Leitfaden zur Dimensionsprüfung

Wichtige Erkenntnisse

Definitionsumfang: Die Maßprüfung geht über einfache Länge und Breite hinaus; in der Leiterplattenfertigung umfasst sie Lochgrößen, Leiterbahnbreiten, Beschichtungsdicken und Verzug/Verdrehung.
Kritische Metriken: Das Verständnis von Toleranzen (±), Cpk (Prozessfähigkeit) und geometrischer Produktdefinition und Tolerierung (GD&T) ist für eine zuverlässige Produktion unerlässlich.
Kosten vs. Präzision: Engere Toleranzen erhöhen immer die Herstellungskosten; Ziel ist es, die Designanforderungen mit der Herstellbarkeit in Einklang zu bringen.
Validierungsmethoden: Die Techniken reichen von manuellen Messschiebern für Prototypen bis hin zu automatisierten Video-Messsystemen (VMS) und KMG für die Massenproduktion.
Prozesskontrolle: Die Erstmusterprüfung (FAI) ist der kritischste Schritt, um Maßfehler zu erkennen, bevor die Serienfertigung beginnt.
Materialeinfluss: Flexible und Starrflex-Materialien verhalten sich anders als Standard-FR4 und erfordern spezielle Inspektionskriterien.
Dokumentation: Klare Gerber-Dateien und Fertigungszeichnungen sind die Grundlage für jede erfolgreiche Inspektionsstrategie.

Was eine Maßprüfanleitung wirklich bedeutet (Umfang & Grenzen)

Bevor man sich mit spezifischen Metriken befasst, ist es entscheidend festzulegen, was genau ein Leitfaden zur Maßprüfung im Kontext der Elektronikfertigung abdeckt. Im Kern ist die Maßprüfung die quantitative Überprüfung eines physischen Produkts anhand seiner Konstruktionsspezifikationen. Für APTPCB (APTPCB PCB Factory) geht es dabei nicht nur darum zu prüfen, ob die Platine in ein Gehäuse passt; es geht darum sicherzustellen, dass die interne und externe Geometrie die elektrische Funktionalität unterstützt.

Der Umfang der Maßprüfung bei PCBs ist vielschichtig. Er beginnt mit den Makroabmessungen, wie der gesamten Platinenkontur, den Positionen der Befestigungslöcher und der Gesamtdicke der Platine. Diese gewährleisten die mechanische Passung. Der Umfang erstreckt sich jedoch tief in die Mikroabmessungen, zu denen Leiterbahnbreite, Abstand (Luftspalt), Ringbreite und Beschichtungsdicke gehören. Wenn diese Mikroabmessungen außerhalb der akzeptablen Grenzen liegen, kann die Platine mechanisch passen, aber aufgrund von Impedanzfehlanpassungen oder offenen Stromkreisen elektrisch versagen.

Darüber hinaus muss ein vollständiger Leitfaden die geometrische Form berücksichtigen. Dazu gehören Ebenheit (Verbiegung und Verwindung), Rechtwinkligkeit der Kanten und die Position der gebohrten Löcher relativ zu den Kupferpads. Bei modernen High-Density Interconnect (HDI)-Designs wird der Fehlerspielraum in Mikrometern gemessen. Daher ist die Maßprüfung die Brücke zwischen einer digitalen Designdatei und einer physischen, funktionierenden Leiterplatte.

Wichtige Metriken (wie man Qualität bewertet)

Das Verständnis des Umfangs führt uns zu den spezifischen Zahlen und Standards, die zur Quantifizierung der physikalischen Genauigkeit verwendet werden. Eine robuste Inspektionsstrategie basiert auf einer Reihe definierter Metriken, die vage Anforderungen in Pass/Fail-Kriterien übersetzen.

