprozess übergeht. Dadurch lassen sich nachträgliche Korrekturen und Rückfragen vermeiden.
15. Die Wahl der falschen Komponente
Die Wahl der Bauteile wirkt sich auf den Montageprozess aus. So erfordern beispielsweise Durchsteckbauteile im Vergleich zur Oberflächenmontagetechnik (SMT) komplexere Fertigungsprozesse. Daher sollten sie am besten nur dann verwendet werden, wenn es unbedingt notwendig ist. Entscheiden Sie sich stets für Standardkomponenten anstelle von Sonderanfertigungen, da Standardkomponenten bei zahlreichen Anbietern leicht erhältlich sind. Sonderanfertigungen hingegen eignen sich oft nicht für die Massenproduktion und verursachen höhere Kosten, da sie nur von ausgewählten Lieferanten bezogen werden können.
16. Verfügbarkeit von Komponenten
Bevor eine Stückliste (BOM) erstellt wird, sollte stets die Verfügbarkeit der Komponenten überprüft werden. Bei unzureichender Verfügbarkeit sollten Sie darauf vorbereitet sein, alternative Komponenten von anderen Lieferanten zu verwenden. Derzeit gibt es zahlreiche Websites, auf denen man nach Materialien für Stücklisten suchen kann und die Informationen zu Materialien sowie Benachrichtigungen bei Nichtverfügbarkeit bereitstellen.
17. Falsche Objektverpackung
Die Stückliste (BOM) enthält alle Komponenten, die für die Bestückung der Leiterplatte benötigt werden. Wenn die in der Stückliste angegebenen Bauteilabmessungen nicht mit den Daten des CAD-Programms übereinstimmen, ist es schwierig, die Schaltung fertigzustellen. Dies führt zu erheblichen Schwierigkeiten bei automatisierten Fertigungslinien. Die Behebung dieses Problems ist zeitaufwendig und kostspielig. Daher sollten die Bauteilabmessungen bereits in der Entwurfsphase sorgfältig überprüft werden.
18. Unzureichender Abstand zwischen den Bauteilen
Ein unzureichender Abstand bei der Bestückung kann zu Überlappungen der Bauteile und Lötbrücken führen. Ein ausreichender Abstand zwischen den Bauteilen erleichtert zudem das manuelle Löten und Nacharbeiten. Achten Sie besonders auf den Abstand empfindlicher Bauteile wie QFP/QFN, POP oder BGA. Manchmal werden Bauteile sehr dicht beieinander platziert, um eine kleinere Bauform zu erzielen. Es empfiehlt sich, die Abstandsrichtlinien einzuhalten, um eine Nulltoleranz beim Bauteilabstand zu gewährleisten.
19. Unzureichender Abstand zwischen Bauteilen und Kanten
Nach der Bestückung durchläuft die Leiterplatte einen Entpaneling-Prozess. Während dieses Vorgangs sind die Bauteile an den Rändern der Leiterplatten hohen Belastungen ausgesetzt, die zu Beschädigungen führen können. Daher muss ein ausreichender Abstand zwischen den Bauteilen und den Kanten eingehalten werden. Zudem variieren die Abstandsmöglichkeiten je nach Bestückungsverfahren. Bei der manuellen Bestückung können die Bauteile im Vergleich zur automatisierten Bestückung näher an den Kanten platziert werden.
20. Falsche Pad-Größe und -Abstand
Die Wahl kleinerer Pad-Größen kann zu schlechten Lötstellen bei SMD-Bauteilen führen und bei Durchsteckbauteilen sogar zu Brüchen führen. Die Pad-Größe so groß wie möglich zu wählen, ist wahrscheinlich keine Lösung. Breitere Pads nehmen mehr Platz ein und können dazu führen, dass sich SMD-Bauteile während des Lötvorgangs aus ihrer Position verschieben. Ähnlich wie bei der Pad-Größe sollte auch der Abstand zwischen den Pads weder zu gering noch zu groß sein, da dies beim Bestücken der Bauteile zu Problemen führen kann.
21. Siebdruckfehler
Die Siebdruckebene enthält eine Fülle wichtiger Informationen. Dazu gehören beispielsweise Markierungen zur Ausrichtung der Bauteile, Markierungen für Pin 1, Polaritätsmarkierungen, Kathodenmarkierungen und so weiter. Fehlen diese Angaben oder sind sie unklar, verschwendet das Montagewerk Zeit mit der Überprüfung der korrekten Daten. Im schlimmsten Fall, wenn die Polarität oder andere Daten auf dem Siebdruck falsch aufgedruckt sind und der Monteur die Bauteile entsprechend einbaut, kann es zu Fehlfunktionen der Leiterplatte kommen. Sie müssen sicherstellen, dass der Siebdruck vor Beginn der Bestückung gut lesbar ist.
