Eine PCB-Passermarke ist eine optische Referenz für die Ausrichtung beim Druck und bei der Bauteilplatzierung. Als konkretes Beispiel empfiehlt Newmatik einen 1-mm-Kupferpunkt mit einer konzentrischen 2-mm-Lötstoppöffnung. Stimmen Sie Größe, Anzahl und Position der Marken mit dem zuständigen Bestücker ab; das Beispiel ist keine allgemeingültige IPC- oder SMEMA-Abmessungsvorgabe.
Passermarken können Drucker, Bestückungsautomaten und Inspektionssysteme bei der Ausrichtung unterstützen und bei ausgewählten Geräten und Programmen bestimmte Verformungskorrekturen ermöglichen. Die verfügbare Kompensation hängt von Gerät und Programm ab; drei Marken erfassen nicht automatisch jede nichtlineare Verformung der Leiterplatte. Im Folgenden finden Sie Maßbeispiele, Kriterien für globale und lokale Marken, Vergleiche von Oberflächen und CAM-Prüfpunkte für die Fertigungsfreigabe.
Wie erfassen SMT-Kamerasysteme Passermarken auf der Leiterplatte?
Die an Schablonendruckern und Bestückungsköpfen installierten, nach unten gerichteten CCD- und CMOS-Kameras suchen nicht nach physischen Leiterplattenkanten, sondern berechnen das mathematische Zentrum geätzter Kupfermarken unter koaxialer roter, weißer oder blauer LED-Ringbeleuchtung.
Das Bildverarbeitungssystem benötigt eine wiederholbar erkennbare Kontrastgrenze. Algorithmus, Beleuchtung und nachgewiesene Wiederholgenauigkeit sind geräteabhängig:
- Das flache, metallische Kupferrondell reflektiert das koaxiale Licht direkt in das Objektiv zurück und erscheint auf dem Kamerasensor als kontrastreiche, helle Kreisscheibe.
- Der konzentrische, von Kupfer und Lötstopplack befreite Basismaterialring streut oder absorbiert das einfallende Licht und erzeugt einen gleichmäßig dunklen Hintergrundring.
- Leiterbahnen, Kupferflächen, Beschriftungen oder eine in den Freiraum ragende Lötstoppkante können die Kreisgrenze unregelmäßig machen und dadurch die Schwerpunktberechnung oder Erkennung beeinträchtigen. Die Auswirkungen hängen von Algorithmus, Beleuchtung und der nachgewiesenen Wiederholgenauigkeit des jeweiligen Systems ab.
Globale vs. lokale vs. Nutzen-Passermarken: Welche Marken benötigt Ihre Leiterplatte?
Welche optischen Marken auf einer Leiterplatte vorgesehen werden, hängt vom Leiterplatten- und Nutzenaufbau, den Bestückungsgeräten und den Vorgaben des Bestückers ab. Globale, Nutzen- und lokale Marken sind mögliche Layoutoptionen; nicht jede Leiterplatte benötigt alle drei Arten. Stimmen Sie Anzahl, Position und Ausrichtung mit dem zuständigen Bestücker ab. Drei weit auseinanderliegende globale Marken sind ein gängiger Vorschlag, manche Prozesse kommen jedoch mit zwei aus.
| Markenebene | Platzierungsort | Anzahl & Anordnung | Ausrichtungsfunktion | Wann im DFM zu klären |
|---|---|---|---|---|
| Nutzenrand-Marken (Panel) | Können auf dem Nutzenrand platziert werden; außerhalb der tatsächlichen Förder- und Klemmzonen | Anzahl und Position richten sich nach Nutzenlayout und Bestücker | Können zur Ausrichtung des Nutzens dienen; die Richtungserkennung hängt vom freigegebenen Muster und Suchfenster des Geräts ab | Bedarf anhand des Nutzenlayouts und des Bestückungsprozesses klären |
| Globale Platinenmarken | Mit möglichst großem Abstand auf der einzelnen Leiterplatte verteilt | Drei Marken sind ein gängiger Vorschlag; manche Prozesse akzeptieren zwei. Anordnung mit dem Bestücker abstimmen | Können zur X/Y- und Rotationsausrichtung dienen; verfügbare Verformungskorrekturen hängen von Gerät und Programm ab | Für die jeweiligen Bestückungsseiten und Leiterplattenbedingungen mit dem Bestücker abstimmen |
| Lokale Bauteilmarken | In der Nähe des jeweiligen Bauteilbereichs, wenn lokale Ausrichtung benötigt wird | Häufig wird ein Markenpaar vorgeschlagen; Bedarf und Abstand mit dem Bestücker abstimmen | Können die lokale Ausrichtung unterstützen; Wirkung abhängig von Gerät, Programm und Bauteillayout | Bei Bauteilen mit feinem Raster mit dem Bestücker abstimmen |
Klären Sie bei der Layoutplanung mit dem Bestücker insbesondere folgende Punkte:
- Markenverteilung und Richtungserkennung: Bei drei globalen Marken unterstützt ein großer Abstand häufig die Ausrichtung. Ein asymmetrisches Muster kann die Richtungserkennung erleichtern; das hängt jedoch vom freigegebenen Muster und Suchfenster der Kamera ab. Gehen Sie nicht davon aus, dass ein bestimmtes Layout bei allen Geräten ein verdrehtes Einlegen automatisch verhindert.
