Eine Fiduzialmarke auf einer Leiterplatte ist ein sichtbares Bezugsmerkmal, mit dem Bestückungsanlagen eine Leiterplatte oder einen Nutzen lokalisieren können. Eine Kamera erkennt die Marke auf der gefertigten Oberfläche und setzt ihre Position zu den digitalen Bestückungsdaten in Beziehung. Je nach Anlage und Programm können die erfassten Bezugspunkte dem Bestücker helfen, vor dem Platzieren der Bauteile die Lage und Drehung der Leiterplatte zu berücksichtigen.
Die entscheidende Frage lautet nicht einfach, wie viele Marken ergänzt werden sollen. Es geht darum, welche physische Oberfläche die Maschine erfasst, welche Koordinaten diese Marken beschreiben und ob sie während des tatsächlichen Bestückungsschritts sichtbar bleiben. Eine Marke auf einer später abgetrennten Nutzenleiste, eine Marke auf jeder einzelnen Leiterplatte und eine Marke nahe einem kritischen Gehäuse erfüllen unterschiedliche Aufgaben. Stimmen Sie die Anordnung mit dem Bestücker ab, bevor Sie Fertigungs- und Bestückungsdaten freigeben.
Zur übergeordneten Nutzenplanung siehe Nutzenaufteilung für die Bestückung. Grundlagen zu Bauteilkoordinaten und Drehwinkeln finden Sie unter Grundlagen der Bestückungsdaten. Dieser Beitrag behandelt die optischen Bezugsmarken, die die gefertigte Leiterplatte mit diesen Daten verknüpfen.
Die Zeichnung ist schematisch und nicht maßstabsgetreu. 1 kennzeichnet Marken auf Nutzhöhe an der Leiste, 2 Marken auf Leiterplattenebene an den einzelnen Einheiten und 3 lokale Marken nahe einem Bauteil-Footprint. Dargestellt werden unterschiedliche Bezugsbereiche, keine vorgeschriebene Anzahl, Anordnung oder Fertigungszeichnung.
Zwei kreisförmige Fiduzialmarken neben IC-Footprints auf einer bestückten Leiterplatte; die roten Pfeile zeigen ungefähre Positionen an. Foto: wdwd, CC BY-SA 3.0. KI-bearbeitet, um die Chip-Kennzeichnung zu entfernen; Details in der Umgebung können rekonstruiert worden sein. Dieses Bild darf nicht als Nachweis für genaue Fiduzialmaße, -geometrie oder Abnahme verwendet werden. Bildnachweis und Änderungshinweis.
Wofür verwendet die Kamera eine Fiduzialmarke tatsächlich?
Bestückungsdaten beschreiben die vorgesehenen Bauteilpositionen in einem Koordinatensystem. In der Fertigungslinie kann eine Leiterplatte gegenüber dem Arbeitsbereich der Maschine verschoben oder verdreht ankommen. Die Anlage sucht ausgewählte, erkennbare Merkmale und verwendet das Ergebnis für die Ausrichtung. Welche Korrekturen berechnet werden, wie viele Marken zum Einsatz kommen und ob einzelne Einheiten oder lokale Bereiche vermessen werden, hängt von der Anlage und dem programmierten Prozess ab.
Eine sichtbare Zielmarke ist nur einer von mehreren Faktoren für die Bestückungsgenauigkeit. Auch Leiterplattenauflage, Ebenheit, Bauteilhandhabung, Maschineneinrichtung und Qualität der Eingangsdaten spielen eine Rolle. Texas Instruments nennt in seinem Design Guide 92 NLA Array QFN Fiduzialmarken, Bezugspunktlage, Leiterplattengröße, Ebenheit und Montageausrüstung als Faktoren, die die Bestückungsgenauigkeit im behandelten Gehäusekontext beeinflussen. Eine gut erkannte Marke belegt für sich allein weder die korrekte Bauteildrehung noch die Registrierung der Lotpaste oder die Qualität fertiger Lötstellen.
