Verschiedene Methoden der PCB-Panelisierung
Wie bei vielen Prozessen in der Elektronikindustrie gibt es auch bei der Leiterplatten-Panelisierung unzählige Möglichkeiten und Varianten. Da jeder Hersteller seine eigene Herangehensweise hat, müssen Sie als Designer von Zeit zu Zeit Ihr Design entsprechend anpassen oder einen anderen Partner für die Produktion suchen. Die drei gängigsten Methoden werden im Folgenden erläutert:
Nutzentrennung mittels V-Nuten: Bei diesem Verfahren werden die einzelnen Leiterplatten durch V-förmige Fräsungen mit einer Tiefe von einem Drittel der Nutzenhöhe voneinander getrennt. Die spätere Trennung erfolgt dann mit einer Maschine, die sich am besten für gerade Schnitte eignet. Diese Methode empfiehlt sich daher besonders für Leiterplatten, die drei Anforderungen erfüllen: keine überstehenden Bauteile, keine abgerundeten Ecken und einen ausreichenden Abstand zwischen Bauteilgrenze und Leiterplattenrand.
Nutzentrennung durch Tab-Routing: Hierbei werden die Leiterplatten entlang ihrer Konturen ausgefräst – wobei einige Materialbrücken erhalten bleiben, die die Leiterplatte während der Herstellung und Montage des Nutzens sicher an ihrem Platz halten. Diese Art der Nutzentrennung eignet sich nicht für Leiterplatten mit großen Transformatoren und anderen schwereren Bauteilen, die die Trennung erheblich erschweren. Gleichzeitig ist zu beachten, dass diese Methode die Belastung der Leiterplatten reduziert und somit das Risiko von Absplitterungen verringert.
Nutzentrennung durch Tab-Routing mit perforierten Materialbrücken: Dieses Verfahren ähnelt dem eben beschriebenen einfachen Tab-Routing. Allerdings werden hier die Materialbrücken zusätzlich mit kleinen Bohrungen perforiert, was das Trennen deutlich vereinfacht und zudem eine höhere Kontrolle bietet, da der Bruchverlauf besser vorhersehbar ist. Für Leiterplatten mit schweren Bauteilen, deren Gewicht die Materialbrücken brechen kann, ist diese Methode allerdings noch weniger geeignet.
Die Nachteile der PCB-Panelisierung
Die Verkleidung von Leiterplatten ist eine Möglichkeit, ihre Integrität zu schützen. Darüber hinaus ermöglicht die Verkleidung China PCB-Hersteller um mehrere Platinen gleichzeitig zu bestücken, wodurch Kosten und Produktionszeit reduziert werden. Die Beplankung muss fachgerecht erfolgen, damit die Leiterplatten beim Trennen nicht beschädigt oder anderweitig beschädigt werden.
Challenges:
Die Verkleidung stellt in mehreren Bereichen eine Reihe von Herausforderungen dar:
1. Depanelisierung – Nachteile einiger Depanelisierungsmethoden:
Bei Verwendung einer Oberfräse kann vor dem Versand eine zusätzliche Reinigung erforderlich sein. Bei dieser Methode entsteht viel Staub, der abgesaugt werden muss.
2. Austausch von Teilen vor dem Routing erforderlich, um Störungen bei der Depanelisierung zu vermeiden:
Überstehende Bauteile können in angrenzende Teile fallen.
3. Unvollständige Datendateien – manchmal werden von Leiterplattenherstellern unvollständige Dateien bereitgestellt, was die Kosten auf verschiedene Weise erhöhen kann:
„Breakaway Holes“ oder „Mouse Bites“ – Diese winzigen Löcher ermöglichen die Verwendung kleiner Leiterplatten in einem Array.
Kumulative und Registrierungstoleranzen – Wenn die Datendatei keine engen Toleranzen enthält, kann die kumulative Wirkung kleiner Abweichungen zu Fehlern führen. Wenn sich mehrere Platinen im Array befinden, kann die Registrierung nicht mehr zentriert werden.
