Es ist so bequem unmündig zu sein
                                - Immanuel Kant

Die PCB Library im CAE/CAD-System

Das PCB-Symbol (auch Footprint oder Bauelemente-Symbol) ist der Informations­träger für die mech­anischen Infor­mationen der Library Elemente. In diesem Symbol sind alle physikalischen Infor­mationen, Ab­messungen und Löt­eigen­schaften, des Bauelementes enthalten.

Eine eindeutige unverwechsel­bare Namens­gebung ist un­um­gäng­lich. In den Daten­blättern der Her­steller werden unter­schied­liche Be­zeich­nungen für Bau­ele­mente und ihre Gehäuse­formen verwendet.

Der Name eines Bauelement­symbols muss eine ein­deutige Zu­ordnung des Bau­elements zu den An­gaben der Her­steller in den Daten­blättern garan­tieren. Die Masse der Bau­ele­mente und die An­zahl der Pins sollen aus dem Namen ab­leitbar sein. Besondere Eigen­schaften wie zu­sätz­liche Kühl­flächen oder Pro­duktions­eigen­schaften müssen er­kennbar sein.

Die IPC-7351 (Generic Require­ments for Surface Monut Design and Land Pattern Standard des IPC) ent­hält die Grund­sätze für das Design der An­schluss­flächen von SMD-Bauteilen und deren Namens­gebung. Beim Fach­verband Elektro­design (FED) ist eine Deutsche Über­setzung dieser Richt­linie erhältlich.

Die IPC-7351 deckt das Anschluss­flächen-Design für alle SMD Typen von passiven und aktiven Ba­uteilen ab. Zwei­polige MELF, CHIP, viel polige SOP(Small Outline Package), QFP(Quad Flat Package), BGA(Ball Grid Array) und auch die neueren No-lead Gehäuse SON, QFN, PQFN werden einbezogen.

PCB Symbol

Die PCB Symbol Bezeichnung sollte die wesentlichen physikalischen Eigen­schaften des Bauteils enthalten. Bei Sonder­bauformen kann auch die Bauteil­bezeich­nung, ggf. die gekürzte Her­steller­bezeichnung heran­gezogen werden. In der IPC7351 wird vor­ge­schlagen die Bau­form, die Gehäuse­größe in 1/10 mm, den Pitch­abstand in 1/100 mm der Anschluss­abstand in 1/100 mm und die Anzahl der Anschluss­pins anzugeben.

Um den Anforderungen an immer höhere Packungs­dichten gerecht zu werden kommen stätig neue Bau­formen hinzu. Typische Gehäuse­bezeichnungen sind:

Die Bezeichnung des Gehäuses enthält den Namen des Bau­element­symboles. Wo not­wendig wird die Bezeichnung mit dem Pich Abstand, der Anzahl Pins und den Massen ergänzt. Für unter­schiedliche Gehäuse­bezeichnungen derselben Bau­form, wird ein gemein­samer Name vorgegeben. Beispiels­weise: QFP (Quad Flat Package), FQFP (Fine Pitch Quad Flat Package), LQFP (Low Profile Quad Flat Package), SQFP (Small Quad Flat Packag) TQFP (Thin Quad Flat Package), VQFP (Very small Quad Flat Package).

Die PCB Library soll einheit­liche Ele­mente haben. Gleiche Strich­stärken im Be­stückungs­druck, Einheit­liche Polar­itäts­kenn­zeichnung und Zu­ordnung der Mechanik Lagen sind wichtige Eigen­schaft einer guten Library. Im allge­meinen ist in Altium Designer der Mech­anische Layer 13 für das 3D-Modell und der Mech­anische Layer 15 für den Court­yard be­nutzt. Weitere Firmen­intern fest­ge­legte Layer z.b. für Fräs­kontur oder Sonder­prozesse wie Via Plugging sollten eben­falls ein­heitlich be­nutzt werden.

Die Definition der Lötstopp Frei­stellung von PADs wird eben­falls in der PCB Library ge­troffen. In Altium Designer ist es möglich eine globale Löt­stopp Frei­stellung über eine DRC Regel zu defi­nieren (Solder Mask Expansion value from rule), oder aber eine spe­zifische Frei­stellung vor­zu­geben(Specify Solder Mask Expansion value).