Verwechseln Sie eine Fiduzialmarke nicht mit einer Werkzeugbohrung. Eine Werkzeugbohrung ist ein mechanisches Merkmal, mit dem eine Leiterplatte oder ein Nutzen lokalisiert, abgestützt oder gehandhabt werden kann, sofern der Prozess es vorsieht. Eine Fiduzialmarke ist ein optischer Bezugspunkt. Auch ein aufgedrucktes Polaritätssymbol wird nicht zwangsläufig von der Maschine als Fiduzial erkannt: Das Kameraprogramm muss wissen, welches Merkmal es an welcher Stelle suchen soll.
Nutzen-, Leiterplatten- und lokale Marken beantworten unterschiedliche Fragen
| Bezugsebene | Was damit lokalisiert werden kann | Vor der Freigabe zu klärende Frage |
|---|---|---|
| Nutzen | Der gesamte der Maschine zugeführte Nutzen. | Liegen die ausgewählten Marken auf einer Leiste oder einem anderen Bereich, den die Kamera bei eingespanntem Nutzen sehen kann? |
| Einzelne Leiterplatte | Eine bestimmte Einheit innerhalb des Nutzens. | Vermisst der Bestücker jede Einheit, verwendet er eine Nutzen-Transformation oder eine andere freigegebene Strategie? |
| Lokal | Der Bereich eines bestimmten Bauteils oder einer bestimmten Region. | Benötigen Gehäuse, Anlage und Prozess einen lokalen Bezugspunkt, und wo ist er sichtbar, ohne den Footprint zu beeinträchtigen? |
Ein Nutzen kann Marken auf mehreren Ebenen enthalten. Marken auf den Leisten belegen jedoch nicht, dass jede Leiterplattenposition einzeln vermessen wurde. Umgekehrt bedeutet eine Marke auf jeder Einheit nicht, dass die Fertigungslinie sie verwendet. Die Bestückungsprogrammierung und die Anlagenfunktionen legen die tatsächliche Messstrategie fest.
Lokale Marken sollten besonders dann besprochen werden, wenn ein Bauteil hohe Anforderungen an die Platzierung stellt oder ein großer beziehungsweise flexibler Nutzen durch die gewählten übergeordneten Bezugspunkte möglicherweise nicht ausreichend beschrieben wird. Der Anwendungshinweis von Analog Devices zu seinen standardmäßigen drahtgebondeten QFN-Gehäusen empfiehlt Fiduzialmarken nahe am Gehäuse, um die Platzierung zu erleichtern. Diese Empfehlung gilt für einen bestimmten Anwendungsfall und beweist nicht, dass jedes QFN oder jede Maschine dasselbe lokale Muster benötigt. Fragen Sie den Bestücker, wie er das betreffende Gehäuse lokalisieren will und anhand welcher Nachweise er die Platzierung validiert.
Woran lässt sich eine Marke gut erkennen?
Eine Fiduzialmarke benötigt im Sichtfeld der Kamera ein klares, reproduzierbares Erscheinungsbild. Ein freiliegendes Kupfermerkmal mit geeigneter Oberflächenbeschichtung ist eine gängige Umsetzung. Die Lötstoppmaskenöffnung und benachbarte Merkmale müssen dem Bildverarbeitungssystem ermöglichen, die vorgesehene Zielmarke zu unterscheiden. Eine teilweise von Lötstoppmaske bedeckte, unter einem Bauteil verborgene oder optisch mit einem anderen Merkmal verwechselbare Marke kann schwer zu erkennen sein, selbst wenn ihre Sollkoordinaten stimmen.
Besprechen Sie die vollständige Zielmarke mit Bestücker und Leiterplattenhersteller:
- Form und Größe: Welche Geometrie kann das vorgesehene Bildverarbeitungssystem erkennen, und welcher fertige Größenbereich ist zulässig?
- Maskenöffnung: Wie viel freiliegende Fläche und umlaufender Abstand sind unter Berücksichtigung der Fertigungstoleranzen und der Maskenregistrierung erforderlich?
- Optischer Hintergrund: Können benachbarte freiliegende Kupferflächen, Vias, Beschriftungen oder Oberflächenmerkmale als Teil der Zielmarke fehlinterpretiert werden?
- Oberflächenbeschichtung und Zustand: Ist die gewählte Oberflächenbeschichtung mit der Kameraeinrichtung kompatibel, und bleibt das Merkmal während der relevanten Prozessschritte sauber und sichtbar?
