Layout Tipps & Tricks - von Entwicklern für Entwickler

Aufwand und Kosten bei der Produktion von elektronischen Baugruppen ist von der Anzahl und der Komplexität der einzelnen notwendigen Prozessschritte abhängig. Automatisierbare Abläufe sind kostengünstiger als Prozessschritte mit manuellem Eingriff. Sie gewährleisten darüber hinaus gleichbleibende Qualität der produzierten Baugruppen. Bei Entwicklung und Design müssen diese Parameter von Anfang an mitberücksichtigt werden:

• Einseitig mit SMT-Bauteilen bestückte Baugruppen sind aufgrund der durchgehenden Automatisieriung des Produktionsprozesse am günstigsten zu produzieren.
• THT-Bauteile sind so weit wie möglich zu vermeiden. Alternativ sollen THR-Bauteile eingesetzt werden, um den Automatisierungsgrad hochzuhalten.
• Bei beidseitig bestückten Baugruppen sollten der manuelle Manipulationsaufwand zum Wenden der Baugruppen sowie besondere Vorkehrungen zum Fixieren von Bauelementen berücksichtigt werden.

Die IPC-Klassen (International Product Classifications) in der Elektronikproduktion sind Standards, die von der IPC (Association Connecting Electronics Industries) entwickelt wurden, um die Qualität und Zuverlässigkeit von Leiterplatten und elektronischen Baugruppen zu definieren. Diese Klassen helfen dabei, die Anforderungen und Toleranzen für verschiedene Anwendungsbereiche festzulegen.

In der IPC-A-610 sind folgende Klassen definiert:

Klasse 1 - Allgemeine Elektronikprodukte (General Electronic Products)
Hierzu gehören Produkte, bei denen die Hauptanforderung das Funktionieren der fertig bestückten Baugruppe ist.

Klasse 2 - Elektronikprodukte mit höheren Ansprüchen (Dedicated Service Electronic Products)
Hierzu gehören Produkte, bei denen stetige Funktion sowie eine erweiterte Lebensdauer erforderlich sind und ein unterbrechungsfreier Betrieb erwünscht, jedoch nicht kritisch ist. Typischerweise verursacht die Einsatzumgebung im Betrieb keine Ausfälle.

Klasse 3 - Hochleistungselektronik (High Performance Electronic Products)
Hierzu gehören alle Produkte, bei denen eine kontinuierliche, hohe Leistungsfähigkeit oder Leistungsbereitstellung auf Abruf unverzichtbar ist. Ein Funktionsausfall kann nicht toleriert werden. Die Einsatzumgebung der Geräte kann ungewöhnlich rau sein. Die Geräte müssen im Bedarfsfall funktionieren, wie beispielsweise bei lebenserhaltenden oder anderen kritischen Systemen.

HINWEIS: Eine Produktion nach Klasse 1 wird bei Ginzinger electronic systems nicht durchgeführt.

Das gewünschte Leiterplattenmaterial, der Lötstopplack, sowie das Oberflächen-Finish wird vom Kunden definiert. Am häufigsten werden Oberflächen wie chemisch Zinn, HAL(bleifrei) oder chemisch Nickel/Gold verwendet. Wir geben Ihnen einen Überblick über die gängigsten Materialien und deren Vor- und Nachteile:

Chemisch Zinn
Abscheidung einer chemischen Zinnschicht bis maximal 1,2 µm. Das Minimum liegt bei 0,6 µm.
--> Chemisch Zinn wird von Ginzinger electronic systems empfohlen.

