5 wissenswerte Dinge über Leiterplattenanschlussflächen

Der Leiterplattenanschlussfläche definiert die physische Schnittstelle zwischen jeder elektronischen Komponente und der Leiterplatte und liefert somit wichtige Informationen für die Bestückungs- und Wartungsphasen der Leiterplatte wie Form und Symbol der Komponente, Anzahl und Position der Pads, Referenzstifte, Polarisation und noch vieles mehr.

Jede Komponente, die an den Seiten einer Leiterplatte platziert ist, muss daher eine eigene Anschlussfläche haben, die den Kupferbereich auf der Leiterplatte umfasst, auf den die Komponente gelötet wird. Eine 16-polige SSOP-Anschlussfläche umfasst beispielsweise zwei Reihen mit acht rechteckigen Pads. Leiterplattenanschlussflächen umfassen Informationen wie das Layout der Kupfer- und Lötmaske, Siebdruckvorlage, Bestückungsbohrungen (falls zutreffend) und Referenzstift.

Abbildung 1 zeigt die Grundfläche einer generischen elektronischen Komponente mit einem 16-poligen SSOP-Gehäuse. Die rot gefärbten Teile entsprechen den Kupferzonen auf der Schicht, während die anderen Farben die mechanischen Typenlagen darstellen.

Abbildung 1: Beispiel einer 16-poligen SSOP-Anschlussfläche (mit Anmerkungen)

Da falsche Anschlussflächen den Herstellungsprozess einer Platine verlangsamen oder sogar stoppen können, müssen sie so angeordnet werden, dass bestehende Einschränkungen durch andere Komponenten auf der Leiterplatte eingehalten werden. Die Leiterplattenflächen sind in der Tat Teil der Dateien, die der Designer an das Unternehmen schickt, das sich um die Produktion der Platine kümmern wird.

Wissenswerte Dinge über Leiterplattenanschlussflächen

Komponenten sind die wichtigsten Elemente jeder Platine und die zugehörigen Pads definieren die Verbindungspunkte mit den Leiterplattenlagen. Wenn das Pad-Layout die Position der Komponenten nicht genau identifizieren kann, kann die Leiterplatte nicht ordnungsgemäß bestückt werden. Daher ist es wichtig, dass die Pads an den anderen Elementen wie Leiterbahnen und Bohrungen, aus denen die Leiterplatte besteht, ausgerichtet sind. Andernfalls kann der elektronische Schaltkreis eine Fehlfunktion auslösen oder beschädigt werden.

Es ist wichtig zu betonen, dass jede Komponente, die auf die Leiterplatte gelötet wird, sei es eine Durchgangsbohrung, ein Oberflächenwiderstand oder Kondensator oder ein Ball Grid Array (BGA), immer eine Anschlussfläche benötigt.

Daher ist es wichtig, die Leiterplattenanschlussfläche nach strengen Regeln und Standards zu erstellen, um mögliche Lötprobleme während der Montage oder falsche Abstände zwischen den Komponenten zu vermeiden. Einige der wichtigsten Dinge, die Sie über Leiterplattenanschlussflächen wissen sollten, werden in den nächsten Absätzen vorgestellt.

1 – Welche Informationen sind in Leiterplattenanschlussflächen enthalten

Jede Leiterplattenanschlussfläche muss die folgenden Elemente enthalten:

• Position der Pads oder Bohrungen. Diese Informationen geben an, wo sich die Pads für die Bestückung von SMD-Komponenten oder die Bohrungen für die Befestigung von Durchgangsbohrungen befinden. Diese Informationen sind für den Lötprozess unerlässlich und müssen genau definiert werden;

• Umriss, oder Bauraumbegrenzung, der Komponente. Er kann als Schutzbereich oder ‑umfang für die Leiterplattenanschlussfläche definiert werden. Dies verhindert, dass andere Komponenten in diesem Bereich platziert werden. Diese Grenze begrenzt den gesamten Körper der Komponente und ist die primäre Lage, die für die Definition der Komponentenform verantwortlich ist;

• Es handelt sich um einen alphanumerischen Code, der die Komponente innerhalb des Schaltplans und des PCB-Layouts eindeutig identifiziert. In Abbildung 2 sind einige Referenzbezeichnungen hervorgehoben, wie der R75-Widerstand und die LD3-LED;

• Stift-1-Bezeichner. Beim Platzieren von Komponenten mit einer großen Anzahl von Stiften wie integrierte Schaltkreise, ist es wichtig, die Position von Stift 1 auf der Anschlussfläche anzugeben, um mögliche Missverständnisse während der Bestückungsphase zu vermeiden. Dies ist beispielsweise der Fall bei Komponenten, die QFP- oder DIP-Pakete haben. Im Beispiel von Abbildung 1 wird die Referenz auf Stift 1 durch einen Kreis dargestellt;