- Physischer Zugang: Kann die Kamera die Marke sehen, wenn Leisten, Spannvorrichtungen, Träger oder bereits montierte Bauteile vorhanden sind?
Als beispielhafte, quellenspezifische Vorgabe beschreibt der Anwendungshinweis von Texas Instruments PCB layout for the TPA005D1x and TPA032D0x Class-D APAs Fiduzialdurchmesser von 1 bis 1,5 mm für den dort behandelten Leiterplattenentwurf. Das ist weder eine Aussage über die Fähigkeiten von APTPCB noch eine allgemeingültige Toleranz oder ein Ersatz für die Maschinenanforderungen des Bestückers. Derselbe Hinweis behandelt den umlaufenden Freiraum und die Sichtbarkeit durch die Maske. Legen Sie die vollständige Geometrie anhand der konkreten Bestückungsspezifikation fest.
Kupfermarke, Lötstoppmaskenöffnung und Abstand zu benachbarten Objekten hängen zusammen, sind aber unterschiedliche Maße. Wenn eine Zeichnung nur „1 mm Fiduzial“ angibt, weiß der Leiterplattenhersteller nicht, ob damit der Kupferdurchmesser, die Maskenöffnung oder ein erforderlicher Freihaltebereich gemeint ist. Kennzeichnen Sie jedes Maß und geben Sie an, ob ein Abstand von einer Kante oder vom Mittelpunkt aus gemessen wird. Prüfen Sie die endgültigen Fertigungsdaten und nicht nur den Footprint-Namen in der CAD-Bibliothek.
Beispiel: Marke, Öffnung und Kantenabstand
Angenommen, eine Zeichnung zeigt den Mittelpunkt einer runden Fiduzialmarke 4,0 mm von einer geraden Leiterplattenkante entfernt sowie eine konzentrische Lötstoppmaskenöffnung mit 2,4 mm Durchmesser. Der Sollabstand zwischen der Kante dieser Öffnung und der Leiterplattenkante beträgt 4,0 − 2,4 / 2 = 2,8 mm. Die Kupfermarke selbst kann einen anderen Durchmesser haben; keines der beiden Maße darf aus dem jeweils anderen abgeleitet werden.
Wenn die Vorrichtung in diesem rein hypothetischen Beispiel die ersten 2,0 mm ab dieser Kante belegt, beträgt der nominelle Abstand der Öffnung zum Rand dieses belegten Bereichs 0,8 mm. Diese Rechnung ist weder ein empfohlener Abstand noch eine APTPCB-Anlagenspezifikation. Sie berücksichtigt keine Fertigungs- und Positioniertoleranzen, Vorrichtungsform, Kamerasichtfeld oder zusätzlichen optischen Freiraum. Lassen Sie den Bestücker die tatsächliche Marke, Öffnung und den eingespannten Nutzen gemeinsam beurteilen.
Wo sollten die Marken auf einem Nutzen liegen?
Beginnen Sie damit, wie das Produkt durch die Bestückung läuft. Eine Leiterplatte, die als Teil eines Nutzens bestückt wird, kann auf Leisten aufliegen, die nach dem Nutzentrennen entfernt werden. Nach Abstimmung können Nutzenmarken im verfügbaren Leistenbereich liegen. Prüfen Sie aber die Sicht der Kamera mit Blick auf Spannvorrichtungen, Förderbandauflage, Werkzeugbohrungen sowie Druck- und Inspektionsvorrichtungen. Nach dem Entfernen einer Leiste ist eine dortige Marke nicht mehr verfügbar.
Wenn ein späterer Prozessschritt die getrennten Leiterplatten handhabt, klären Sie, ob dafür Bezugspunkte benötigt werden, die auf jeder Einheit erhalten bleiben. Bei mehreren Leiterplattenpositionen oder unterschiedlichen Ausrichtungen im Nutzen ist festzulegen, wie jede Position identifiziert wird und wie das Bestückungsprogramm ihre Koordinaten erhält. Die globale Ausrichtung des Nutzens und die Ausrichtung einzelner Einheiten sind getrennte Entscheidungen. Aus dem Wort „genutet“ lässt sich keine davon ableiten.