Metrik	Warum es wichtig ist	Typischer Bereich / Einflussfaktoren	Wie zu messen
Lineare Toleranz	Definiert die zulässige Abweichung für Längen-, Breiten- und Schlitzabmessungen.	±0,10 mm (Standard) bis ±0,05 mm (Präzision). Abhängig von der Bearbeitungsmethode (CNC vs. Stanzen).	Messschieber, Mikrometer oder KMG (Koordinatenmessgerät).
Bohrungsgrößentoleranz	Stellt sicher, dass Komponenten passen und Vias ordnungsgemäß leiten.	±0,076 mm (PTH), ±0,05 mm (NPTH). Beeinflusst durch Plattierungsdicke und Bohrerverschleiß.	Lehrdorne oder Video-Messsysteme (VMS).
Verzug und Verdrehung	Verhindert Belastungen an Lötstellen und stellt sicher, dass die Platine im Aufbau flach liegt.	< 0,75% für SMT; < 1,5% für THT. Beeinflusst durch Kupferbalance und Lagenaufbau-Symmetrie.	Flache Granit-Messplatte mit Fühlerlehren oder Laserscannern.
Leiterbahnbreite/-abstand	Entscheidend für Impedanzkontrolle und Strombelastbarkeit.	±10% bis ±20%. Gesteuert durch Ätzchemie und Foto-Imaging-Auflösung.	Metallographischer Querschnitt oder optische Inspektion mit hoher Vergrößerung.
Ringwulst	Stellt sicher, dass das Bohrloch innerhalb des Kupferpads bleibt (kein Ausbruch).	Klasse 2: 90° Ausbruch erlaubt; Klasse 3: 0,05 mm min. innen.	Röntgeninspektion oder Querschnittsanalyse.
Leiterplattendicke	Kritisch für Steckverbinder und Gehäusepassung.	±10% ist Standard. Beeinflusst durch Laminattoleranz und Kupfergewicht.	Mikrometer (Punkt-zu-Punkt-Messung).
Kupferdicke	Bestimmt Strombelastbarkeit und Wärmemanagement.	IPC Klasse 2/3 Standards (z.B. durchschnittlich 20µm oder 25µm im Loch).	Querschnitt (zerstörend) oder CMI (nicht-zerstörend).

Auswahlhilfe nach Szenario (Kompromisse)

Sobald Sie die Metriken kennen, müssen Sie diese auf Ihren spezifischen Kontext anwenden, da nicht jede Leiterplatte das gleiche Maß an Prüfung erfordert. Verschiedene Fertigungsszenarien diktieren unterschiedliche Inspektionsprioritäten und -technologien.

1. Standard-Starr-Leiterplatte (Unterhaltungselektronik) Bei Standard-FR4-Leiterplatten, die in Konsumgütern verwendet werden, ist der Kostenfaktor der primäre Treiber. Der Inspektionsschwerpunkt liegt auf der Umriss- und Lochgröße, um den Komponentenpasssitz zu gewährleisten.

Kompromiss: Standardtoleranzen verwenden (±0,1 mm).
Methode: Automatisierte Routing-Prüfungen und Stichproben.
Risiko: Geringes Risiko eines Funktionsausfalls bei geringfügigen Maßabweichungen.

2. HDI- und Fine-Pitch-Designs Bei der Verwendung von HDI-Leiterplattentechnologie sind Leiterbahnbreiten und Microvias mikroskopisch klein. Eine Abweichung von 10 Mikrometern kann die Leiterplatte ruinieren.

Kompromiss: Hohe Inspektionskosten für hohe Zuverlässigkeit.
Methode: Laserprofilometrie und 100% automatische optische Inspektion (AOI).
Risiko: Signalintegritätsfehler, wenn Impedanzleiterbahnen zu schmal sind.

3. Flexible und Starrflex-Leiterplatten Flexible Materialien sind instabil und können während der Verarbeitung schrumpfen oder sich dehnen.

Kompromiss: Im Vergleich zu starren Leiterplatten sind oft größere Toleranzen erforderlich.
Methode: Optische Messung (berührungslos) ist zwingend erforderlich, um eine Verformung des Materials während der Messung zu vermeiden.
Risiko: Dimensionsinstabilität, die zu einer Fehlausrichtung der Deckschicht führt.

4. HF- und Mikrowellenanwendungen Bei Hochfrequenzleiterplatten bestimmt die Geometrie des Leiters die elektrische Leistung.

Kompromiss: Extrem enge Toleranzen beim Ätzen (±0,015 mm oder besser).
Methode: Querschnittsprüfung von Coupons auf jeder Platte zur Überprüfung der Geometrie.
Risiko: Frequenzverschiebung oder Signalverlust.

5. Luft- und Raumfahrt und Verteidigung Diese Sektoren erfordern eine strikte Einhaltung der IPC Klasse 3 Standards.

Kompromiss: Die Dokumentation ist ebenso wichtig wie das Produkt.
Methode: 100% dimensionale Überprüfung mit aufgezeichneten Datenprotokollen.
Risiko: Katastrophaler Systemausfall; Null-Fehler-Toleranz.