• Mechanische Informationen. Einige Komponenten haben möglicherweise ein mechanisches Teil oder einen Vorsprung, der sich über andere Komponenten erstrecken kann, was zu möglichen Kollisionen oder Überlappungen zwischen Komponenten führen kann. Dies ist beispielsweise bei Kühlkörpern der Fall;

• 3‑D-Modell und Symbole. Jede Leiterplattenanschlussfläche hat ein zugewiesenes Symbol im Schaltplan und in den meisten Fällen auch ein verknüpftes 3‑D-Modell. Dies ermöglicht es dem Designer, ein 3‑D-Modell der gesamten Platine zu erstellen, das die korrekte Positionierung und die gegenseitigen Abstände zwischen den Komponenten überprüft.

Abbildung 2: Eine Leiterplatte mit einigen hervorgehobenen Anschlussflächenkomponenten

Abbildung 3 zeigt eine komplette Leiterplatte im Zusammenhang mit einem Open-Source-Projekt, das hochintegrierte SMD-Komponenten (FPGA) umfasst. Beobachten Sie, wie die Anschlussfläche all dieser Komponenten neben der Anordnung der Pads und dem relativen Abstand einen Punkt (oder einen Kreis) zur Identifizierung von Stift 1 enthält. Wir können auch feststellen, wie im Fall des Oszillators X1 das Komponentensymbol dargestellt wird.

Abbildung 3: Leere Leiterplatte mit einigen hervorgehobenen Anschlussflächen

2 – Leiterplattenanschlussflächen-Bibliotheken

Selbst für die leidenschaftlichsten Leiterplattendesigner wird die Erstellung einer Komponentenbibliothek als ein Vorgang angesehen, der nur dann durchgeführt wird, wenn dies unbedingt erforderlich ist. Die gleiche Überlegung kann auch auf Leiterplattenanschlussflächen-Bibliotheken angewendet werden, deren Vorbereitung eine beträchtliche Zeit in Anspruch nehmen und die Ursache für potenzielle Fehler sein kann. Im Allgemeinen ist es daher immer besser, in Bibliothekdatenbanken nach Leiterplattenanschlussflächen zu suchen. Diese Bibliotheken werden von Unternehmen zur Verfügung gestellt, die Leiterplattendesignsoftware entwickeln, von Komponentenherstellern oder Dritten.

Von den verschiedenen online verfügbaren Anschlussflächenbibliotheken sind die beliebtesten Ultra Librarian [1] und SnapEDA [2]. Ultra Librarian gilt als die größte Leiterplatten-CAD-Bibliothek der Welt, deren Daten in die beliebtesten Leiterplatten-CAD-Anwendungen importiert werden können.

Die Erstellung einer Leiterplattenanschlussfläche erfordert zwar Zeit und Ressourcen des Entwicklungsteams, aber diese Onlinebibliotheken ermöglichen Ihnen einen schnellen Zugriff auf die erforderlichen Informationen, reduzieren die Vermarktungszeit und eliminieren mögliche menschliche Fehler bei der Bibliothekerstellung.

Heute stellen die Hersteller jedoch Konstrukteuren für jede Komponente im Katalog das Simulationsmodell, das 3‑D-Modell, die Anschlussfläche und vieles mehr zur Verfügung.

3 – Erstellen einer Anschlussfläche

Wenn eine bestimmte Anschlussfläche in keiner Bibliothek existiert, bleibt dem Designer nichts anderes übrig, als eine benutzerdefinierte Anschlussfläche zu erstellen und ihn zur Bibliothek hinzuzufügen.

Wenn Sie sich dazu entschließen, eine Anschlussfläche von Grund auf neu zu erstellen, müssen Sie zunächst sicherstellen, dass Sie über die korrekten Spezifikationen für die entsprechende Komponente verfügen. Generell ist es vorzuziehen, zunächst Informationen über die Pads einzugeben, dann die Kontur des Komponentenkörpers und die maximale Breite festzulegen. Fügen Sie abschließend den Referenzbezeichner, Stift-1-Bezeichner und andere mechanische Typattribute hinzu.

Manchmal kann es vorkommen, dass eine Anschlussfläche unvollständig erstellt wird, was während der Definitionsphase des Leiterplattenlayouts zu möglichen Problemen führt. Wenn Sie beispielsweise für ein bestimmtes Leiterplatten-CAD-Tool ein Attribut in Bezug zur Komponentenhöhe eingeben müssen, vergessen Sie es nicht. Dies ermöglicht es Ihnen, mechanische Probleme (z. B. das Design des Platinengehäuses) oder Wärmeableitung (Komponenten, die den regelmäßigen Luftstrom behindern) zu vermeiden.

