Einfluss des m.n.-Formats auf die Qualität von PCB und Baugruppe

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Die Evolution des Datentransfers

Nun ist das nichts wirklich Aufregendes. Bereits vor Jahrzehnten wurden Daten für die Ansteuerung von Produktionsmaschinen genutzt. Viele Fertigungsabläufe konnten damit automatisiert werden.

Allerdings war es damals nicht so komfortabel, Daten zu speichern, wie das heute der Fall ist. Die Diskette war noch nicht erfunden. Auch Magnetbänder gab es noch nicht. Für die variable Ansteuerung von Werkzeugmaschinen wurden Lochkarten genutzt, später dann die fortschrittlichere Variante, der Lochstreifen. Der Datenträger war gleichzeitig auch das Speichermedium mit einem verständlicherweise drastisch reduzierten Speichervolumen. Das Speichervolumen und das Speichermedium waren linear proportional aneinander gekoppelt. Bei doppeltem Informationsgehalt musste der Lochstreifen quasi doppelt so lang sein. Daraus ergab sich die Notwendigkeit, den Umfang des formellen Datentransfers zu straffen.

Wir lesen als Menschen die Koordinatenangabe "X=123,45mm" sehr zügig und verstehen, wo wir damit im Koordinatensystem positioniert sind. Wenn wir Gleiches von einer Maschine erwarten, dann müssen wir im Zeitalter des Lochstreifens jedes Zeichen als ASCII-Code transportieren. Das ist ein eigenes Byte in einer eigenen gestanzten Spalte auf dem Lochstreifen.

Damit die Lochstreifen nicht zu lang und die Dateninterpretation in der Maschine nicht zu umständlich wurden, hatte man eine Konvention hinsichtlich des Datentransfers getroffen: Es wurden nur die absolut notwendigen Daten als Ziffernreihenfolge und mit eingeschränkter Koordinatenauflösung weitergegeben.

Das "m.n."-Format war erfunden. Das ging zirka drei Jahrzehnte gut und Lochstreifen sind längst Geschichte. Allerdings führt die seit diesen Tagen übernommene Strategie des Datentransfers heute zu einigen Komplikationen.

Darstellung einer Position im m.n.-Format

Im m.n.-Format werden die Koordinaten ohne Kommastelle und Längenreferenz angegeben. Eine Position im Koordinatensystem hat demnach beispielsweise die Form "P(x/y)= 12300 54630". Erst der Hinweis auf das m.n.-Format macht diese Angabe sinnvoll nutzbar. Mit "m" wird die maximale Anzahl an Vorkommastellen für die Koordinate angegeben, mit "n" die grundsätzliche Anzahl an Nachkommastellen. Als ergänzende Information wird mitgeteilt, ob die Koordinatenwerte metrisch oder zöllig zu interpretieren sind. Zudem gilt die Konvention, dass in einem Koordinatenpaar der X-Wert zuerst steht.

Geben wir für das obige Beispiel das m.n.-Format mit "2.3 inch" vor, dann liest sich die Koordinate für P(x/y) als "X12,300in Y54,630in". Das ergibt schon eher einen Sinn und mit der Übergabe des m.n.-Formates an die Produktionsmaschinen können die Daten für Plotten, Bohren, Fräsen, Schablonenfertigung und Baugruppenbestückung etc. von den Automaten jetzt genutzt werden (Bild 2).

Die Aufgabenstellung scheint damit gelöst zu sein. Die Analyse dieses Formates zeigt jedoch, dass es eine Einschränkung gibt. Das Format "2.3in" bedeutet, es können maximal 3 Stellen nach dem Komma angegeben werden. Die kleinste Koordinate ist demnach 0,001 in. Das ist 1/1000 inch oder 1 mil. 1 mil entspricht 25,4 µm. Die nächste beschreibbare Koordinate kann dann erst bei 0,002 in liegen. Die Koordinatenauflösung beträgt somit 1mil. Oder, anders formuliert, bei einem m.n.-Format von "2.3in" sind Koordinaten nur mit einem ganzzahligen Vielfachen von 25,4 µm darstellbar.

Nun gibt es offensichtlich am CAD-System präzisere Positionierungen. Die CAD-Systeme arbeiten intern auf einer Inch-Basis mit einer Auflösung von 8 und mehr Stellen hinter dem Komma. Die Nachkommastellen werden erst dann reduziert (= verworfen) und auf- oder abgerundet (= interpoliert), wenn über den Postprozess die Datenausgabe erfolgt. Damit entsprechend die realen Produktionsdaten nicht den virtuellen Konstruktionsdaten. Folglich können die reale Leiterplatte und die darauf aufbauende Baugruppe niemals ein exaktes Abbild der virtuellen CAD-Konstruktion sein.

Für Bilddaten ist ein m.n.-Format von "2.3in" typisch. Diese Voreinstellung für den Postprozess des CAD-Systems findet sich in fast allen fabrikneu ausgelieferten Softwareprogrammen für die Ausgabe von Bildern (Leiterbilder, Siebdrucke, Lotpastenschablonen, Kleberschablonen, Bestückungskoordinaten).

Die zöllige Angabe (1 Inch = 1 Zoll) referenziert aus historischen Gründen auf Maschinen (z.B. Fotoplotter) aus dem amerikanischen Umfeld. Das typische m.n.-Format für Maschinen zur mechanischen Bearbeitung ist "3.2 mm" und referenziert auf Maschinen (Bohr-, Fräsmaschinen) aus dem deutschen/europäischen Umfeld.

Während des Postprozesses kommt es am CAD-System bei den ausgegebenen Daten zu einer Vermengung von zölligen (für Fotoplotts) und metrischen (für Bohren und Fräsen) Koordinatenpositionen. Damit ist eine absolute Deckungsgleichheit zwischen einem Viapad und der dazugehörigen Bohrung nur dann zu erreichen, wenn die metrische Bohrposition ein ganzzahliges Vielfaches der zölligen Padposition ist.

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