Was Leiterplattendesigner über Passermarken wissen sollten

Passermarken (Fiducials) sind Markierungen, die als Referenz für die Platzierung der Leiterplatte oder Größe verwendet werden. Theoretisch können diese Markierungen jede Form haben, solange sie sicher erkannt werden. Im Leiterplattendesign verwenden wir Passermaken, um Maschinen und die Materialien, mit denen sie arbeiten, so genau wie möglich auszurichten. Daher sind die Geometrie und die Platzierung der Passermarken entscheidend für die Zuverlässigkeit der zu fertigenden Leiterplatten. Auch wenn es recht simpel erscheint, einfach drei runde Zeichen auf der Platine anzubringen, ist das Thema komplexer als es zunächst scheint.

Passermarken werden aus freiliegendem plattiertem Kupfer mit einer Lötstoppmaske hergestellt, üblicherweise mit einem Verhältnis von mindestens 1:2 und maximal 1:3.

Warum wir Passermarken brauchen

Wenn wir eine Leiterplatte fertigen lassen, schicken wir die physische Darstellung der Platine an den Leiterplattenhersteller normalerweise als Gerber-Dateien. Wenn wir möchten, dass die Leiterplatte mit Bauteilen bestückt wird, müssen wir auch deren Koordinaten und Drehung mitteilen. Dazu senden wir auch eine Stückliste (BOM) und die Positionsdaten (CPL) oder verwenden Formate wie Gerber X3, in denen diese Informationen bereits eingebettet sind. Die Maschinen in der Leiterplattenbestückung (Lotpastendrucker, Bestückautomaten, Inspektionssysteme) erhalten diese Informationen und müssen dann die tatsächliche physische Stelle auf dem Nutzen finden, auf dem sich eine oder mehrere Leiterplatten befinden können.

Wir können die Automaten auf zwei Arten unterstützen. Wir können versuchen, den Nutzen (Panel) mit den Leiterplatten sehr genau auf der Maschine auszurichten. Das funktioniert aufgrund der mechanischen und fertigungstechnischen Registrierungstoleranzen normalerweise nicht zuverlässig, weil es von den mechanischen Toleranzen oder dem Geschick des Bedieners abhängt. Viel zuverlässiger sind die Zentriersysteme der Automaten. Kamerasysteme erkennen die Passermarken und vermessen den Versatz in x- und y-Richtung und die Drehrichtung und korrigieren sie Position automatisch.

Wie wir Passermarken designen

Hier sehen wir einen Nutzen mit Passermarken, der zwei Leiterplatten mit jeweils drei Passermarken enthält, die blau umrandet sind. Die Passermarken befinden sich an den “Ecken” der Leiterplatte, so weit wie möglich voneinander entfernt, aber ohne die Funktion zu beeinträchtigen z.B. innerhalb des Antennensperrbereichs.

Die gebräuchlichsten Referenzpunkte einer Leiterplatte bestehen aus einer runden Fläche freiliegendem Kupfer und einer zentrierten Lötstoppmaske mit einem Verhältnis von 1:2 oder 1:3 (dies ist ein von der IPC vorgegebener Bereich). Der Durchmesser des freiliegenden Kupfers liegt normalerweise irgendwo zwischen 1mm und 2mm.

Da wir die Passermarken in erster Linie für die Bauteilplatzierung verwenden, erstellen wir sie im gleichen Verfahren wie die Anschlussflächen für die Bauteile (dies muss nach IPC-7351B so gemacht werden). Das gibt uns die beste Passgenauigkeit; Ein Siebdruck ist dafür ungeeignet, weil dessen Passtoleranz normalerweise viel gröber ist. Dann entfernen wir die Lötstoppmaske, um den Kontrast zu erhöhen und Lichtspiegelungen zu reduzieren, damit sie von den Kameras gut erkannt werden und stellen sicher, dass sie nicht “gelötet” werden.

Um Platz zu sparen, ist es hilfreich, die Passermarken auf beiden Seiten der Leiterplatte an der gleichen Stelle zu platzieren. Das ist allerdings nicht vorgeschrieben. Ein Referenzpunkt auf einer Seite verhindert, dass ein Via oder ein durchkontaktiertes Bauteil an dieser Stelle platziert werden kann, daher ist es platzsparender, die Referenzpunkte “übereinander” anzuordnen.

Welche Arten von Passermarken es gibt

Globale Passermarken sind Referenzpunkte, die die Ausrichtung der gesamten Platine gewährleisten. Normalerweise würden wir drei von ihnen irgendwo in der Nähe der Ecken der Leiterplatte platzieren, und zwar möglichst weit voneinander entfernt. Wir müssen auch vermeiden, dass identische Passermarken nebeneinander liegen. Das verfehlt nicht nur den Zweck, sondern kann auch den Bestückautomaten verwirren. Ein runder Referenzpunkt gibt uns nicht viel Information; zwei sind besser, können aber immer noch Verwirrung über die Orientierung der Leiterplatte verursachen.

