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Maschinentoleranzen und Datenformate

Es wird mißverständlich angenommen, daß eine am CAD-System festgelegte Koordinatenposition von einer Maschine ohne Verluste angesteuert werden könnte.

Eine CNC-gesteuerte Maschine, die für die Produktion von Leiterplatten eingesetzt wird, hat eine Positioniergenauigkeit von ±3 µm. Vorausgesetzt, die Maschine ist hochwertig und in kontinuierlicher Wartung.

Es gibt für einen Multilayer zirka 2 Dutzend Arbeitsgänge, bei denen die teilfertige Leiterplatte vorher ausgerichtet werden muß (…man spricht dann vom „Registrieren“). Das Aufnehmen und das Registrieren können in Summe zu Abweichungen von ±100 µm führen. Insbesondere gilt diese Toleranz für den Versatz zwischen Bild und Mechanik.

Bildgeometrien und Bohrungen sind also nur ungefähr dort, wo sie idealerweise sein sollten.

Bei kleinen SMD-Flächen kann sich das fatal auswirken, weil ja auch die Lasermaschinen für das Schneiden der Lotpastenschablone, die Lotpastendrucker sowie die Bestückungsmaschinen vergleichbaren Bedingungen unterliegen.

Entscheidend ist, welche Paßsysteme für die Registrierung in das Layout integriert werden. Wegen des Versatzes zwischen Bild und Mechanik ist für die SMD-Bestückung eine mechanische Referenz ungeeignet. Das funktioniert nur mit Paßmarken, die Teil des Leiterbildes sind. Andererseits taugen die nichts, wenn bedrahtete Bauteile bestückt werden sollen, dazu ist wiederum eine Paßbohrung als Referenz die bessere Lösung.

Es ist die Aufgabe des CAD-Designs, die notwendigen Referenzen als Paßbohrungen und Paßmarken in das Layout einzubringen.

Viele Maschinen, die für die Produktion der Leiterplatte und der Baugruppe eingesetzt werden, müssen die Koordinaten des CAD-Postprozeßes nutzen. Der Postprozeß rechnet üblicherweise die CAD-interne Koordinatenauflösung herunter. Das hat fatale Folgen.

Aus historischen Gründen ist im CAD-System voreingestellt, Bilddaten im Format „Gerber 2.3in“ und Bohrdaten im Format „Sieb&Meyer 3.2mm“ (…oder auch „Excellon 3.2mm“) auszugeben.

„2.3in“ bedeutet, in kleinster Auflösung können drei Stellen hinter dem Komma ausgegeben werden. Das wären dann 0.001 in oder 1 mil oder 25.4 µm. Paßt die Position eines SMD-Pads oder einer Leiterbahn nicht in das 25.4-µm-Raster, dann wird während des Postprozesses die Position in X- und/oder Y-Richtung auf- und/oder abgerundet.

Weil es kein ganzzahliges Vielfaches gibt, das eine beliebige ganzzahlige metrische Koordinate in eine ganzzahlige zöllige Koordinate umsetzt, stimmen Bilder und Bohrungen sowieso nie überein. Das ist so, seitdem es CAD-Systeme gibt (…nebenbei ist es außerdem bemerkenswert, daß die Koordinaten in amerikanischen „Inch“ angegeben werden, die sich dann aber in einem englischen „Zölligen“ Koordinatensystem wiederfinden).

Man muß deshalb nicht auf Bauformen wie „0201“ warten, bis ein Versatz auffällig wird, der sich aus dieser Vorgehensweise ergibt. Spätestens aber zeigt sich beim Prozessieren dieser Bauform, daß eine gelaserte Schablone (…Datenausgabe 2.3in) niemals richtig zu einer Leiterplatte passen kann, die ausschließlich über Bohrungen referenziert wird (…Datenausgabe 3.2 mm, Versatz bis zu ±100 µm).

Fazit

• Berücksichtigen Sie bei der Arbeit am CAD-System die Reduzierung der Lötflächen durch die Rückätzung.

• Arbeiten Sie systematisch, um künftige Erfahrungen zuverlässig einfließen lassen zu können.

• Überprüfen Sie den Postprozeß Ihres CAD-Systems und geben Sie alle Daten einheitlich im Format 3.3 mm aus.

Quelle: Arnold Wiemers, Seminar „Tangens Alpha“, LA-LeiterplattenAkademie GmbH, Berlin

Hier finden Sie alle Teile der Beitragsreihe CAD-, Leiterplatten- und Baugruppentechnik

Vortrag Tangens Alpha - Videoaufzeichnung vom FED-Designer-Tag 2010

Empfehlungen für das fertigungsgerechte Design von HDI-Leiterplatten

* Arnold Wiemers, Mitinhaber der LA-LeiterplattenAkademie GmbH in Berlin, konzipiert und veranstaltet Fachseminare zum Themenkreis CAD, Leiterplattentechnologie und Baugruppenproduktion.

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