Optimale Gestaltung von Passermarken für die SMD Bestückung
Passermarken: was die Bestückungsmaschine auf Ihrer Leiterplatte braucht
Ihr Layout ist fertig, und der Bestücker fragt nach Passermarken? Wozu die Maschinen sie brauchen und welche Passermarken auf Ihre Leiterplatte gehören, zeigen wir Ihnen hier.
Was die Kamera an den Passermarken abliest
Die Rückfrage nach den Passermarken wirkt auf den ersten Blick nebensächlich. Für die Funktion Ihrer Baugruppe spielen die kleinen Marken keine Rolle, im Schaltplan tauchen sie gar nicht auf. Gebraucht werden sie erst in der Fertigung, dort allerdings an mehreren Stationen.
Passermarken, oft auch Fiducials genannt, sind optische Referenzpunkte auf der Leiterplatte. Sie dienen allein der Produktion. Auf der Bestückungslinie erfassen Kameras diese Punkte und berechnen daraus, wo Ihre Leiterplatte gerade liegt. Das beginnt beim Schablonendruck, wenn die Lotpaste auf die Pads kommt, also auf die Lötflächen der Bauteile. Danach richtet sich der Bestückungsautomat nach denselben Marken, und nach dem Löten auch die automatische optische Inspektion (AOI). Wie die Stationen ineinandergreifen, zeigen wir Ihnen im Beitrag zur SMD Bestückung.
Warum reicht es nicht, die Leiterplatte einfach genau einzuspannen? Keine Platine liegt exakt gleich in der Maschine. Schon eine kleine Verschiebung genügt, und ein feines Bauteil landet neben seinen Pads. Dazu kann eine Leiterplatte leicht gedehnt oder verdreht sein. Über die Passermarken misst die Kamera das nach, und die Maschine passt jede Bauteilposition daran an.
Die meisten heutigen Bestückungsgeräte richten die Leiterplatte über Bilderkennung aus. Grundsätzlich findet sich die Kamera auch an anderen Merkmalen zurecht, etwa an Durchkontaktierungen, den metallisierten Bohrungen zwischen den Lagen. Darunter leidet allerdings die Genauigkeit, mit der die Bauteile sitzen. Passermarken gehören deshalb auf jede Leiterplatte, die automatisch bestückt wird, auch wenn keine besonders feinen Bauformen darauf sitzen.
Wo Passermarken auf Leiterplatte und Nutzen sitzen
Die Norm IPC-7351 unterscheidet drei Arten. Nutzen-Passermarken sitzen auf dem Rand des Nutzens. So heisst der Verbund, in dem mehrere Leiterplatten gemeinsam gefertigt werden. Diese Marken richten vor allem den Schablonendruck aus. Globale Passermarken sitzen auf der einzelnen Leiterplatte und bilden den Bezug für alle Bauteile darauf. Lokale Passermarken stehen direkt bei einem Bauteil mit sehr feinem Raster. Das betrifft etwa QFN- oder BGA-Gehäuse mit einem Anschlussabstand unter 0,5 mm.
Bei der Platzierung kommt es auf den Abstand an. Drei globale Passermarken bilden ein Dreieck und liegen so weit wie möglich auseinander. Dann erkennt die Kamera auch eine Dehnung oder Verdrehung der Platine zuverlässig. Ideal ist ein Dreipunktsystem: Die Marke unten links liegt auf dem Nullpunkt, die beiden anderen in positiver X- und Y-Richtung. Auf dem Nutzenrand gilt dasselbe mit drei Marken.
Manche Layouts sehen auf dem Nutzenrand vier Marken vor, eine in jeder Ecke. Liegen sie symmetrisch, findet die Kamera sie auch dann, wenn der Nutzen verkehrt herum im Schablonendrucker liegt. Die Maschine bemerkt den Fehler nicht. Sitzt die vierte Marke dagegen bewusst asymmetrisch, fällt eine falsch eingelegte Leiterplatte sofort auf.
So prüfen Sie Ihr Layout vor der ersten Serie
Ebenso wichtig wie das Layout sind die Bestückungsdaten. Die Koordinatendatei, auch Pick-and-Place-Datei genannt, enthält die Position jedes Bauteils. Am besten stehen die Passermarken von Anfang an darin. Dann rechnet die Maschine gleich mit den richtigen Referenzpunkten, und vor dem Start braucht es dazu keine Rückfrage.
Nicht jede Leiterplatte braucht alle drei Arten. Die Norm beschreibt zwar lokale Passermarken, heutige Maschinen benötigen sie aber kaum noch. Sinnvoll sind sie vor allem auf sehr grossen Leiterplatten mit Fine-Pitch-Bauteilen. Dort kommt es auf eine hohe Bestückgenauigkeit an. Für unsere Fertigung bei HORELEC brauchen wir Nutzen-Passermarken und globale Passermarken.
Ob Ihr Layout bereit ist, prüfen Sie mit wenigen Fragen. Sitzen auf jeder Leiterplatte drei globale Passermarken im Dreieck, möglichst weit auseinander? Liegt die Marke unten links auf dem Nullpunkt? Hat der Nutzenrand eigene Marken, und liegen sie bei vier Stück asymmetrisch? Stehen alle Marken auch in der Koordinatendatei? Können Sie alle vier Fragen mit Ja beantworten, hat die Maschine, was sie zur Orientierung braucht. Die empfohlenen Masse für die Marken zeigen wir Ihnen weiter unten im Detail.