22. Hochtemperaturfehler
Hersteller müssen beim Lötvorgang Vorsicht walten lassen, da dabei übermäßige Hitze entsteht, die die Leiterplatte beschädigen kann. Die Kontrolle der dabei entstehenden Wärme ist von entscheidender Bedeutung. Sehen Sie ausreichend Wärmeleitpads vor, um eine effektive Wärmeableitung zu gewährleisten. DFM- und DFA-Richtlinien können Ihnen helfen, einige Probleme beim Leiterplattendesign zu vermeiden und die Auswirkungen von Konstruktionsfehlern zu minimieren. Auf dem Markt sind verschiedene DFM-Designtools erhältlich, und ich habe persönlich einige davon ausprobiert, die ich für recht gut befunden habe. Sie können ein Tool auswählen, das Ihren Anforderungen entspricht.
Die zentrale Rolle von DFM beim Leiterplattenentwurf
DFM ist ein unverzichtbarer Prozess für die Herstellung hochwertiger Leiterplattenprodukte. Erst nach einer gründlichen Analyse der Herstellbarkeit können Produkte hergestellt werden, die den Designanforderungen entsprechen, wodurch die Qualität des Endprodukts sichergestellt wird. Im Folgenden wird die Rolle von DFM beim Leiterplattendesign erläutert.
Die Herstellbarkeit sicherstellen
Prüfen Sie, ob das Design den physikalischen Möglichkeiten und den prozesstechnischen Einschränkungen der Produktionsanlagen (wie Ätzlinien, Bohrmaschinen, Bestückungsautomaten, Reflow-Öfen, AOI usw.) entspricht (z. B. Mindestlinienbreite/-abstand, Mindestlochdurchmesser, Pad-Größe, Breite der Lötmaskenbrücken usw.).
Die Produktionsausbeute verbessern
Potenzielle Probleme im Layout identifizieren und beheben, die zu Fertigungsfehlern führen können (wie z. B. unzureichende Abstände, die Kurzschlüsse begünstigen, schwache Leiterbahnen, die leicht brechen, Pad-Layouts, die zu „Tombstoning“ führen können, und zu geringe Abstände zwischen den Gehäusen, die Lötbrücken verursachen können), um so Ausschuss und Nacharbeit im Produktionsprozess zu reduzieren.
Fertigungskosten senken
Die Reduzierung von fehlerhaften Produkten und Nacharbeiten bedeutet weniger direkte Material- und Arbeitsverschwendung. Ein optimiertes Design erleichtert den Einsatz von Standardmaterialien, Standardöffnungen und Standardabmessungen und vermeidet so den Einsatz spezieller oder kostspieliger Verfahren. Zudem erleichtert es die automatisierte Fertigung und verbessert die Produktionseffizienz.
Den Produkt-Einführungszyklus verkürzen
Die frühzeitige Behebung von Fertigungsproblemen in der Entwurfsphase reduziert Produktionsverzögerungen aufgrund von Konstruktionsänderungen erheblich und ermöglicht so eine schnellere Markteinführung der Produkte bereits ab der Entwurfsphase.
Die Produktzuverlässigkeit verbessern
Durch die Vermeidung von Konstruktionsfehlern, die zu potenziellen Problemen führen können (wie beispielsweise Stellen mit thermischer Spannungskonzentration, schlechte Wärmeableitung und Durchkontaktierungen mit unzureichender mechanischer Festigkeit), lassen sich die langfristige Stabilität und Zuverlässigkeit des Endprodukts verbessern.
Die Zusammenarbeit zwischen Konstruktion und Fertigung fördern
Die frühzeitige Einbeziehung von Fertigungsvorschriften und Erfahrungswerten in den Konstruktionsprozess sorgt für eine reibungslosere Kommunikation zwischen den Konstruktions- und Fertigungsteams und verringert Probleme, die durch Informationsasymmetrie entstehen.
Die Anzahl der Entwurfsiterationen reduzieren
Mithilfe einer DFM-Analyse lassen sich bereits in der Entwurfsphase (noch vor der Leiterplattenfertigung) zahlreiche potenzielle Fertigungsprobleme erkennen, sodass die Entwicklungsingenieure rechtzeitig Änderungen vornehmen können und der langwierige Prozess vermieden wird, bei dem Entwürfe im herkömmlichen Modell zur Überarbeitung an die Hersteller geschickt werden müssen.
