DFM: 12 Regeln, die Ihnen teure Fehler in der Leiterplattenfertigung ersparen

DFM (Design for Manufacturability) bedeutet, eine Platine so zu entwerfen, dass sie sich ohne Sondermaßnahmen, Ausnahmen und Rückfragen beim Hersteller fertigen, bestücken und prüfen lässt. Eine Platine, die am Bildschirm perfekt aussieht, kann in der Fertigung eine geringere Ausbeute, Bestückungsfehler oder sogar nicht funktionierende Platinen verursachen. Nachfolgend zwölf Regeln, die wir bei jeder Platine prüfen, bevor sie in die Fertigung geht.

1. Orientieren Sie sich an den Fähigkeiten des Herstellers, nicht am Minimum

Jeder Hersteller veröffentlicht seine Fertigungsmöglichkeiten: minimale Leiterbahnbreite, minimaler Abstand, kleinste Bohrung, minimaler Restring. Typische Werte für die Standardtechnologie:

Die Regel: Planen Sie im Layout mindestens 20 Prozent Sicherheitsreserve über dem Minimum ein. Eine Platine mit 0,2 mm breiten Leiterbahnen und 0,2 mm Abstand hat eine bessere Ausbeute und einen niedrigeren Preis und eignet sich für mehr Hersteller als eine Platine an der 0,1-mm-Grenze.

2. Ausreichende Restringe

Der Restring ist das Kupfer, das nach dem Bohren um die Bohrung herum verbleibt. Der Bohrer hat eine Toleranz von etwa 0,05 bis 0,1 mm; ein zu kleiner Restring bedeutet daher einen Bohrungsausbruch (Breakout) und eine schwache oder unterbrochene Verbindung. Verwenden Sie für Vias ein Pad, das mindestens 0,25 mm größer ist als die Bohrung (z. B. Bohrung 0,3 mm, Pad 0,6 mm), für THT-Bauteile ein Pad, das mindestens 0,5 mm größer ist als die Bohrung. Bei Steckverbindern mit hohen Kräften vergrößern Sie den Restring zusätzlich.

3. Abstand des Kupfers zu Rand und Ausschnitten

Beim Fräsen der Kontur beträgt die Toleranz etwa 0,1 bis 0,2 mm. Kupfer, das bis zum Rand reicht, kann sich ablösen oder einen Kurzschluss zum Gehäuse verursachen. Halten Sie mindestens 0,3 mm (besser 0,5 mm) Abstand zwischen Kupfer und Rand ein, bei V-Cut-Ritzungen mindestens 0,4 mm zur Mitte der Ritzung. Für Kupferflächen (GND) sollte in den Designregeln ein Abstand zur Kontur hinterlegt sein.

4. Lötstopplack zwischen den Pads

Bei Fine-Pitch-Gehäusen (QFN, QFP mit 0,5 mm Raster) ist es wichtig, dass zwischen den Pads ein Lötstopplacksteg von mindestens 0,1 mm Breite bestehen bleibt. Prüfen Sie die Lackfreistellung (Mask Expansion) in den Footprints: Ist sie zu groß, verschmelzen benachbarte Aussparungen, und das Lot bildet leichter Brücken. Lässt sich der Steg nicht erhalten, entscheiden Sie sich für eine gemeinsame Aussparung – das erfordert jedoch eine präzisere Schablone.

5. Bestückungsdruck, der nicht stört

Der Bestückungsdruck ist für Menschen gedacht, nicht für Maschinen, kann aber dennoch Probleme verursachen:

• Text sollte mindestens 1 mm hoch sein und eine Strichstärke von 0,15 mm haben, sonst ist er unleserlich;
• Bestückungsdruck darf keine Pads überlagern, da dort beim Löten keine Benetzung stattfindet;
• Bauteilbezeichnungen gehören außerhalb des Footprints und sollten einheitlich ausgerichtet sein (in zwei Richtungen, nicht in vier);
• die Polarität von Dioden und Kondensatoren sowie Pin 1 der ICs müssen eindeutig gekennzeichnet sein;
• versehen Sie die Platine mit Name, Revision und Datum, damit Sie in einem Jahr noch wissen, was Sie in der Hand halten.

6. Passermarken für die Bestückung

Passermarken (Fiducials) sind runde Kupferflächen (1 mm Durchmesser) mit einer lackfreien Zone von 3 mm Durchmesser, die der Bestückungsautomat zur Ausrichtung nutzt. Die Regeln:

• mindestens zwei, besser drei pro Platine, in den Ecken und asymmetrisch angeordnet, damit die Ausrichtung nicht verwechselt werden kann;
• mindestens 5 mm vom Rand der Platine und des Nutzens entfernt;
• bei Fine-Pitch-BGAs zusätzlich lokale Passermarken neben dem Bauteil;
• beim Nutzen auch Passermarken auf dem Rahmen.

Ohne Passermarken ist die Bestückung von 0402- und QFN-Bauteilen nicht zuverlässig, da die Toleranzen der Platinenkontur größer sind als die Bestückungstoleranz.

7. Wärmefallen an Pads in Kupferflächen

Ein Pad, das direkt mit einer großen Kupferfläche verbunden ist, leitet die Wärme so schnell ab, dass das Lot nicht richtig schmilzt; die Folge sind kalte Lötstellen und aufgestellte Bauteile (Tombstoning). Verwenden Sie Wärmefallen (Thermal Reliefs) mit vier Stegen von 0,3 bis 0,5 mm Breite für THT-Bauteile und passive SMD-Bauteile. Ausgenommen sind Leistungspads (z. B. das freiliegende Pad unter einem QFN oder bei Spannungsreglern), bei denen der thermische Kontakt bewusst vollflächig ist; dort helfen thermische Vias und eine etwas dickere Pastenschicht.