- Koordinaten und Programme für doppelseitige Bestückung: Prüfen Sie die Unterseitenkoordinaten und das zugehörige Bestückungsprogramm anhand der vom Bestücker freigegebenen Ausrichtung. Ob und um wie viel die Marken beider Seiten versetzt werden müssen, richtet sich nach Gerät und Prozess; ein allgemeingültiger Versatz von 3,0–5,0 mm existiert nicht.
IPC-7351B: Abmessungen und Freihaltebereiche für Passermarken
Die folgende Tabelle enthält Maßbeispiele, die als Ausgangspunkt für die Layoutabstimmung dienen können. Sie sind keine für alle Produkte geltenden IPC- oder SMEMA-Grenzwerte. Endgültige Maße, Abstände, Toleranzen und Klemmfreiräume müssen zum Leiterplattenaufbau und den Geräten passen und vom zuständigen Bestücker bestätigt werden.
| Abmessungsparameter | Gängiges Layoutbeispiel (zu bestätigen) | Beispiel bei beengtem HDI-Layout | Prüfpunkte für die Fertigung |
|---|---|---|---|
| Kupferpad-Geometrie & Durchmesser | Massiver Kupferkreis mit 1,00 mm (40 mil) Durchmesser | Massiver Kreis mit 0,80 mm (31,5 mil) Durchmesser | Durchmesser, Form und zulässige Toleranz mit dem Bestücker abstimmen; Bohrungen vermeiden, sofern das Gerät dieses Merkmal nicht ausdrücklich unterstützt |
| Durchmesser der Lötstoppöffnung | Konzentrische Öffnung mit 2,00 mm (80 mil), also 2× Pad-Durchmesser | Konzentrische Öffnung mit 1,60 mm (63 mil) | Ein freier Ring von 0,35 mm (14 mil) kann als Layoutvorschlag dienen; anhand der tatsächlichen Lötstoppregistrierung bestätigen |
| Freihaltebereich für Kupfer & Leiterbahnen | Freiraum mit 2,00 bis 3,00 mm Durchmesser als möglicher Vorschlag | Freiraum mit 1,60 mm Durchmesser auf der Außenlage als möglicher Vorschlag | Prüfen, ob Kupfer, Leiterbahnen oder Lötstoppkanten innerhalb des Erkennungsfensters die optische Erkennung beeinträchtigen |
| Abstand zum Bestückungsdruck (Silkscreen) | Abstand von der Lötstoppöffnung von mindestens 0,50 mm (20 mil) als möglicher Vorschlag | Mindestens 0,25 mm (10 mil) als möglicher Vorschlag | Druckfarbe aus dem Erkennungsbereich halten; den konkreten Abstand mit Leiterplattenhersteller und Bestücker abstimmen |
| Rand- & Klemmbackenabstand | Mindestens 5,00 mm (200 mil) als Beispiel für den Nutzenrand | Mindestens 3,50 mm als mögliches Beispiel für lokale Marken | Den Freiraum anhand der tatsächlichen Förder- und Klemmzonen des Geräts bestimmen; keine allgemeingültige feste Breite annehmen |
| Kupferbelegung der Innenlagen | Unter den Marken einheitlich kupferfrei oder mit Kupfer belegt | Unter allen Marken derselben Bestückungsseite nach Möglichkeit einheitlich | Je nach Leiterplatte, Lagenaufbau und optischer Erkennung prüfen, ob unterschiedliche Hintergründe den Kontrast beeinflussen |
Vor der Datenfreigabe können Sie die exportierten GTL/GTS-Lagen in unserem Online-Gerber-Viewer prüfen. Kontrollieren Sie, ob Leiterbahnen und Kupferflächen in die Lötstoppöffnung hineinragen, und gleichen Sie das Layout mit den vom Bestücker bestätigten Maßen ab.