Verbessert die Erfolgsquote bei der Erstproduktion erheblich.
Ein mit DFM optimiertes Design weist bei der ersten Produktionsserie eine hohe Erfolgsquote auf, wodurch das Risiko von Fehlern in der Massenproduktion aufgrund von Konstruktionsmängeln erheblich verringert wird.
Die Produktionsausbeute deutlich verbessern
Dies ist der unmittelbarste wirtschaftliche Vorteil. Durch die Vermeidung häufiger Fehler wie Kurzschlüsse, Unterbrechungen, mangelhafte Lötstellen und „Tombstoning“ lässt sich der Anteil der produzierten einwandfreien Leiterplatten an der Gesamtproduktion deutlich steigern. Eine verbesserte Ausbeute führt direkt zu geringeren Kosten.
Die Produktionskosten pro Einheit effektiv senken
Weniger Materialverschwendung (weniger fehlerhafte Produkte), höhere Anlagenverfügbarkeit (reibungsloserer Betrieb der Produktionslinie), geringere Kosten für Nacharbeiten sowie eine einfachere Erzielung von Mengenrabatten.
Prozesse optimieren und die Produktionseffizienz steigern
So erleichtert beispielsweise ein durchdachtes Design die Bestückung der Leiterplatte und maximiert die Materialausnutzung; eine geeignete Anordnung und Ausrichtung der Bauteile trägt dazu bei, dass Hochgeschwindigkeits-Bestückungsautomaten ihre optimale Leistung entfalten können; eine gleichmäßige Kupferverteilung und ausgewogene Verdrahtungsebenen tragen dazu bei, das Verziehen der Leiterplatte zu verhindern.
Die Produktzuverlässigkeit verbessern und Ausfälle im Kundendienst reduzieren (die Ausfallrate im Einsatz senken).
Durch die Beseitigung von Konstruktionsmängeln wie Problemen beim Wärmemanagement, Risiken hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) und mechanischen Belastungspunkten werden Produkte im Einsatz beim Kunden langlebiger, wodurch Wartungskosten gesenkt und Reputationsschäden für die Marke vermieden werden.
Die Standardisierung von Prozessen fördern
DFM-Standards (Design, Manufacturing und Equipment) können Unternehmen oder Zulieferern oft dabei helfen, eine einheitliche Regelbasis für Konstruktion und Fertigung sowie Prüfstandards zu entwickeln und dadurch das allgemeine Konstruktions- und Fertigungsniveau zu verbessern.
Leiterplattenhersteller und EMS-Anbieter, die schlüsselfertige Lösungen anbieten
Geyuan Electronics ist ein professioneller Leiterplattenhersteller und EMS-Anbieter, der die Fertigung von Leiterplatten sowie, Leiterplattenbestückung, die Beschaffung von Bauteilen sowie schlüsselfertige Lösungen für die Elektronikfertigung. Wir fertigen mehrschichtige Leiterplatten, HDI-Leiterplatten, Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten, HF- und Mikrowellen-Leiterplatten, Leiterplatten mit dicker Kupferbeschichtung, Keramik-Leiterplatten, Aluminium-Leiterplatten, flexible Leiterplatten und starr-flexible Leiterplatten – vom Prototypenbau bis zur Serienfertigung. Bitte kontaktieren Sie uns für ein Projektangebot, wenn Sie Leiterplatten jeglicher Art benötigen.
Fazit
Nur durch eine DFM-Analyse (Design for Manufacturing) lassen sich wirklich hochwertige Leiterplattenprodukte herstellen. Dies gilt unabhängig davon, ob es sich um ein einfaches Projekt oder eine komplexe industrielle Hochgeschwindigkeits-Leiterplatte handelt. Die Berücksichtigung von DFM bei jedem Leiterplattenentwurf bringt unzählige Vorteile für die Projekte, für die Sie verantwortlich sind, und kommt zudem den Entwicklern sowie den zukünftigen Aufträgen des Unternehmens zugute. Diese Verfahren steuern den Fertigungsprozess und senken die Gesamtkosten der Leiterplattenfertigung. Wenn Sie hochwertige Leiterplatten benötigen, wenden Sie sich bitte an das Team von Geyuan Electronics. Unsere Ingenieure und unser Fertigungsteam verfügen über umfangreiche Erfahrung in der Herstellung aller Arten von Leiterplatten.