Platzieren Sie Marken so, dass sie zuverlässig erkannt werden und ihre Beziehung zum vorgesehenen Arbeitsbereich für die Anlage nützlich ist. Ausreichender Abstand und eine unverwechselbare Anordnung können die Beurteilung von Ausrichtung und Drehung erleichtern. Als Gesprächsgrundlage könnte ein Entwickler drei weit auseinanderliegende, nicht kollineare Marken auf der betreffenden Leiterplatte oder dem Nutzen einzeichnen. Der Anwendungshinweis von TI erläutert, dass zwei Fiduzialmarken Positions- und Drehinformationen liefern können; eine dritte kann zusätzliche Prüfungen oder Korrekturen ermöglichen, wenn die Anlage dafür programmiert ist. Das ist weder eine vorgeschriebene Anzahl noch eine Garantie, dass lokale Verformungen korrigiert werden. Stimmen Sie Anzahl, Position und Korrekturmodell mit dem Verantwortlichen der Fertigungslinie ab.
Bei beidseitiger Bestückung ist jede Seite separat zu prüfen. Die Maschine sieht die physische Seite, die in diesem Durchlauf präsentiert wird; eine Marke auf der gegenüberliegenden Seite ist nicht automatisch sichtbar. Bestätigen Sie für jede Seite die Wende-Konvention, Nutzenorientierung, den Bezugspunkt und die Koordinaten. Ermitteln Sie außerdem, ob bereits auf der ersten Seite montierte Bauteile etwas verdecken. Je nach Werkzeug oder Arbeitsablauf kann eine Unterseitenansicht oder ein Koordinatenexport gespiegelt sein. Die Bedeutung der Daten muss daher abgestimmt und darf nicht erraten werden.
Leiterplattenkoordinaten und physischen Nutzen verknüpfen
Eine Bestückungsdatei kann eine einzelne Leiterplatte relativ zu ihrem eigenen Ursprung beschreiben, während eine Nutzenzeichnung wiederholte Einheiten auf einem größeren Feld zeigt. Der Bestücker kann den Nutzen aus den Einzelplattendaten erzeugen, bereits genutete Daten erhalten oder eine andere abgestimmte Methode verwenden. In jedem Fall benötigt das Programm eine konsistente Beziehung zwischen Fertigungslagen, Leiterplattenkontur, Fiduzialmarken und Bauteilkoordinaten.
Halten Sie die Koordinatenkonventionen und physischen Bezugspunkte gemeinsam in der folgenden Freigabe-Checkliste fest.
Eine Fiduzialmarke muss nicht in jedem Exportformat als gewöhnliches platziertes Bauteil erscheinen. Gehen Sie nicht davon aus, dass sie in der Schwerpunktdatei enthalten ist, nur weil sie im CAD sichtbar ist. Die Dokumentation des KiCad-PCB-Editors weist beispielsweise darauf hin, dass ein vom Positionsdatei-Export ausgeschlossenes Footprint in diesem Export nicht erscheint; seine globalen und lokalen Fiduzial-Fertigungsattribute wirken sich auf die Gerber-X2-Ausgabe aus. Andere Software und Exporteinstellungen verhalten sich anders. Prüfen Sie die tatsächlichen Dateien und fragen Sie den Bestücker, welche Markenliste oder Zeichnung er erwartet.
Falls die Lotpastenschablone eigene optische Bezugspunkte besitzt, stimmen Sie ab, wie diese zu den Leiterplatten- oder Nutzenmarken und zur Einrichtung des Druckers stehen. Ein Schablonenbezugspunkt ist nicht automatisch die Anweisung, Lotpaste auf eine Fiduzialmarke der Leiterplatte zu drucken. Prüfen Sie Pastenlage und Schablonenzeichnung gemeinsam mit dem Bestücker, damit Ausrichtungsmerkmale und Lotpastenöffnungen nicht verwechselt werden. Die Leistungsseite für Leiterplattenschablonen beschreibt die umfassendere Schablonenübergabe.
Einfache Koordinatentransformation
Angenommen, eine Fiduzialmarke auf einer einzelnen Leiterplatte hat relativ zum vereinbarten Leiterplattenursprung die Koordinaten (12; 8) mm. Für eine hypothetische Position im Nutzen wird die Leiterplatte um diesen Ursprung 90° gegen den Uhrzeigersinn gedreht und anschließend um (60; 30) mm verschoben. Durch die Drehung wird (x, y) zu (-y, x), also zu (-8; 12) mm; nach Addition der Verschiebung ergibt sich die Nutzenkoordinate (52; 42) mm.