4 – Leiterplattenanschlussflächen-Standards

Auch für Leiterplattenanschlussflächen gibt es spezielle, international anwendbare Standards, welche die Anschlussfläche, das Schaltplansymbol und das 3‑D-Modell definieren.

IPC 7351 (Leiterplattenanschlussfläche)

Der IPC-7351-Standard (insbesondere die Version IPC-SM-7351-B) definiert durch eine Reihe von Formeln die Abmessungen des Pads um eine elektronische Komponente rigoros. Viele Leiterplatten-CAD-Tools wurden so entwickelt, dass sie diesem Standard entsprechen und daher die erforderlichen Berechnungen automatisch durchführen.

ANSI Y32.2-1975 (Schaltplansymbole)

Dieser Standard definiert eine Liste grafischer Symbole und eine Reihe von Klassenkennzeichnungsbuchstaben, die in elektrischen und elektronischen Diagrammen verwendet werden sollen. Einige Leiterplatten-CAD-Tools ermöglichen dem Designer zu entscheiden, ob Symbole diesem Standard entsprechen sollen oder nicht, während andere dies standardmäßig tun.

ISO 10303-21 (3‑D-Modelle)

Der „ISO 10303-21“-Standard definiert das Dateiformat, das für STEP-Modelle verwendet wird, das in die 3‑D-CAD-Software importiert werden kann.

5 – Leiterplattenanschlussflächen-Richtlinien

Falls Sie sich dazu entscheiden, die Anschlussflächen von Grund auf neu zu erstellen, können die folgenden Richtlinien nützlich sein, um mögliche Probleme während der Platinenbestückungsphase zu vermeiden:

• Stellen Sie sicher, dass das Layout der Komponentenpads symmetrisch ist. Dadurch wird das Auftreten von Grabsteinen, also die partielle Ablösung der Komponente durch unterschiedliche Spannungen auf beiden Seiten der Komponente, vermieden.

• Aus demselben Grund ist darauf zu achten, dass die gegenüberliegenden Pads an einer Komponente die gleiche Größe und Form haben.

• Stellen Sie sicher, dass zwischen den Anschlussflächenpads und den Kanten der Platine genügend Freiraum vorhanden ist. Dies ermöglicht es Ihnen, die Bestückung mit den automatischen Bestückungsmaschinen korrekt zu verwalten und Probleme mit der Panelisierung der Platine zu vermeiden.

• Schließen Sie die den Stift-1-Indikator für alle Komponenten ein, die ihn benötigen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Komponentenstifte mit den richtigen Pads verbunden sind.

• Geben Sie Polaritätsanzeigen für alle polarisierten Komponenten wie Dioden und Elektrolyt- oder Tantalkondensatoren an.

• Geben Sie den Umriss der Komponenten an, um eine ordnungsgemäße Bestückung zu gewährleisten.

• Stellen Sie sicher, dass alle Pads immer die richtige Größe haben: Zu kleine Pads können zu Bruch gehen, zu große Pads können wertvolle Leiterbahnfläche verbrauchen oder die Bewegung von SMD-Komponenten beim Löten erleichtern.

• Stellen Sie sicher, dass die Abstände zwischen den Pads korrekt sind.

• Vermeiden Sie zu kleine Komponentenumrisse, da sie bei der Montage, die mit automatisierten Fertigungslinien durchgeführt wird, möglicherweise nicht erkannt werden.

Aus dem Gesagten geht hervor, dass es äußerst wichtig ist, dass die Parameter, welche die Anschlussfläche einer Komponente definieren, korrekt und genau sind. Wenn dies nicht passiert, kann es notwendig sein, die Leiterplatte neu zu gestalten, was zu Zeitverlust und zusätzlichen Kosten führt.

Abbildung 4 zeigt ein Beispiel einer korrekten Leiterplattenanschlussfläche. Die gelbe Lage enthält die Siebdruckvorlage und die Referenz für Stift 1. Die rote Lage enthält die Definition der Pads, die violette Lage die Definition der mechanischen Abmessungen, während die grüne Lage die Definition der Bauraumbegrenzung enthält.

Abbildung 4: Beispiel einer Anschlussfläche mit verschiedenen Informationslagen (Quelle: Ultra Librarian)

Referenzen

[1] https://www.ultralibrarian.com/

[2] https://www.snapeda.com/

26.10.2022