6. Prototyp / NPI (Neue Produkteinführung) Geschwindigkeit ist entscheidend, aber die Validierung ist für die Skalierung notwendig.

Kompromiss: Manuelle Inspektion wichtiger Merkmale anstelle einer vollständigen Automatisierungseinrichtung.
Methode: Erstmusterprüfberichte (FAI).
Risiko: Übersehen eines Konstruktionsfehlers, der sich auf die Massenproduktion auswirkt.

Vom Design zur Fertigung (Implementierungs-Checkpoints)

Die Wahl des richtigen Ansatzes ist nutzlos, wenn er nicht systematisch über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg umgesetzt wird. Ein umfassender Leitfaden zur Maßprüfung muss Prüfpunkte vom Zeitpunkt der Dateierstellung bis zum endgültigen Versand enthalten.

DFM-Überprüfung (Designphase):
- Empfehlung: Überprüfen Sie, ob die in der Zeichnung angegebenen Toleranzen den Fähigkeiten des Herstellers entsprechen.
- Risiko: Die Angabe von ±0.01mm auf einer Standard-Router-Kontur führt zu Verzögerungen oder Ablehnung.
- Akzeptanz: Bestätigung der technischen Anfrage (EQ).
Wareneingangskontrolle:
- Empfehlung: Messen Sie die Dicke des Rohlaminats und der Kupferfolie vor der Verarbeitung.
- Risiko: Falsche Dielektrikumsdicke beeinflusst die Impedanz.
- Akzeptanz: Konformitätsbescheinigung (CoC) vom Laminatlieferanten.
Bohrungsprüfung:
- Empfehlung: Überprüfen Sie den Bohrerverschleiß und die Lochpositionen mittels Röntgen nach dem Bohren, aber vor der Beschichtung.
- Risiko: Bohrerverlauf führt später im Prozess zu Ausbrüchen.
- Akzeptanz: Röntgen-Bohrprüfung.
Ätzen und Schichtausrichtung:
- Empfehlung: Verwenden Sie AOI, um Linienbreiten und Abstände unmittelbar nach dem Ätzen zu messen.
- Risiko: Überätzen reduziert die Leiterbahnbreite und erhöht den Widerstand.
- Akzeptanz: AOI Bestanden/Nicht bestanden Bericht.
Laminierung (Mehrschicht):
- Empfehlung: Gesamtdicke nach dem Pressen messen. Auf "Press-out" (Materialaustritt) achten.
- Risiko: Platine zu dick für den Kantenstecker.
- Abnahme: Mikrometerprüfung am Plattenrand.
Oberflächenveredelung und Beschichtung:
- Empfehlung: Beschichtungsdicke messen (HASL, ENIG, Hartgold).
- Risiko: Lötbarkeitsprobleme oder Goldversprödung.
- Abnahme: Röntgenfluoreszenz (RFA)-Messung.
Profilierung (Fräsen/V-Nut):
- Empfehlung: Die endgültigen Abmessungen der Leiterplattenprofilierung mit der mechanischen Zeichnung abgleichen.
- Risiko: Platine passt nicht ins Gehäuse.
- Abnahme: KMG oder spezieller V-Nut-Messschieber.
Erstmusterprüfung (EMP):
- Empfehlung: Ein vollständiger Maßbericht der ersten produzierten Einheit, bevor der Rest der Charge gefertigt wird.
- Risiko: Systematischer Fehler, der die gesamte Charge betrifft.
- Abnahme: Unterzeichneter EMP-Bericht.
Endkontrolle (FQC):
- Empfehlung: Visuelle und dimensionale Stichprobenprüfung basierend auf AQL (Acceptable Quality Level).
- Risiko: Versand fehlerhafter Teile.
- Abnahme: Leiterplatten-Qualitäts-Auditbericht.

Häufige Fehler (und der richtige Ansatz)

Selbst bei einem soliden Prozess können Fehler auftreten, wenn die zugrunde liegenden Annahmen zur Maßprüfung fehlerhaft sind. Die Vermeidung dieser häufigen Fallstricke spart Zeit und Geld.