Vorteile:

• hohe Planarität
• sehr gute Löteigenschaften
• guter Korrosionsschutz für darunter liegendes Kupfer
• gute Einpresseigenschaften

Nachteile:

• keine metallurgische Bindung an die Kupferschicht
• eingeengtes Prozessfenster bei Lötprozessen
• Einsatz von Thioharnstoff (umweltbelastend)
• eingeschränkte Lagerfähigkeit durch dünne Schichtdicke (< 6 Monate)
• nur 2-3 Reflow Zyklen

HAL (Bleifrei)
HAL (Hot Air Levelling) ist die bewährteste Methode zur Aufbringung von Zinn als Leiterplattenoberfläche. Schichtdicken sind von 1-20 µm, vereinzelt bis 50 µm.

Vorteile:

• gute Löteigenschaften
• gute Lagerfähigkeit (mindestens 12 Monate)

Nachteile:

• eingeschränkte Eignung für Fine Pitch
• schlechte Planarität
• Kupfer wird ablegiert
• thermischer Stress für die Leiterplatte

Anmerkung: Als Pitch bezeichnet man bei elektronischen Bauteilen den mittleren Abstand der Anschlussbeinchen zueinander. Ist dieser Abstand kleiner als 0,5mm, spricht man von Fine Pitch.

Chemisch Nickel/Gold
Chemisch Nickel/Gold wird auch als ENIG bezeichnet = Electroless Nickel Immersion Gold. Neben einer vollflächigen Vernickelung/Vergoldung ist bei Einsatz eines geeigneten Lötstopplacksystems auch eine partielle Vernickelung/Vergoldung möglich.

Vorteile:

• sehr gute Lagerfähigkeit (>12 Monate)
• hohe Planarität
• sehr gut für Fine Pitch
• gute Einpresseigenschaften
• resistent gegen Umwelteinflüsse

Nachteile:

• Einschränkungen bei verschiedenen Basismaterialien (zB. PTFE)
• hohe Prozesstemperaturen (chemisch Nickel ca. 90°C für ca. 20 Minuten)
• Sprödigkeit der intermetallischen Phase bei kleinem Lötdepot

Für das Wellenlöten von zuvor geklebten SMT-Bauteilen gibt es drei Einschränkungen:

• Bauteile mit einer Länge ≤ 1,2 mm (zB Bauteilgröße 0402) können nicht mit der Welle gelötet werden. Sie können nicht mehr mit ausreichender Sicherheit geklebt werden. Die Baugröße 0603 sollte in der Wellenlöttechnik vermieden werden, da die Prozessicherheit geringer ist als bei größeren Bauformen
   
• Bauteile mit einer Höhe > 2,5 mm können durch den Druck der Welle leicht weggespült werden, bzw. bleiben bei noch größerer Höhe an feststehenden Teilen der Wellenlötanlage hängen. Bei Folienkondensatoren ist deren Wärmeempfindlichkeit zu beachten.
   
• Keramikkondensatoren über Baugröße 0805 sollten wegen des thermischen Stresses nicht mit der Welle gelötet werden.

Gängige Praxis ist es, SMT-Bauteile in einem eigenen Prozessschritt zu kleben und gemeinsam mit den THT-Bauteilen auf der Lötseite über der Lötwelle zu löten. Dabei ist darauf zu achten, dass die SMT-Bauteile in Richtung der Welle ausgerichtet sind, da ansonsten Lötschatten zu unverlöteten Bauteilen führen. (siehe Abbildung)

Darüber hinaus ist auf mögliche Kurzschlüsse bei querliegenden ICs zu achten. ICs mit 0,8-mm-Raster lassen sich bei wellengerechtem Layout (vorhandene Lotfänger und richtig positionierte Bauteile) noch lötbrückenfrei löten. Lotfänger sind doppelt so lang wie das Pad anzulegen und am Ende rund oder spitz abzuschließen. (siehe SO14 in der Abbildung)

Werden keine bzw. rechteckige Lötfänger verwendet, kann zurückschwappendes Lötzinn zu Lötperlen oder Kurzschlüssen zwischen den Pins führen.