Die Notwendigkeiten ergeben sich aus der Produktion. Sie ist a­bhängig von der Lack­type, der Be­lichtung und den Fertig­keiten. Mit einem Kontakt­belichter sind Bei 35µm CU Stärke Frei­stell­ungen von 50µm er­reichbar. Für im Sieb­druck auf­ge­brachten Lötstopp sind 150µm Frei­stellung er­forder­lich. An­pass­ungen und Opti­mier­ungen durch den Leiter­platten­hersteller ist praktisch uner­lässlich. Diese Opti­mier­ungen lassen sich am ein­fachsten aus­führen wenn die Frei­stellung im PCB ein­heitlich vor­ge­nommen wurde. Eine ein­heit­liche Frei­stellung zwischen 50µm und 75µm um­laufend ist optimal. Optische Ma­kier­ungen wie Fiducials müssen ab­weichend um 1-2mm frei­gestellt werden. Ebenso müssen Leiter­platten­direkt­stecker auf ihrer ge­samten Länge immer lackfrei sein. Werden Soldermask Defined Pads (die Padgröße im Kupfer wird durch den Löt­stopp begrenzt) ver­wendet ist der Leiter­platten­her­steller geeignet darauf hinzuweisen.

Die Lötpaste wird bei der Maschi­nellen Be­stückung als Sieb­druck auf­ge­tragen. Hier­für muss in der PCB Library eine Pasten Maske (Stencil Mask) für die PADs defi­nition ge­troffen werden. Die Menge des Löt­depots ergibt sich aus der Schablonen­dicke und der Masken­öffnung. Üblich sind Schablonen­dicken von 100µm bis 180µm.

Eine Um­laufende Ver­kleiner­ung um einen festen Faktor (typisch 50µm bis 100µm) ist für das CAD Layout einfach um­zu­setzen. Eine Nach­be­arbeitung durch den Leiter­platten­be­stücker ist dann aber im all­gemeinen er­forderlich. In Altium Designer kann das als globale Löt­stopp Frei­stellung über eine DRC Regel zu defi­niert wer­den (Paste Mask Expansion value from rule), oder aber es wird eine spezifische Frei­stellung vor­geben (Specify Paste Mask Expansion value).

Eine Prozentuale Ver­kleiner­ung der Länge und Breite um 10% als Faust­regel liefert meist bessere Ergeb­nisse. Die An­gabe einer Pro­zent­ualen Reduk­tion ist in Altium Designer nicht möglich, sie muss von Hand be­rech­net werden. Auch die Auf­teilung einer großen Fläche in mehrere kleinere Teile muss in Altium Designer manuell vor­ge­nommen werden.

SMD-Bauteile sind vorzugs­weise für die Auto­maten­bestückung vor­ge­sehen. Un­um­gänglich ist dazu die Ein­heitliche Zu­ordnung der Null-Rotation und des Ur­sprungs für alle Bau­ele­mente, damit die Daten ohne Pro­bleme in den Auto­matischen Be­stück­ungs­prozess über­nommen werden können.

Die „richtige“ Lage eines Bauteils ist um­stritten und noch immer nicht einheit­lich vor­ge­geben. In der IPC-7351 wird die Rotation der Bau­ele­mente in den CAD-Biblio­theken unten links fest­gelegt. In der vom FED über­setzen IPC-Richt­linie, wird eben­so wie in vielen älteren Daten­blättern aus dem euro­päischen Raum, bei der Null­lagen­orientierung der PIN 1 oben links vor­gegeben. Der FED empfiehlt mittler­weile aber ab­weich­end davon eben­falls als Nor­mierung der Null­lagen­orien­tierung die Lage des PIN 1 unten links. Für die Zu­kunft wird somit Pin 1 unten links als ver­bind­liche Fest­legung er­wartet. Bei einer be­stehen­den Library ist es aber nicht sinn­voll neue Bau­teile in einer ge­änderten Aus­richtung an­zulegen, sondern die be­ste­hende Aus­richtung fort­zuführen.