Fehler 1: Übermäßige Tolerierung
- Problem: Designer wenden oft eine pauschale Toleranz (z.B. ±0,05 mm) auf die gesamte Platinenkontur an, obwohl diese nur für einen bestimmten Steckerausschnitt benötigt wird.
- Korrektur: Verwenden Sie die Geometrische Produktdefinition und Tolerierung (GD&T), um enge Toleranzen nur dort anzuwenden, wo sie erforderlich sind. Dies reduziert die Herstellungskosten erheblich.
Fehler 2: Ignorieren von Materialeigenschaften
- Problem: Die thermische Ausdehnung oder Schrumpfung von Materialien wird nicht berücksichtigt, insbesondere bei Flex-Leiterplatten-Designs.
- Korrektur: Besprechen Sie Skalierungsfaktoren mit APTPCB-Ingenieuren während der EQ-Phase, um Materialbewegungen auszugleichen.
Fehler 3: Ausschließliches Verlassen auf 2D-Zeichnungen
- Problem: Senden einer PDF-Zeichnung, die den Gerber-Dateien widerspricht.
- Korrektur: Die Gerber-Datei ist die Master-Datei für Fertigungsdaten. Die Zeichnung sollte nur Toleranzen und spezielle Anforderungen festlegen, nicht die Geometrie neu definieren.
Fehler 4: Vage Messbezugsmerkmale
- Problem: Messen von Abmessungen vom Platinenrand (der gefräst ist und eine Toleranz aufweist) anstatt von einem Werkzeugloch oder einer Referenzmarke.
- Korrektur: Legen Sie klare Bezugsmerkmale (Referenzpunkte) fest, die zwischen dem Design und der Prüfausrüstung konsistent sind.
Fehler 5: Verwechslung von Sichtprüfung und Maßprüfung
- Problem: Die Annahme, dass die Abmessungen korrekt sind, nur weil eine Platine "gut aussieht" (saubere Lötstoppmaske, glänzende Oberfläche).
- Korrektur: Verwenden Sie eine Leiterplatten-Prüfkriterien-Checkliste, die kosmetische Merkmale von dimensionalen Metriken trennt.
Fehler 6: Überspringen der FAI
- Problem: Genehmigung der Massenproduktion basierend auf einem vor Monaten erstellten Prototyp.
- Korrektur: Verlangen Sie immer eine neue Erstmusterprüfung (FAI), wenn es eine Revisionsänderung oder eine lange Lücke zwischen den Produktionsläufen gibt.

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

Um verbleibende Unsicherheiten bezüglich der Maßprüfung zu beseitigen, finden Sie hier Antworten auf die am häufigsten gestellten Fragen.

F1: Was ist die Standardtoleranz für Leiterplatten-Umrissabmessungen? Für das Standard-CNC-Fräsen beträgt der Industriestandard typischerweise ±0,10 mm (±4 mil). Bei der V-Nutung ist die Toleranz aufgrund der verbleibenden Stegbreite etwas größer.

F2: Wie werden Verbiegung und Verwindung gemessen? Die Platine wird auf eine ebene Referenzfläche (Granitplatte) gelegt. Die maximale vertikale Verschiebung wird gemessen und durch die diagonale Länge der Platine geteilt, um einen Prozentsatz zu erhalten.

F3: Kann ich eine 100%ige Maßprüfung für meine Bestellung anfordern? Ja, dies verursacht jedoch in der Regel zusätzliche Kosten. Die Standardproduktion basiert auf statistischer Stichprobenprüfung (AQL). Eine 100%ige Prüfung ist in der Luft- und Raumfahrt sowie in medizinischen Anwendungen üblich. Q4: Was ist der Unterschied zwischen einem „Referenzmaß“ und einem „kritischen Maß“? Ein Referenzmaß dient nur zur Information und hat keine strenge Gut-/Schlecht-Toleranz. Ein kritisches Maß beeinflusst die Passform, Form oder Funktion und muss überprüft werden.

Q5: Wie überprüfen Sie die Ausrichtung der inneren Lagen? Wir verwenden Röntgeninspektionssysteme, um die Platine zu durchleuchten und zu überprüfen, ob die Pads auf den inneren Lagen mit den gebohrten Löchern übereinstimmen.

Q6: Zählt die Dicke der Oberflächenveredelung zur Gesamtdicke der Platine? Ja, technisch gesehen, aber Veredelungen wie ENIG sind sehr dünn (Mikrometer). HASL (Heißluftverzinnung) kann eine erhebliche Dicke hinzufügen (bis zu 30-50 Mikrometer) und variiert über das Pad.