Dieses Beispiel veranschaulicht nur die Rechnung. Es legt weder einen Produktionsnutzen noch die Drehwinkelkonvention der Maschine oder eine Spiegelung der Unterseite fest. Vereinbaren Sie vor der Programmierung einer realen Bestückung die positive Richtung, den Drehpunkt, die betrachtete physische Seite und ob die Datei bereits den Nutzen beschreibt. Prüfen Sie mindestens ein Bauteil und die ausgewählten Marken anhand der freigegebenen Nutzenzeichnung. Eine versehentlich doppelt angewendete Transformation kann jede Position verschieben, selbst wenn die Datei für die Einzelplatine korrekt war.
Freigabe-Checkliste für einen beidseitigen Nutzen
Betrachten Sie eine kleine, beidseitige Leiterplatte, die mehrfach im Nutzen angeordnet ist: Auf der Oberseite sitzt ein Bauteil mit feinem Raster, und Bauteile auf der Unterseite liegen nahe an einer Kante. In der Bestückungsdatei für die Einzelplatine fehlen Fiduzialmarken; die Nutzenzeichnung zeigt Marken auf den Leisten und lässt die Ansichts- und Wende-Konvention für die Unterseite offen. Diese Lücken beweisen keinen Fehler in der Bestückung, lassen aber Einrichtungsfragen ungeklärt.
Schließen Sie die Lücken mit einem zusammengehörigen Freigabepaket:
- Zusammengehörige Dateien: Stellen Sie Fertigungsdaten, Leiterplattenkontur, Bestückungszeichnung, Bestückungsdaten, Stückliste und bereitgestellte Nutzenzeichnung für dieselben Leiterplatten- und Nutzenrevisionen zusammen. Die Bestückungsdaten sollten Bauteilkennzeichen, Positionen, Drehwinkel und Gehäuse angeben.
- Koordinatenkonventionen: Dokumentieren Sie Ursprung, Einheiten, positive Drehrichtung, Nutzenpositionen und Drehwinkel der Einheiten. Geben Sie die betrachtete physische Seite, die Wende- oder Spiegelkonvention für die Unterseite und an, ob die Bestückungsdaten bereits genutet sind.
- Sichtbare Bezugspunkte: Kennzeichnen Sie die ausgewählten Marken und ihre Koordinaten für jeden Durchlauf. Prüfen Sie, ob Leisten, Spannvorrichtungen und bereits montierte Bauteile die Marken sichtbar lassen; kennzeichnen Sie Bezugspunkte, die nach dem Nutzentrennen erhalten bleiben müssen.
- Kritische Bereiche: Kennzeichnen Sie das Bauteil mit feinem Raster und weitere Bereiche, deren Bestückung geprüft werden muss. Klären Sie, ob der gewählte Prozess lokale Marken benötigt und wo sie Platz finden, ohne Footprint oder Inspektionsbereich zu beeinträchtigen.
- Abgleich: Gleichen Sie mindestens ein bekanntes Bauteil und die ausgewählten Fiduzialmarken auf beiden Seiten mit Leiterplattenkontur, Nutzenzeichnung und Bestückungsdaten ab.
- Verantwortlichkeiten: Legen Sie fest, wer den Produktionsnutzen erstellt, wer das endgültige Bestückungsprogramm freigibt und wer Änderungen am Nutzen oder an Koordinaten genehmigt. Geben Sie die zusammengehörigen Dateien nach Klärung der Abweichungen frei.
Die Leiterplattenanordnung ist hypothetisch. Die Checkliste verknüpft den physischen Zugang der Kamera mit den konkreten Programmiervorgaben, einschließlich der vom Bestücker ergänzten Marken auf den Leisten.
