Vom Schaltplan zur bestückten Leiterplatte: Einen Elektronik-Prototyp fertigen

1. Schaltplan und Bauteilauswahl: Verfügbarkeit, Gehäuseformen, Lebenszyklus.
2. Layout: Platzierung und Leiterbahnführung nach den Regeln des Herstellers.
3. DFM-Prüfung: Kontrolle der Fertigungs- und Bestückungsregeln.
4. Fertigungsdaten: Gerber, Bohrdaten, Kontur, Stückliste, Bauteilpositionen.
5. Fertigung der unbestückten Leiterplatte (PCB).
6. Beschaffung der Bauteile.
7. Bestückung: Lotpaste, Platzierung, Reflow-Löten, bedrahtete Bauteile.
8. Inspektion, Tests, anschließend Programmierung der Firmware.

Als Richtwert wird eine unbestückte Prototypen-Leiterplatte in wenigen Werktagen gefertigt, während meist die Bauteile, ihre Verfügbarkeit und ihre Beschaffungszeiten die Gesamtdauer bestimmen: Starten Sie kritische Einkäufe früh. Sie können die gesamte Kette oder Teile davon an einen Dienstleister vergeben: siehe die Lohnfertigung in der Elektronik.

Der Preis eines Prototyps setzt sich aus der unbestückten Leiterplatte (Fläche, Lagenzahl, Oberfläche, Lieferzeit), den Bauteilen und der Bestückung zusammen. Prototypenhersteller bündeln häufig mehrere Aufträge auf einem Fertigungsnutzen, wodurch kleine Stückzahlen erschwinglich werden. Bei der Bestückung fallen Rüstkosten an (Schablone für den Lotpastenauftrag, Programmierung des Bestückungsautomaten, Linieneinrichtung), die bei einer einzelnen Baugruppe stark ins Gewicht fallen: Der Preis einiger weiterer Baugruppen ist im Vergleich zu diesen Kosten oft gering.

Liefern Sie ein komprimiertes, klar benanntes Datenpaket in nur einer Version. ODB++ und IPC-2581 fassen diese Daten in einem einzigen Format zusammen: Fragen Sie Ihren Hersteller, was er akzeptiert. Öffnen Sie Ihre Gerber-Dateien vor dem Versand in einem Viewer: So erkennen Sie am schnellsten eine fehlende Lage. Siehe auch die Fertigungsdateiformate.

• Lagen: ein oder zwei für einfache Baugruppen; vier und mehr, sobald Packungsdichte, Signalintegrität oder Versorgungsebenen es erzwingen.
• Basismaterial: FR-4 ist am gängigsten; Polyimid für flexible Leiterplatten, Aluminium für LEDs, Speziallaminate für Hochfrequenz.
• Dicke und Kupfer: 1,6 mm und 35 µm (1 oz) sind die Standardwerte; höhere Ströme erfordern mehr Kupfer.
• Oberfläche: HASL ist günstig, lässt aber eine weniger ebene Oberfläche; ENIG (Chemisch Nickel/Gold) eignet sich für Fine-Pitch-Bauteile und BGAs.
• Leistungsfähigkeit: Leiterbahnbreite, Isolationsabstand, Bohrdurchmesser, Blind und Buried Vias, kontrollierte Impedanz. Als Richtwert gehören Leiterbahnen und Abstände von etwa 0,15 mm (6 mil) und ein Bohrdurchmesser von 0,3 mm bei den meisten Herstellern zum Standard; darunter ist es eine teurere Option.

Die IPC-Klassen beschreiben das Anforderungsniveau: IPC-6012 für die Fertigung starrer Leiterplatten, IPC-A-610 für die Abnahmekriterien bestückter Baugruppen. Klasse 1 zielt auf allgemeine Produkte, Klasse 2 auf Produkte mit dauerhaft zuverlässigem Betrieb, Klasse 3 auf hohe Zuverlässigkeit (kritische Geräte, Medizintechnik, Luftfahrt). Klasse 2 ist der Maßstab für die meisten Industrieprodukte: Klasse 3 für einen Prototyp zu verlangen, macht die Unterlagen aufwendiger, wenn Ihr Endprodukt sie nicht erfüllen muss.

Für eine kontrollierte Impedanz fragen Sie den Hersteller vor dem Routen nach seinem Standard-Lagenaufbau: Er legt die Leiterbahnbreiten fest, und eine nachträgliche Änderung zwingt zum erneuten Routing.

Die Stückliste (BOM)

Eine brauchbare BOM nennt je Zeile die Bezeichner (R1, C3 …), die Menge, den Wert, die Gehäuseform, den Hersteller samt Referenz und die akzeptierten Alternativen. Kennzeichnen Sie Bauteile, die nicht zu bestücken sind. Prüfen Sie die Verfügbarkeit, bevor Sie die Unterlagen einfrieren: Ein nicht lieferbares oder abgekündigtes Bauteil verzögert das ganze Projekt, und eine kompatible Alternative für gefährdete Referenzen erspart es Ihnen, die Unterlagen neu zu erstellen. Legen Sie fest, wer beschafft: Sie, der Bestücker (Komplettfertigung, „Turnkey“) oder eine Mischung aus beidem. Der Betrieb plant für Kleinteile oft einen Überschuss für Bestückungsverluste ein, und Gurtrollen haben Mindestmengen.

Die Pick-and-Place-Datei

Sie wird aus Ihrem CAD-Werkzeug exportiert und gibt für jedes Bauteil Bezeichner, X- und Y-Koordinaten, Drehung und Seite an. Die Drehkonventionen unterscheiden sich von Bibliothek zu Bibliothek und von Maschine zu Maschine: Ein gepoltes Bauteil (Diode, Elektrolytkondensator, integrierter Schaltkreis) kann verdreht bestückt werden. Legen Sie einen Bestückungsplan bei, der Polarität und Pin 1 kennzeichnet, und fordern Sie vor dem Start eine Freigabe an.