Beim 0,8-mm-Raster liegt ein freier Abstand von etwa 0,4 mm zwischen den benachbarten Pads vor. Die praktische Erreichbarkeit des wellenlöttechnischen Minimums ist u. a. von der lokalen Topologie der Baugruppe und den damit zusammenhängenden Strömungsverhältnissen auf der Baugruppe abhängig. Vor Serienstart sollten Versuche durchgeführt werden. Die praktische löttechnische Grenze für ein lötbrückenfreies Wellenlötergebnis mit Standardanlagen liegt bei einem einheitlichen Mindestabstand von etwa 0,4 mm bis 0,5 mm.

Zur Simulation von Umwelteinflüssen können elektronische Baugruppen Klimatests unterzogen werden. Dies ist vor allem bei Produkten wichtig, die weltweit unter breit gestreuten Umgebungsbedingungen eingesetzt werden.

Beim Klimatest wird die ordnungsgemäße Funktion einer Baugruppe in einem Klimaschrank mit wechselnden Temperatur- und Luftfeuchtigkeitswerten geprüft. Diese Prüfungen können zu unterschiedlichen Gelegenheiten erfolgen:

• Während der Entwicklung einer Baugruppe zur Stabilisierung des Designs unter verschiedenen Umweltbedinungen.
• Stichprobentests bei Produktionslosen
• Klimatest jeder einzelnen produzierten Baugruppe nach der Produktion
• Voralterung von elektronischen Baugruppen

HINWEIS: Klimaschränke haben nur ein begrenztes Volumen zur Aufnahme von elektronischen Baugruppen. Klären Sie bitte rechtzeitig mit Ihrem EMS-Dienstleister die möglichen Dimensionen der Leiterplatten.

Die Qualitätssicherung verfügt über zahlreiche Möglichkeiten, um stichprobenartige Prüfungen von Prototypen und Serienprodukten durchzuführen.
Eine Möglichkeit, die auch Ginzinger electronic systems einsetzt, sind Röntgenanalysen. Elektronische Baugruppen mit BGAs und LGAs können so hinsichtlich Lötqualität anaylsiert werden.

Potenzielle Schwachstellen werden dank hochwertiger Röntgenbilder und Computertomografie sofort entdeckt. Ob Bauteilpositionierung, eventuell vorhandene Voidings in der Lötstelle, oder Kurzschlüsse - mittels Röntgendetektor können Bilder mit einer 6,7-Megapixel-Kamera und 0,1 µm Auflösung gemacht werden.

In kurzer Zeit werden Tomosynthesen oder vollständige µCT-Aufnahmen erstellt. Die 3D-Inspektion ermöglicht außerdem detailgetreue Schnitt- bzw. Schichtbilder von elektronischen Baugruppen und Bauteilen. Bei mehrlagigen Leiterplatten können bestimmte Ebenen, Brüche oder Risse betrachtet werden. Vergossene Bauteile können ebenso kontrolliert werden wie relevante Schnittstellen (Füllgrad und andere Qualitätsmerkmale).

Ginzinger electronic systems bietet Röntgenanalysen als Dienstleistung auch für Branchen außerhalb der Elektronik an.

Bei der Herstellung einer Leiterplatten kann durch Leiterbahnführungen im spitzen Winkel das Fotolaminat beschädigt werden. Während der Bearbeitung der Oberfläche können sich an diesen Stellen schädliche chemische Wirksubstanzen konzentrieren. Leiterbahnen sollen daher mit abgeschrägten Ecken verlegt werden.

Bei Verbindungen von zwei benachbarten Pads an SMT-Bauteilen soll die Verbindung in Form eines "U" hergestellt werden. Eine direkte Verbindung wäre bei der Sichtkontrolle nur schwer von einer Lötbrücke zu unterscheiden.

Große Kupferflächen in Leiterplatten führen Wärme ab und können zu einem unzureichenden/ungleichmäßigen Aufschmelzen der Lötpaste, oder zu unzureichendem Durchstieg führen. Dabei wird die Durchkontaktierung nicht vollständig vom Löt gefüllt. Ebenso können große Bauteile überdurchschnittlich viel Wärme abführen und so zu einem unbefriedigenden Lötergebnis führen.