DFM und PCB-Panelisierung
Wenn Unternehmen Leiterplatten für große Stückzahlen entwickeln, suchen sie nach Möglichkeiten, die Herstellungskosten mit kleinen Tricks und Kniffen zu senken. Dies erfordert nur relativ geringen Aufwand, wenn die Details der Produktion bereits in der frühen Phase des Designprozesses ausführlich besprochen und bei der Entwicklung der Leiterplatte berücksichtigt werden (was daher dringend empfohlen wird). Diese frühzeitige Optimierung des Layouts im Hinblick auf die geplanten Fertigungsprozesse wird allgemein als „produktionsorientiertes Design“ oder „Design für die Fertigung” (kurz: DFM).
Es gibt verschiedene DFM-Methoden, mit denen sich langfristig erhebliche Einsparungen erzielen lassen. Meine bevorzugte Strategie besteht darin, frühzeitig mit den produzierenden Unternehmen in Kontakt zu treten und ihre spezifischen Fähigkeiten, Herausforderungen und Geschäftsmodelle kennenzulernen. So kann ich mir ein Bild davon machen, welche Aspekte meines Designs einfach (und damit kostengünstig) umsetzbar sind und welche Elemente mit zusätzlichem Aufwand (und entsprechend höheren Kosten) verbunden sind.
Davon profitierte ich beispielsweise vor einigen Jahren, als ich einen Verstärker für einen Lautsprecher entwickelte und zunächst eine Leiterplatte mit rundem Formfaktor favorisierte, da diese optisch ansprechend direkt hinter dem ebenfalls runden Chassis des Lautsprechers montiert werden konnte. Als ich meine Idee jedoch mit dem Hersteller besprach, stellte sich schnell heraus, dass die Herstellung von Leiterplatten mit einer (vermeintlich einfachen) runden Form so teuer ist, dass dies die Wirtschaftlichkeit des Designs stark einschränkt.
Daher entschied ich mich letztendlich für ein rechteckiges Standarddesign, dessen Herstellungskosten deutlich geringer waren. Durch die entsprechende Anpassung meines Layouts konnte ich die Gewinnspanne des Endprodukts erhöhen und das Projekt erfolgreich abschließen.
PCB-Paneling senkt Kosten
Ein weit verbreiteter DFM-Ansatz ist die sogenannte Panelisierung. Dabei werden mehrere Leiterplattenlayouts auf ein größeres Substrat bzw. Panel aufgebracht und anschließend in dieser Form bestückt. Die gewünschten Einsparungen ergeben sich durch die Möglichkeit, mehrere Leiterplatten gleichzeitig herzustellen.
Nach Abschluss des Fertigungs- und Bestückungsprozesses wird der Nutzen anschließend in die einzelnen Leiterplatten zerlegt. So erhält man auf einen Schlag eine ganze Reihe fertiger und (hoffentlich) voll funktionsfähiger Leiterplatten, die nur darauf warten, verbaut und verkauft zu werden. Das klingt doch ziemlich einfach, oder? Doch nicht so schnell: Damit die Leiterplatten-Massenproduktion später möglichst reibungslos abläuft und die gewünschten Einsparungen bringt, müssen beim Nutzen einige wichtige Feinheiten beachtet werden.
Faktoren, die die Kosten der PCB-Panelisierung beeinflussen
Natürlich interessieren sich die meisten Designer letztlich weniger für die technischen Details der verschiedenen Verfahren als vielmehr für die damit verbundenen Kosten und Herausforderungen. Als Faustregel gilt hier, dass Kosten und Aufwand von der Komplexität des zu fertigenden Designs abhängen und mit dieser wachsen. Zudem ist zu beachten, dass die Panelisierung folgende Herausforderungen mit sich bringt, die sich ebenfalls auf die Kosten auswirken:
Trennen: Wird zum Trennen der fertig bestückten Leiterplatten eine Fräse verwendet, verbleiben Späne und andere Rückstände auf der Leiterplattenoberfläche, die später in einem separaten Arbeitsschritt mit zusätzlichem Aufwand und Kosten entfernt werden müssen. Wer statt einer Oberfräse eine Säge verwenden möchte, sollte bei der Gestaltung der Leiterplattenkontur berücksichtigen, dass nur gerade Schnitte möglich sind. Eine dritte Möglichkeit ist der Einsatz eines modernen Lasers, der allerdings nur für Leiterplattendicken von 1 mm oder weniger geeignet ist, sodass sich hier keine mehrlagigen Leiterplattendesigns beliebiger Dicke herstellen lassen.