• SMD (oberflächenmontierte Bauteile): auf der Oberfläche verlötet, ohne Bohrung, auf beiden Seiten. Die Lotpaste wird über eine Schablone aufgetragen, die Bauteile werden von einer Maschine platziert und anschließend im Reflow-Ofen verlötet. Diese Technik eignet sich für feine Gehäuse; verdeckte Lötstellen von BGAs und teilweise von QFNs werden per Röntgen geprüft.
• THT (bedrahtet): Die Anschlüsse führen durch durchkontaktierte Bohrungen. Das ist mechanisch robuster und wird daher für Steckverbinder, Transformatoren, große Kondensatoren und Klemmleisten genutzt. Gelötet wird per Welle, selektiv oder von Hand: mehr Arbeitsgänge, damit höhere Stückkosten.

Die gemischte Baugruppe ist am häufigsten: zuerst SMD, dann bedrahtete Bauteile. Bevorzugen Sie SMD überall, wo es möglich ist, und behalten Sie THT für Teile mit mechanischer Belastung oder hohen Strömen. Eine beidseitige Bestückung verdoppelt die Durchgänge für Bestückung und Reflow: Für einen wirtschaftlichen Prototyp ist eine einseitige Bestückung vorzuziehen. Wenn Sie ein erstes Exemplar selbst löten möchten, bleiben Gehäuse der Größe 0603 oder größer und Rastermaße ab 0,5 mm gut zugänglich; BGAs werden in der Praxis per Reflow gelötet. In der Europäischen Union beschränkt die RoHS-Richtlinie die Verwendung von Blei: Die Bestückung erfolgt in der Regel mit bleifreiem Lot, und besondere Anforderungen sind anzugeben. Siehe das Glossar: SMD und Leiterplatte.

Fünf DFM-Prüfungen vor dem Versand

1. Lassen Sie die Entwurfsregelprüfung (DRC) mit den Fertigungsgrenzen Ihres Herstellers laufen.
2. Prüfen Sie jedes Footprint anhand des Datenblatts des Bauteils: Ein falsches Footprint zwingt zu einer Neufertigung der Platine.
3. Lassen Sie um die Bauteile Platz für Bestückung und Nacharbeit und am Platinenrand einen freien Streifen von einigen Millimetern für Transportband und Ausbrechen.
4. Ergänzen Sie Passmarken (Fiducials) für die Bilderkennung der Maschinen sowie zugängliche Testpunkte.
5. Achten Sie auf die Pads kleiner passiver Bauteile: Asymmetrische Pads begünstigen den „Grabsteineffekt“, bei dem sich das Bauteil beim Löten aufrichtet.

Inspektion und Tests

Die unbestückte Leiterplatte kann einem elektrischen Test auf Durchgang und Isolation unterzogen werden. Nach dem Löten erkennt die automatische optische Inspektion (AOI) fehlende, verschobene und verdrehte Bauteile sowie Lotbrücken. In-Circuit-Test und Funktionstest erfordern Testpunkte und eine Prüfprozedur: Sie rechnen sich vor allem in der Serie. Bei einem Prototyp beschränkt sich der Betrieb oft auf die Inspektion, und Sie testen die erste Baugruppe selbst. Liefern Sie die Firmware und die Programmierprozedur, wenn der Betrieb sie laden soll.

Beim Eintreffen der ersten Baugruppe

Prüfen Sie zuerst das Erscheinungsbild (fehlende Bauteile, Polaritäten, Lötstellen) und messen Sie dann vor jeder Inbetriebnahme den Widerstand zwischen jeder Versorgungsschiene und Masse. Legen Sie die Versorgung anschließend schrittweise an, vorzugsweise mit einem Labornetzgerät mit Strombegrenzung, und validieren Sie die Blöcke einzeln (Spannungsversorgung, Takt, Kommunikation), bevor Sie den Rest testen. Halten Sie Abweichungen fest: Sie fließen in die nächste Revision des Schaltplans ein.

• Die Anzahl der Baugruppen, mit Staffeln (1, 5, 10) und dem künftigen Serienbedarf.
• Das vollständige Datenpaket: Gerber, Bohrdaten, BOM, Positionen, Bestückungsplan.
• Die Eigenschaften der Leiterplatte: Lagen, Dicke, Kupfer, Oberfläche, Farbe der Lötstoppmaske, gegebenenfalls Impedanz, angestrebte IPC-Klasse.
• Die Beschaffung: von Ihnen beigestellte Bauteile oder vom Bestücker eingekaufte, akzeptierte Alternativen.
• Die Bestückung: zu bestückende Seiten, bedrahtete Bauteile, Lötanforderungen.
• Die erwarteten Tests und die Programmierung (Inspektion, Funktionstest, Laden der Firmware), Schutzlack, antistatische Verpackung.
• Die Lieferzeit, den Termin, zu dem Ihnen gegebenenfalls beigestellte Bauteile vorliegen, und den Lieferort.

Auf Meaflow ist das Einstellen einer Anfrage kostenlos und provisionsfrei: Mehrere Dienstleister können Ihnen ihr Angebot senden, das Sie vergleichen, bevor Sie sich per Nachricht austauschen. Zur Strukturierung Ihrer Unterlagen nutzen Sie den Lastenheft-Generator. Für den weiteren Projektverlauf lesen Sie vom Prototyp zur Serie, und entdecken Sie den Bereich Hardware-Startups sowie die Konstruktionsbüros für die Entwicklung.