Fragen zur Fehlersuche bei der Ausrichtung
| Beobachtung beim Einrichten | Zu untersuchende Fragen | Nicht vorschnell annehmen |
|---|---|---|
| Die Kamera findet eine Zielmarke nicht. | Wird die richtige Seite präsentiert? Ist die Marke abgedeckt, durch eine Spannvorrichtung verdeckt, außerhalb des Suchbereichs oder anders gestaltet als im Programm erwartet? | Dass ausschließlich die Bauteilkoordinaten das Problem sind. |
| Alle Bauteile erscheinen in dieselbe Richtung verschoben. | Beziehen sich Leiterplattenursprung, Fiduzialkoordinaten, Einheiten und Nutzen-Transformation auf dieselbe Revision und denselben Bezugspunkt? | Dass das Verschieben einzelner Bauteileinträge die grundlegende Abweichung des Koordinatensystems behebt. |
| Eine Einheit im Nutzen erscheint verdreht. | Sind Drehung oder Ausrichtung dieser Einheit in den Einrichtungsdaten korrekt abgebildet? | Dass ein Bezugspunkt auf Nutzenebene die Ausrichtung jeder Einheit belegt. |
| Ein kritisches Gehäuse ist versetzt, während nahe Bauteile korrekt erscheinen. | Prüfen Sie Footprint, Bauteildrehung, lokale Messstrategie, Leiterplattenauflage und Lotpastendruck in diesem Bereich. | Dass eine zusätzliche lokale Fiduzialmarke allein das Problem löst. |
| Eine Seite funktioniert, die andere nicht. | Prüfen Sie physisches Wenden, Ansichts-Konvention der Unterseite, Datentransformation und sichtbare Marken im zweiten Durchlauf. | Dass die Unterseitendatei dieselbe Ansichts-Konvention wie die Oberseite verwendet. |
Diese Punkte sind ein Ausgangspunkt für die Diagnose. Sichern Sie Dateien, programmierten Ablauf und Beobachtungen, damit das zuständige Entwicklungsteam die tatsächliche Ursache eingrenzen kann. Die Prüfung der fertigen Baugruppe ist von der Ausrichtung der ankommenden Leiterplatte getrennt zu betrachten.
Für eine projektspezifische Prüfung können Sie mit dem Freigabepaket und den zu klärenden Bestückungsfragen ein Angebot anfordern oder das Team kontaktieren. Der Bestücker kann seinen Prozess bewerten und Änderungen vorschlagen; das Produktteam genehmigt Designänderungen und legt die produktbezogenen Abnahmekriterien fest.
Häufige Fragen
Sind Fiduzialmarken für jede Leiterplatte erforderlich?
Das hängt davon ab, wie die Leiterplatte bestückt wird, welche Anlage zum Einsatz kommt und welcher Prozess vereinbart ist. Für einen von Hand bestückten Prototyp und eine Leiterplatte in einer automatisierten Linie muss nicht dieselbe Ausrichtungsmethode gelten. Klären Sie den vorgesehenen Prozess, bevor Sie Marken weglassen oder ohne Prüfung ein Standardmuster ergänzen.
Kann der Bestücker Fiduzialmarken nach Abschluss des Layouts ergänzen?
Marken auf den Leisten können möglich sein, wenn der Bestücker die Nutzenaufteilung verantwortet und ausreichend Platz vorhanden ist. Eine Marke innerhalb der fertigen Leiterplattenkontur oder nahe einem Bauteil kann eine Designänderung erfordern. Stimmen Sie in beiden Fällen das physische Merkmal, die Revision und die Aktualisierung der Daten ab. Gehen Sie nicht davon aus, dass ein Lieferant Leiterplatte oder Programm ohne Freigabe ändern darf.
Quellen
- Texas Instruments, Design Guide 92 NLA Array QFN, SLMA006, Dezember 2012: Faktoren, die die Bestückungsgenauigkeit im angegebenen Gehäusekontext beeinflussen.
- Texas Instruments, PCB layout for the TPA005D1x and TPA032D0x Class-D APAs, SLYT012B: Beispiele zu Fiduzialgeometrie und Sichtbarkeit in einem bestimmten Leiterplattenentwurf.
- Analog Devices, SMT Assembly and PCB Design Guidelines for Maxim's Standard Wire-Bonded QFN Packages: gehäusespezifische Hinweise zu Platzierung und Fiduzialmarken.
- KiCad-PCB-Editor-Dokumentation: Footprint-Attribute, Lötstoppmasken- und Pastenlagen sowie Verhalten beim Export von Positionsdateien; konsultieren Sie die Dokumentation der verwendeten Softwareversion.