Damit Ihre erste Serie ohne Umweg anlaufen kann, muss Ihr Layout alles enthalten, was die Maschinen für die Bestückung brauchen. Die Passermarken sind dafür der erste Baustein, Bestückung und Prüfung bauen darauf auf. Wie das bis zur fertigen Baugruppe zusammenspielt, zeigen wir Ihnen Schritt für Schritt.
Vier Beiträge, die aufeinander aufbauen
SMD Bestückung: so kommt jede Serie in gleicher Qualität zurück
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THT Bestückung: so sitzen bedrahtete Bauteile in jeder Serie gleich fest
Die Hand — was nicht auf die Oberfläche passt, setzen wir von Hand.
Passermarken: was die Bestückungsmaschine auf Ihrer Leiterplatte braucht
Das Layout — was die Maschine auf Ihrer Leiterplatte braucht.
Direktstecktechnik: so kommen Stecker ohne Lötschritt auf Ihre Baugruppe
Die Verbindung — Stecker direkt auf der Leiterplatte, ohne Stiftleiste und Lötschritt.
Soll Ihre erste Serie ohne Umweg anlaufen?
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Administrative Leitung
Passermarken im Detail
In der Praxis
Welche Masse sollte eine Passermarke haben?
Als optimal gilt ein runder Kupferpunkt mit 1 mm Durchmesser. Um ihn herum bleibt die Lötstoppmaske auf 2 mm geöffnet. Dadurch hebt sich der Punkt klar von der Umgebung ab, und die Kamera erkennt die Passermarken sicher. Wichtig ist allerdings, dass alle Marken einer Leiterplatte gleich aussehen. Die Grafik zeigt die Masse am Beispiel einer bestückten Platine.
Wie kommen die Marken in die Koordinatendaten?
Die Koordinatendatei entsteht beim Export aus dem Layoutprogramm. Sie listet für jedes Bauteil seine Position auf der Leiterplatte. Stehen die Passermarken darin als eigene Einträge, kennt die Maschine ihre Lage deshalb von Anfang an. Fehlen sie hingegen, muss man die Positionen vor dem Start aus den Layoutdaten nachtragen. Bei einem Nutzen gehören zudem auch die Marken auf dem Nutzenrand in die Datei.
Werden Passermarker auch als Testpunkte genutzt?
In wenigen Fällen ja. Grundsätzlich dienen die Marken allein der Produktion, denn die Kameras im Schablonendrucker, im Bestückungsautomaten und in der AOI orientieren sich daran. Gelegentlich nutzt man den Kupferpunkt jedoch zusätzlich als Testpunkt für die elektrische Prüfung. Wie diese Prüfung abläuft, zeigen wir Ihnen in den Grundlagen der Prüftechnik.
Arten & Platzierung
Was sind Passermarken auf einer Leiterplatte?
Es sind kleine Kupferpunkte, die der Fertigung als optische Referenz dienen. Sie entstehen im selben Arbeitsgang wie das Leiterbild und liegen deshalb genau im Bezug zu den Pads. Daher lesen Kameras auf der Bestückungslinie daran ab, wo die Platine liegt. Manche schreiben auch Passmarken. In englischen Unterlagen findet man Passermarken auf dem PCB, dem Printed Circuit Board, zum Beispiel unter dem Namen Fiducials. Eine kurze Definition finden Sie bei Wikipedia.
Reichen zwei Passermarken auf der Leiterplatte?
Mit zwei Marken bestimmt die Maschine, wie weit die Platine verschoben oder verdreht liegt. Sollen jedoch auch Verzerrungen wie Dehnung oder Skalierung ausgeglichen werden, braucht es mindestens drei globale Marken. Sie liegen dann im Dreieck und so weit wie möglich auseinander. Drei Marken decken beide Fälle ab und sind deshalb die übliche Wahl.
Wo sitzen lokale Passermarken?
Lokale Marken gehören zu dem Bauteil, das sie ausrichten. Üblich sind zwei Stück an diagonal gegenüberliegenden Ecken, nämlich auf den Mittellinien der Anschlussreihen. Dadurch setzt die Maschine das Bauteil genauer, als es die globalen Marken allein erlauben. Gedacht sind lokale Passermarken vor allem für QFN- oder BGA-Gehäuse mit einem Raster unter 0,5 mm. Heutige Maschinen benötigen sie allerdings kaum noch.
Häufige Fragen
Was heisst Fiducial Marker auf Deutsch?
Fiducial Marker ist der englische Fachbegriff für Passermarken. Kurz spricht man ebenso von Fiducials oder von einem Fiducial. Das Wort geht auf das lateinische „fiducia“ zurück, das Vertrauen bedeutet. Die Marke ist also der Punkt, auf den sich die Maschine verlassen kann. In der Norm IPC-7351 steht übrigens der englische Begriff.
Brauchen Leiterplatten ohne Fine-Pitch-Bauteile Passermarken?
Ja, sobald Bauteile automatisch bestückt werden. Nach IPC-7351 gehören globale Marken nämlich auch dann auf die Leiterplatte, wenn kein Bauteil ein Raster unter 0,5 mm (0,020 Zoll) hat. Denn die Maschine braucht den Bezug für jede Bauteilposition. Die Norm gibt der Branchenverband IPC heraus.
Welche Passermarken braucht HORELEC für die Bestückung?
Für unsere Fertigung brauchen wir Nutzen-Marken auf dem Nutzenrand und globale Marken auf jeder Leiterplatte. Lokale Marken sind bei uns hingegen in der Regel nicht nötig, weil heutige Maschinen sie kaum noch benötigen. Am besten stehen deshalb alle Marken von Anfang an in der Koordinatendatei. Wie die Bestückung danach weiterläuft, lesen Sie im Beitrag zur SMD Bestückung.
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