Wie beeinflusst die Oberflächenvergütung die optische Erkennung und die Kosten?
Da Passermarken freiliegende Kupferflächen in der Lötstoppmaske sind, erhalten sie dieselbe Oberflächenbeschichtung wie die übrigen Lötpads. Für SMT-Visionskameras sind Planarität und Kontraststabilität über mehrere Reflow-Durchläufe entscheidende Prüfpunkte; die Ergebnisse müssen jedoch an der konkreten Leiterplatte und Anlage bewertet werden.
| Oberflächenbeschichtung | Optische Planarität & Kontrast | Stabilität im Reflow-Prozess | Eignung für Fine-Pitch-Visionssysteme | Kosten |
|---|---|---|---|---|
| Chemisch Nickel-Gold (ENIG) | Planarität und Reflexion können bewertet werden; der Kontrast hängt auch von Leiterplatte und Beleuchtung ab | Anhand der konkreten Leiterplatte und des Reflow-Prozesses prüfen | Mögliche Option für 0,4-mm-BGAs, HDI-Leiterplatten und doppelseitige Bestückung; mit dem Bestücker auf dem Zielgerät bestätigen | Preisunterschiede zu HAL/OSP anhand des tatsächlichen Angebots vergleichen; keine Garantie für ausbleibende Rüstzeiten |
| OSP (Organischer Oberflächenschutz) | Ebene Kupferoberfläche; der Kontrast hängt von Leiterplatte, Oberflächenzustand und Beleuchtung ab | Der Oberflächenzustand kann sich nach dem Reflow ändern. Ob Beleuchtung oder Geräteparameter angepasst werden müssen, ist im Zielprozess zu prüfen. 255 bis 260 °C ist ein vorhandenes Prozessbeispiel, keine allgemeine Anforderung | Eignung anhand von Bauteilen, Prozess und Gerät validieren | Das Angebot hängt von Leiterplatte und Auftrag ab; OSP ist nicht bei jedem Auftrag die günstigste Option |
| Chemisch Silber (ImAg) / Chemisch Zinn (ImSn) | Oberflächenzustand und Reflexion an der konkreten Leiterplatte bewerten | Lagerung, Handhabung und Reflow-Bedingungen berücksichtigen | Als mögliche Optionen aufnehmen und auf dem vorgesehenen Gerät prüfen | Kosten anhand des tatsächlichen Angebots vergleichen; keine feste Preisreihenfolge annehmen |
| Bleifreies HAL (Hot Air Levelling) | Die Oberflächenform unterscheidet sich von planaren Beschichtungen; die Erkennung am vorgesehenen Gerät prüfen | Anhand der konkreten Leiterplatte und des Reflow-Prozesses prüfen | Eignung hängt von Bauteil, Leiterplatte und Gerätequalifikation ab | Preis anhand des konkreten Angebots bewerten; keine feste Höhendifferenz oder Schwerpunktverschiebung auf alle Leiterplatten übertragen |
Die Wahl der Oberflächenbeschichtung lässt sich nicht allein aus dem Verfahrensnamen ableiten. OSP ist nicht grundsätzlich für Fine-Pitch-Baugruppen ungeeignet; die Eignung sollte anhand des Oberflächenzustands, der Lagerungs- und Reflow-Bedingungen sowie der vorgesehenen Bestückungsanlage geprüft werden. Die Oberflächenform von HAL kann die Reflexion beeinflussen, belegt aber keine feste Schwerpunktverschiebung für alle Geräte. Maßgeblich sind die Ergebnisse der Validierung mit Anlage und Programm des Bestückers.