8. Gleichmäßige Kupferverteilung

Eine ungleiche Kupfermenge auf den Lagen (eine Seite voll, die andere fast leer) führt zum Verzug der Platine bei der Fertigung und im Reflow. Füllen Sie auch schwach belegte Lagen mit Kupferflächen und erwägen Sie bei sehr großen Flächen eine Gitterfüllung. Bei Mehrlagenplatinen sollte der Lagenaufbau symmetrisch sein.

9. Vias in Pads und offene Vias

Ein Via in einem SMD-Pad saugt das Lot ab und erzeugt eine schlechte Lötstelle – es sei denn, das Via ist gefüllt und überkupfert (Via-in-Pad, plugged and capped), was eine teurere Technologie ist. Bei Standardplatinen setzen Sie Vias mindestens 0,3 mm neben die Pads und decken sie nach Möglichkeit mit Lötstopplack ab (tented), um Kurzschlüsse beim Prüfen und Korrosion zu vermeiden. Vias, die als Testpunkte dienen, bleiben offen.

10. Testpunkte und Prüfzugang

Planen Sie bereits im Layout, wie Sie die Platine prüfen werden:

• Testpunkte (Pads mit 1 mm Durchmesser oder mehr) an allen Versorgungsleitungen, am Reset, an den Kommunikationsbussen und an wichtigen Signalen;
• alle Testpunkte auf einer Seite und mit mindestens 2,54 mm Abstand, wenn Sie einen Nadeladapter erwarten;
• ein Programmierstecker oder Pads für eine Sonde (z. B. Tag-Connect), um die Firmware ohne Steckverbinder aufzuspielen;
• erwägen Sie den JTAG/SWD-Zugang auch im Serienprodukt – nur abgedeckt und unbestückt.

11. Nutzen für die Bestückung

Platinen, die kleiner als etwa 50 × 50 mm sind oder eine unregelmäßige Form haben, werden im Nutzen bestückt, damit der Automat sie verarbeiten kann. Die Regeln:

• der Nutzen sollte einen mindestens 5 mm breiten Rand mit zwei Passermarken und Positionierbohrungen haben;
• wählen Sie Ritzen (V-Cut) für rechteckige Platinen (günstiger, ohne Rückstände) oder Fräsen mit Stegen (Mouse Bites) für abgerundete Formen;
• halten Sie beim Ritzen mindestens 1 mm Abstand zwischen Bauteilen und Ritzung ein, bei Mouse Bites mindestens 2 mm;
• Bauteile, die über den Platinenrand hinausragen (Steckverbinder), erfordern Fräsungen und zusätzlichen Platz;
• wählen Sie Nutzenmaße, die Ihr Bestückungsdienstleister unterstützt (typischerweise bis 250 × 350 mm).

12. Vollständige und konsistente Dokumentation

Die meisten Verzögerungen entstehen durch Widersprüche zwischen Gerber-Daten, Stückliste und Bestückungsdatei (Pick-and-Place):

• die Stückliste sollte Bestückungsbezeichnung (R1, C3), Wert, Gehäuse, Hersteller und Herstellerteilenummer enthalten, idealerweise auch eine Alternative;
• die Bestückungsdatei sollte Koordinaten in Millimetern bezogen auf denselben Nullpunkt wie die Gerber-Daten enthalten, mit Drehung nach Standard (vereinbarte Lage von Pin 1);
• kennzeichnen Sie Bauteile, die nicht bestückt werden (DNP);
• legen Sie eine Bestückungszeichnung mit gekennzeichneter Polarität und besonderen Anweisungen bei (z. B. Höhe der Steckverbinder, Anzugsmomente der Schrauben);
• legen Sie die Revision fest; dieselbe Revision bedeutet dieselben Dateien.

Schnelle DFM-Checkliste

• Breiten und Abstände mit Reserve über dem Minimum des Herstellers
• Restringe der Vias mindestens 0,15 mm, THT-Pads mindestens 0,5 mm breiter als die Bohrung
• Kupfer mindestens 0,3 mm vom Rand entfernt
• Lötstopplack zwischen den Pads von Fine-Pitch-Gehäusen
• Bestückungsdruck ohne Überlagerung der Pads, eindeutige Polarität
• Drei Passermarken, asymmetrisch angeordnet
• Wärmefallen in Kupferflächen, vollflächiger Kontakt bei Leistungspads
• Gleichmäßige Kupferverteilung, symmetrischer Lagenaufbau
• Vias außerhalb der Pads, mit Lötstopplack abgedeckt
• Testpunkte auf einer Seite
• Nutzen mit Rand, Passermarken und passenden Abständen
• Stückliste, Bestückungsdatei und Gerber-Daten aus derselben Revision

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Eine DFM-Prüfung ist bei Selektronik Teil jedes Projekts, das wir in die Fertigung bringen – denn eine Korrektur im Layout ist immer günstiger als eine Korrektur an hundert Platinen. Wenn Ihre Platine fertig ist, laden Sie die Daten in den Leiterplatten-Konfigurator hoch und senden Sie eine Anfrage. Wenn Sie vor der Fertigung eine unabhängige DFM-Prüfung oder Unterstützung bei der Nutzenplanung und der Bestückungsdokumentation wünschen, sehen Sie sich unsere Bestückungsleistungen an.