Brüche: Die meisten Trennverfahren hinterlassen grobe Brüche an den Seiten der Werkstücke – insbesondere bei der Nutzentrennung durch Tab-Routing mit perforierten Materialbrücken (siehe oben). Um die einzelnen Leiterplatten sicher handhaben zu können, müssen diese an den entsprechenden Stellen abgeschliffen werden, was wiederum zusätzlichen Arbeitsaufwand bedeutet.
Überhängende Bauteile: Wie bereits erwähnt, können überhängende Bauteile die Anzahl der für Ihr Design verwendbaren Nutzenherstellungsmethoden drastisch einschränken. In einem solchen Fall kann es auch zu Problemen bei der Vereinzelung der fertigen Leiterplatten kommen, da die Gefahr besteht, dass der Fräskopf mit einem überhängenden Bauteil kollidiert und dadurch das gesamte Nutzen beschädigt. Solche Ausfälle verursachen unvorhergesehene Kosten und Verzögerungen.
PCB-Lieferkette: Eine vollständige und stabile PCB-Lieferkette hilft Herstellern, ausreichend Komponenten und andere Rohstoffe zu wettbewerbsfähigen Preisen zu erhalten, während etwaige Komponentenengpässe nicht nur den Fertigungsfortschritt verlangsamen, sondern auch Ihre PCB-Panelisierungskosten erhöhen.
Möglichkeiten zur Früherkennung und präventiven Behebung potenzieller Probleme
Erfahrene PCB-Designer verlassen sich auf verschiedene bewährte Methoden zur frühzeitigen Erkennung und Behebung potenzieller Probleme.
Wie bereits erwähnt, kann ein Design basierend auf DFM-Prinzipien effektiv sicherstellen, dass die Panelisierung und Produktion so kostengünstig wie möglich abläuft. Für die PCB-Panelisierung ist es unter anderem notwendig, sich bereits in der frühen Phase des Designprojekts über die richtigen Fertigungsunternehmen und deren Herstellungsverfahren zu informieren. So können Sie Ihr Layout von Anfang an optimal für die Produktion gestalten.
Darüber hinaus lassen sich viele Herausforderungen rund um die automatisierte Leiterplattenfertigung mit erstklassiger Designsoftware leichter meistern. So bietet Altium Designer® beispielsweise mit der Funktion „Embedded Board Array“ umfangreiche Funktionen für die Leiterplattenbestückung. So lässt sich ein Nutzen mit mehreren identischen oder unterschiedlichen Leiterplattendesigns problemlos bestücken. Da die Originaldesigns nicht einfach in den Nutzen kopiert, sondern mit ihm verknüpft werden, sind Änderungen am Originaldesign im Layout des Nutzens sofort sichtbar.
Natürlich gibt es neben der Bestückung noch viele weitere Möglichkeiten, Fertigungskosten zu sparen. Dennoch verdient dieser Punkt besondere Aufmerksamkeit, da Fehler hier schnell zu unvorhergesehenen Mehrkosten oder sogar völlig ungeeigneten Leiterplatten führen.
Daher sollten Sie die hier – und in zahlreichen weiteren Artikeln – beschriebenen Hinweise und DFM-Prinzipien unbedingt beherzigen und im gesamten Designprozess auf eine produktionsgerechte Konstruktion achten. Dadurch sparen Sie nicht nur Zeit, sondern können auch die Herstellungskosten sowie das Risiko nachträglicher Korrekturen reduzieren.
Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, wie Altium Ihnen bei der Bewältigung Ihrer Verkleidungsprobleme helfen kann, sprechen Sie noch heute mit einem unserer Experten.
EXTENDED GERBER RS274-X – PCB-Daten
– Sofern Ihr Konstruktionssystem dies zulässt, verwenden Sie für den Datenexport das erweiterte Gerät RS 274-X. Der Hauptvorteil besteht darin, dass alle Informationen zu Form und Größe der Platten im Header enthalten sind. Der Datenimport wird dadurch vereinfacht und das Risiko einer fehlerhaften Plattenvorbereitung minimiert. Die Datenverarbeitungszeit wird deutlich reduziert, was sich auch auf die geringeren Kosten für die Datenaufbereitung auswirkt.