Q7: Was ist eine „Checkliste für die Sichtprüfung“? Dies ist ein Dokument, das von QC-Mitarbeitern verwendet wird, um kosmetische Mängel (Kratzer, freiliegendes Kupfer, Ablösung der Lötstoppmaske) und grundlegende Maßmerkmale zu überprüfen.

Q8: Warum sind meine Lochgrößen kleiner als die Bohrergröße? Die Bohrergröße ist der „gebohrte Durchmesser“. Nach dem Bohren wird den Lochwänden eine Kupferbeschichtung hinzugefügt, wodurch der Durchmesser auf die „fertige Lochgröße“ reduziert wird.

Glossar (Schlüsselbegriffe)

Begriff	Definition
AQL (Annehmbares Qualitätsniveau)	Ein statistischer Standard zur Bestimmung der Stichprobengröße für die Inspektion und der Anzahl zulässiger Fehler.
AOI (Automatische Optische Inspektion)	Ein System, das Kameras und Bildverarbeitung verwendet, um Fehler in Leiterbahnen, Lötstellen und Komponenten zu erkennen.
Verbiegung und Verwindung	Eine Abweichung von der Ebenheit. Verbiegung ist eine zylindrische Krümmung; Verwindung ist eine Verformung, bei der die Ecken nicht auf derselben Ebene liegen.
KMG (Koordinatenmessgerät)	Ein Gerät, das die Geometrie physischer Objekte durch Abtasten diskreter Punkte auf der Oberfläche mit einem Taster misst.
Cpk (Prozessfähigkeitsindex)	Ein statistisches Maß für die Fähigkeit eines Prozesses, Ergebnisse innerhalb der Spezifikationsgrenzen zu produzieren.
Bezug	Eine theoretisch exakte Ebene, ein Punkt oder eine Achse, von der aus eine Maßmessung vorgenommen wird.
FAI (Erstmusterprüfung)	Die Validierung der ersten produzierten Einheit, um sicherzustellen, dass der Herstellungsprozess ein korrektes Teil liefert.
GD&T	Geometric Dimensioning and Tolerancing; ein System zur Definition und Kommunikation technischer Toleranzen.
Gerber File	Das Standarddateiformat, das von der PCB-Industriesoftware verwendet wird, um die Bilder von Leiterplatten zu beschreiben.
IPC-A-600	Der Industriestandard für die Akzeptanz von Leiterplatten (visuelle und dimensionale Kriterien).
Metrology	Die wissenschaftliche Lehre vom Messen.
Tolerance	Der Gesamtbetrag, um den eine bestimmte Abmessung variieren darf.
VMS (Video Measuring System)	Ein berührungsloses Messsystem, das Optik und Software zur Messung kleiner Merkmale verwendet.

Fazit (nächste Schritte)

Ein robuster Leitfaden zur Maßprüfung ist nicht nur eine Checkliste; er ist eine Philosophie der Qualitätssicherung, die gewährleistet, dass Ihre elektronischen Designs perfekt in die physische Realität umgesetzt werden. Vom Verständnis kritischer Metriken wie Lochtoleranz und Leiterbahnbreite bis zur Auswahl der richtigen Prüfmethode für Ihr spezifisches Szenario verhindert die Liebe zum Detail kostspielige Fertigungsfehler.

Egal, ob Sie einen einfachen Prototyp oder ein komplexes Luft- und Raumfahrtsystem bauen, der Validierungsprozess bleibt der Schutz der Produktintegrität. Wenn Sie Ihre Daten für ein Angebot oder eine DFM-Überprüfung an APTPCB senden, stellen Sie sicher, dass Sie Folgendes bereitstellen:

Gerber Files: Die Masterdaten für die Geometrie.
Fabrication Drawing: Spezifikation kritischer Toleranzen, Lagenaufbau und Materialien.
Inspektionskriterien: Klar definierte Bestanden/Nicht bestanden-Grenzwerte (z.B. IPC Klasse 2 oder 3).
Besondere Anforderungen: Alle nicht standardmäßigen Maßanforderungen (z.B. Fräsen mit kontrollierter Tiefe).

Indem Sie Ihre Konstruktionsspezifikationen an die Fertigungsmöglichkeiten anpassen, gewährleisten Sie einen reibungslosen Produktionsablauf und ein qualitativ hochwertiges Endprodukt.