Bei THT- und SMT- Bauteilen mit einem erhöhten Wärmebedarf an einem oder mehreren Anschlüssen kann über ein entsprechendes Design der Leiterplatte der Wärmeeintrag erhöht werden. Gleiches gilt für die Anbringung von Durchkontaktierungen in der unmittelbaren Nähe von Bauteilen. In beiden Fällen ist zu beachten, von welcher Seite der Wärmeeintrag erfolgt. Nicht genutzte Pads sollten auf Innenlagen entfernt werden ("non functional pad removal"). Bei Multilayern sollten Lagen mit großen Kupferflächen möglichst nahe der Oberfläche - auf der der Wärmeeintrag erfolgt - platziert werden.

HINWEIS: Je größer der Abstand zwischen Pad und umgebendem Kupfer, desto besser ist die Wärmefalle.

Eine zusätzliche Möglichkeit stellt die Verwendung unterschiedlicher Pad-Flachen auf der TOP- bzw. BOT-Seite beim Wellenlöten dar. Bei großen Pads ist ein guter Wärmeeintrag bzw. eine gute Wärmeabfuhr zu verzeichnen. Ein gegenteiliger Effekt tritt bei kleineren Pads auf. Durch entsprechende Kombination (großes Pad auf der Lötquellseite, kleines Pad auf der Lötzielseite) kann der Lötdurchstieg verbessert werden.

Die IPC-Klasse einer elektronischen Baugruppe wird durch den Einsatzbereich des Endproduktes bestimmt. In der IPC-A-610 sind folgende Klassen definiert:

Klasse 1 - Allgemeine Elektronikprodukte (General Electronic Products)
Hierzu gehören Produkte, bei denen die Hauptanforderung das Funktionieren der fertig bestückten Baugruppe ist.

Klasse 2 - Elektronikprodukte mit höheren Ansprüchen (Dedicated Service Electronic Products)
Hierzu gehören Produkte, bei denen stetige Funktion sowie eine erweiterte Lebensdauer erforderlich sind und ein unterbrechungsfreier Betrieb erwünscht, jedoch nicht kritisch ist. Typischerweise verursacht die Einsatzumgebung im Betrieb keine Ausfälle.

Klasse 3 - Hochleistungselektronik (High Performance Electronic Products)
Hierzu gehören alle Produkte, bei denen eine kontinuierliche, hohe Leistungsfähigkeit oder Leistungsbereitstellung auf Abruf unverzichtbar ist. Ein Funktionsausfall kann nicht toleriert werden. Die Einsatzumgebung der Geräte kann ungewöhnlich rau sein. Die Geräte müssen im Bedarfsfall funktionieren, wie beispielsweise bei lebenserhaltenden oder anderen kritischen Systemen.

HINWEIS: Eine Produktion nach Klasse 1 wird bei Ginzinger electronic systems nicht durchgeführt.

Für die Kalkulation eines Angebots sind Gerberdaten zwingend erforderlich. Der Leiterplattenhersteller benötigt diese zur Angebotslegung. Für die Gewährleistung einer reibungslosen Produktion sollen zusätzlich intelligente CAD-Daten bereitgestellt werden. Alle gängigen Dateiformate wie ODB++ , ASCII-Files oder IPC-2581 werden unterstützt. Nachstehende Informationen definieren die Anforderungen an die Elektronikproduktion bei Ginzinger electronic systems und werden für eine rasche und unkomplizierte Abwicklung benötigt:

Leiterplattendaten:

• Baugruppenbezeichnung  & Bestückungsart (zB. SMT ein-/zweiseitig; THT)
• Leiterplattenabmessung     (l x b [mm])
• Kupferlagen und Dicke      Anzahl/Aufbau
• Basismaterial und Dicke    FR4/xy mm
• Farbe Lötstopplack           Standard ist grün
• Bestückdruck                   Ja/Nein/Farbe
• Oberfläche                     Chemisch Nickel-Gold; HAL
• Konturen gefrast               Ja/Nein
• Impedanzkontrollierte LP    Ja/Nein
• IPC-A-610-Klasse             2 oder 3
• Bauteilherstellerfixierte Stückliste
• Kundenspezifische Bauteile
• Funktionstest, AOI, Klimatest

Weitere Tests:

• Prüfprotokoll                           Ja/Nein
• UL-Kennzeichnung der LP       Ja/Nein
• Kundenspezifisches Etikett     Ja/Nein

Die Fertigungdaten und Pläne werden idealerweise als ZIP-komprimierte Datei an die Kundenberatung versendet.

Was gehört ins Gerberpaket?

• Kupferlagen (inkl. Lagenaufbaubeschreibung)
• Lötstopplack
• Leiterplattenkontur
• Bestückplan für SMT, Bestückplan für THT
• Pastendaten, Bohrdaten
• Lasermarkierung TOP/BOT

Optional: Bestückungsdruck, BlueMask, Testpunktplan

Textdateien:

Bestückdaten

• Bauteilreferenz TOP/BOT, X-Koordinaten [mm], Y-Koordinaten [mm], Rotation [°]

Testpunktdaten

• Netzname bzw. Fanglöcher TOP/BOT, X-Koordinaten [mm], Y-Koordinaten [mm], Testpunktgröße [mm]

Stückliste

• Bauteilreferenznummer(n) - übereinstimmend mit Bestückplan
• Beschreibung inkl. Toleranz bzw. Hersteller und Herstellerbezeichnung
• Bauform
• Stückzahl pro Baugruppe

HINWEIS: Bevorzugt werden Stücklisten in den Formaten XLS und CSV.

Weitere Daten

Schaltplan als PDF, Prüfanweisung und falls vorhanden die Impedanzberechnung der Leiterplatte.

Beistellmaterial

HINWEIS: Eine Beistellung von Materialien sollte im Idealfall vermieden werden, denn durch nicht optimale Bauteilverpackungen können erhebliche Mehrkosten entstehen.

Die Kunststoffgehäuse von Bauteilen (oftmals bei BGAs, QFPs, sowie bei LEDs) können hygroskopisch wirken. Das bedeuted, Feuchtigkeit wird angezogen und im Bauteilinneren angereichert. Diese Bauteile sind vom Hersteller gekennzeichnet und in acht Feuchtigkeitsklassen (Moisture Sensivity Level = MSL) eingeteilt. Dementsprechend muss auf die Lagerung und auf das Handling geachtet werden. Je höher der MSL-Wert, desto höher sind Aufwand und Anforderungen im Produktionsprozess und damit auch die Kosten.

Hinweis:

• Prüfen Sie, ob es alternative Bauteile mit geringerem MSL-Wert gibt, um Produktionskosten zu sparen.
• Prüfen Sie mit Ihrem EMS-Dienstleister frühzeitig, ob Equipment zum Einschweißen, Lagern und Trocknen der Bauteile vorhanden sind.

Weitere Auskünfte erteilt gerne das Team von Ginzinger electronic systems.

Bauteile sollen nicht unnötig eng zueinander auf einer Leiterplatte plaziert werden. Der vorhandene Platz soll gleichmäßig ausgenützt werden. Zu eng platzierte Bauelemente können bei der automatischen, optischen Inspektion zu Pseudofehlern führen und den Produktionsprozess unnötig verzögern. Pseudofehler sind vermeintlich festgestellte Fehler in der Produktion und ziehen einen erhöhten Aufwand nach sich. Hohe Bauteile können niedrige Bauteile im AOI-Prozess abschatten, das stört das optische Messverfahren.