Diagnose und Behebung von Visionsfehlern an der SMT-Linie
Stoppt ein Schablonendrucker oder Bestückungsautomat mit einer Passermarken-Fehlermeldung, hilft folgende Diagnosetabelle bei der Ursachenanalyse:
| Linien-Symptom / Fehlermeldung | Physikalische Ursache | Erkennungsstufe | Sofortmaßnahme an der Linie vs. dauerhafte CAD-Korrektur |
|---|---|---|---|
Kamera erfasst Marke nicht (Fiducial Not Found) |
Lötstopplacköffnung auf GTS/GBS fehlt (Pad vollständig mit Lack überdeckt) |
Rüstphase Schablonendrucker / Bestücker | Notbehelf: Anlernen eines alternativen Pads/Eckpads (Genauigkeitsverlust). CAD-Fix: 2,0-mm-Maskenöffnung im Bibliothekssymbol ergänzen |
Berechneter Schwerpunkt weicht um 30 bis 80 µm ab (Aspect Ratio Reject) |
Maskenversatz oder Kupferfläche schneidet den 2,0-mm-Freihaltering an | Pre-Production-CAM-DFM-Prüfung oder optisches Einlernen | Notbehelf: Erkennungsalgorithmus von Außenring auf Innenpad-Kante umstellen. CAD-Fix: 1,0 mm radialen Freiraum im Layout einhalten |
| Bestückkopf setzt Bauelemente um mehrere Millimeter versetzt ab | Unlackierter 1,0-mm-Testpunkt oder Via liegt innerhalb von 3,0 mm um die Passermarke | Erststückprüfung (FAI) nach der Bestückung | Notbehelf: Suchfenster (ROI) der Kamera verkleinern. CAD-Fix: Benachbarte Vias gemäß IPC-4761 abdecken (tenting), Testpunkte ≥ 3,5 mm abrücken |
| Konstanter Rotationsfehler (Δ θ) über lange Nutzen | Nur 2 globale Marken an einem Nutzenende statt über die volle Diagonale platziert | 3D-AOI-Inspektion nach der Bestückung | CAD-Fix: 3 globale Passermarken mit maximaler diagonaler Spannweite über die Leiterplatte oder den Nutzenrand anordnen |
| Pastendruckversatz relativ zu den Kupferpads | Passermarke versehentlich in der Schablonenlage (GTP/GBP) enthalten; Paste verschmiert die Marke |
Inline-3D-SPI nach dem Pastendruck | Notbehelf: Marke reinigen, Schablonenöffnung mit Kapton-Tape verschließen. CAD-Fix: Passermarkenpads aus den Lagen GTP/GBP löschen |
Passermarken sollten in der Regel keine Öffnungen in den Schablonenlagen GTP (Top Paste) oder GBP (Bottom Paste) haben. Befinden sich solche Öffnungen in der Laserschablone, kann Lotpaste die optische Marke bedecken und die Erkennung beeinträchtigen. Prüfen Sie die betreffenden Lagen im CAM-Prozess; Änderungen an den Designdaten müssen von der zuständigen Stelle geprüft und freigegeben werden. Unsere Teams für SMT-Bestückung und PCB-Design-Services können bei der Prüfung von Layout- und Schablonendaten unterstützen.
Freigabeleitfaden (Submit / Release Aid)
Mit der RFQ oder dem Freigabepaket übermitteln:
- Gerber- (
RS-274XoderGerber X2),ODB++- oderIPC-2581-Paket mit Passermarken aufGTL/GBL, konzentrischen 2×-Öffnungen aufGTS/GBSund null Öffnungen aufGTP/GBP. - Bestückungs-Koordinatendatei (Centroid /
XYR) mit X/Y-Koordinaten für alle globalen (FID1–FID3), Nutzen- und lokalen Passermarken. - Nutzenzeichnung mit Breitenangabe des Transportrands (≥ 5,0 mm), Positionen der Randmarken und Passlochdurchmessern.
- Fertigungszeichnung mit Spezifikation der Oberflächenbeschichtung (ENIG, OSP, ImAg oder HAL) und IPC-6012-Registrierungsklasse.
Vom Lieferanten vor Produktionsfreigabe anzufordern:
- CAM-DFM-Prüfbericht zur Bestätigung von Markendurchmesser, Unversehrtheit des 2x-Lötstoppfreiraums und Schablonenfreiflächen.
- Fertigungsnutzen-Zeichnung (Panel DWG) mit asymmetrischen 3-Punkt-Randmarken und ≥ 5,0 mm Freiraum zu Förderklemmungen.
- Schablonen-Freigabeplot zum Nachweis, dass die Passermarken des Schablonenrahmens exakt mit den Nutzenrandmarken übereinstimmen.