Drei Referenzpunkte erlauben es der Maschine, die Lage zu bestimmen und jegliche Dehnung, Skalierung oder Verformung zu kompensieren, die während des Herstellungs- und Montageprozesses auftreten. Wenn wir die Passermarken in der Nähe der Leiterplattenkante und weit voneinander entfernt platzieren, können wir sie optimal nutzen. Vier Referenzpunkte können wieder zu Verwirrung führen, weil die Maschine aufhört zu suchen, wenn sie drei gefunden hat und die Ausrichtung falsch versteht.

Lokale Passermarken sind Referenzpunkte, die Bestückautomaten noch weiter helfen, indem sie ihm Marker in der Nähe von Fine-Pitch-Bauteilen geben, die eine bessere Ausrichtung benötigen als andere Bauteile. Hier verwenden wir die Passermarken zur Ausrichtung, obwohl je nach Muster auch Rotationsinformationen extrahiert werden können. Die IPC empfiehlt zwei lokale Referenzpunkte, die diagonal zueinander und quer zum Bauteil liegen. Lokale Referenzpunkte können zwischen nah beieinander liegenden Komponenten geteilt werden, wenn der Platz knapp ist.

Während globale Referenzpunkte in der Regel erforderlich sind, hängt der Bedarf an lokalen Referenzpunkten von den Fähigkeiten der Bestückautomaten und der Größe der Leiterplatte ab: einige Automaten brauchen sie nicht und andere nur bei größeren Leiterplatten. Lokale Passermarken können lästig sein, weil sie in diesem kleinen Maßstab viel Platz einnehmen, normalerweise genau dort, wo wir die Leiterbahnen vom Bauteil weg auffächern oder einen Bypass-Kondensator platzieren wollen. Es ist wahrscheinlich am besten, mit dem Hersteller darüber zu sprechen, ob lokale Passermarken überhaupt hilfreich sind, oder wie man sie verkleinern kann.

Referenzpunkte auf dem Nutzen oder Panel auf sich mehrere Leiterplatten befinden, sind eine Form von globalen Referenzpunkten. Panel Passermarken werden auf dem “Abfall”-Material des Nutzens platziert.

Wie Eurocircuits Passermarken handhabt

Verschiedene Passermarken, die Eurocircuits an den Kanten der Nutzen verwendet.

Wenn Eurocircuits Ihre Leiterplatte nicht nur fertigt, sondern auch mit elektronischen Bauteilen bestückt, brauchen Sie eigentlich keine Passermarken auf Ihrer Leiterplatte. Der Grund: Wir fügen unsere eigenen Passermarken auf dem Nutzen hinzu, zu dem Ihre Leiterplatte gehört. Außerdem verwenden wir Merkmale auf der Leiterplatte wie z.B. Pads als lokale Passermarken, wenn das notwendig ist. Wir empfehlen Ihnen jedoch, drei Referenzpunkte vorzusehen, wenn die Leiterplatte in Zukunft von einem anderen Hersteller gefertigt und bestückt wird.

Die Verwendung eines Referenzpunktes mit einem Kupferdurchmesser von 1,5mm ist für die meisten Fälle ideal. Wenn es nötig ist, können Sie auch auf 0,6mm Durchmesser verkleinern. Sie brauchen uns nicht mitzuteilen, welche Merkmale die Passermarken sind; unser Prozess wird sie so oder so finden. Nur: Platzieren Sie die Passermarken nicht zu dicht nebeneinander. Und, wie oben erwähnt, lassen Sie sie einfach weg, wenn Sie keinen Platz mehr auf der Leiterplatte haben. Wir finden andere Bezugspunkte. Unsere Maschinen können mehr als drei Passermarken auf der Leiterplatte verarbeiten, aber mehr als drei hat keinen Sinn.

Hier finden Sie unsere Empfehlungen für Passermarken:

https://www.eurocircuits.de/pcb-assembly-guidelines-fiducials/

Kurioses am Rande: Warum sind Passermarken rund?

Ich habe mich gefragt, warum wir normalerweise runde Passermarken verwenden. In Twitter und anderen soziale Netzwerken habe ich mich umgehört. Es gibt viele Theorien:

• Runde Objekte sind für Maschinen leichter zu lokalisieren.
• Bei HAL ist die konvexe Form auf einer runden Passermarke immer noch rund, während sie bei einer quadratischen Form nicht mehr ganz quadratisch sein könnte.
• Es ist einfacher für Maschinen, den Mittelpunkt einer runden Form zu finden.
• Runde Formen haben die geringste Oberfläche.
• Gleichmäßiges Ätzen rundet die Form.
  Es fördert die Verwendung von mehreren Referenzpunkten anstelle von weniger effektiven, ungeraden Formen, die theoretisch auch Informationen zur Rotation enthalten könnten, aber schwer zu verarbeiten sind.
• Es ist ein Merkmal, das sich am deutlichsten von dem unterscheidet, was ein traditionelles Board haben könnte, das meist aus Rechtecken besteht.
• Runde Montagelöcher können als billiger Referenzpunkt dienen.
• Wir haben das immer so gemacht.

Einige davon sind wahrscheinlich richtiger als andere. Die Bildverarbeitung muss den Referenzpunkt genau finden und dann sein genaues Zentrum berechnen. Also scheint eine runde Form dieses Ergebnis am besten zu unterstützen.