- Erststückprüfbericht (FAI) und 3D-SPI/AOI-Ausrichtungsnachweis zur Einhaltung der IPC-A-610 Klasse 2 oder Klasse 3.
Zuständigkeiten je Schritt:
- Entwickler: Anzahl und Position globaler, Nutzen- und lokaler Marken mit dem Bestücker abstimmen, die Ausrichtung jeder Seite dokumentieren und unbeabsichtigte Pastenöffnungen ausschließen.
- Qualitätsmanagement: Lötstoppregistrierungstoleranz prüfen, Nutzenzeichnung freigeben, 3D-AOI-Erststückbestückung abnehmen.
- Einkauf: Klären, ob Leiterplattenhersteller oder EMS-Partner den Fertigungsnutzen erstellt, damit Randmarken zu den Bestückungslinien passen.
Prüfgates nach Projektphase:
- EVT: CAM-Prüfung des Lagenaufbaus
GTL/GTS/GTP+ Koordinatenabgleich fürFID1–FID3. - DVT: Einfrieren des Nutzenrandlayouts + Verifikation des Koordinatenversatzes zwischen Ober- und Unterseite.
- PVT: Die optische Ausrichtung an Drucker und Bestücker anhand der freigegebenen Erkennungs- und Eingriffskriterien prüfen und erforderliche manuelle Anpassungen dokumentieren.
- MP: Kontinuierliche Inline-3D-SPI- und 3D-AOI-Überwachung der Cp/Cpk-Fähigkeitsindizes für den Bestückversatz in der Serienproduktion.
Wenn Ihre Layout- und Nutzendateien für die DFM-Prüfung bereitstehen, informieren Sie sich über unsere SMT-Bestückung und schlüsselfertige PCB-Fertigung oder laden Sie Ihre Gerberdaten direkt hoch, um ein Angebot anzufordern.
Warum werden runde Passermarken auf Leiterplatten gegenüber Kreuzen oder Quadraten bevorzugt?
Runde Passermarken werden bevorzugt, da der radiale Kanten-Helligkeitsgradient eines massiven Kreises für Bildverarbeitungskameras unabhängig von leichten Rotationswinkeln (Δ θ) stets identisch erscheint. Kreuze oder Quadrate neigen beim chemischen Ätzen zur Kantenverrundung und erzeugen unter Ringlicht uneinheitliche Glanzlichter, was die Wiederholgenauigkeit der Subpixel-Schwerpunktberechnung beeinträchtigt.
Kann eine durchkontaktierte Bohrung (Via) oder ein Testpunkt als Passermarke genutzt werden?
Eine eigens vorgesehene, massive optische Marke ist in der Regel vorzuziehen. Das Bohrloch kann einen dunklen Bereich und unregelmäßige Reflexionen erzeugen, die eine Erkennung des Kreismittelpunkts beeinträchtigen. Lotpaste oder Prüfspitzen können außerdem die Oberfläche eines Testpunkts verändern. Wenn ein anderes Merkmal in Betracht kommt, muss der Bestücker dessen Geometrie und Erkennung auf dem vorgesehenen Gerät freigeben; es ist nicht automatisch mit einer dedizierten Marke austauschbar.
Wie viele Passermarken werden auf einer Leiterplatte für die SMT-Bestückung benötigt?
Stimmen Sie die konkrete Anordnung mit dem Bestücker ab. Drei weit auseinanderliegende globale Marken sind ein gängiger Vorschlag, manche Prozesse akzeptieren zwei. Ob Nutzen- und lokale Marken nötig sind, hängt von Nutzenlayout, Gerät und Bauteil ab. Newmatik empfiehlt beispielsweise drei globale Marken und erlaubt für den eigenen Prozess mindestens zwei. Diese Vorgabe gilt für den genannten Anbieter und ist weder ein allgemeiner Standard noch eine feste Anforderung für jedes Produkt.
Dürfen Passermarken Öffnungen in der Schablonen-Pastenlage aufweisen?
Passermarken sollten auf der Pastenlage (GTP/GBP) in der Regel geschlossen bleiben. Kupferpad auf GTL/GBL und konzentrische Lötstoppöffnung auf GTS/GBS sind anhand des konkreten Designs und der Vorgaben des Bestückers zu bestätigen. Eine Schablonenöffnung über der Marke kann Lotpaste auftragen und die optische Erkennung beeinträchtigen; prüfen Sie dies im CAM-Prozess und klären Sie erforderliche Änderungen vor der Freigabe.