Eine PCB-Fiduzialmarke ist eine bewusst einfache optische Referenz. Sie verbindet das Koordinatensystem von Lotpastendrucker, Bestückungsautomat oder Prüfsystem mit der tatsächlichen Leiterplatte. Üblich ist eine runde, freiliegende Kupferfläche mit kontrastierendem Freiraum. Die Kamera erkennt das Ziel, vergleicht es mit programmierten Koordinaten und korrigiert Verschiebung, Drehung sowie bei geeigneten Anlagen geringe Maßstabs- oder Verzerrungsfehler.
Passermarken wirken nebensächlich, verbinden aber CAD-Daten mit realer Fertigung. Schlechter Kontrast, uneinheitliche Geometrie oder mehrdeutige Anordnung können wiederkehrende Ausrichtungsprobleme verursachen. Dieser Leitfaden beschreibt die Entscheidungen, die vor Freigabe mit dem Bestücker abzustimmen sind.
Aufgabe der Passermarken#
Eine automatisierte Linie kann nicht voraussetzen, dass jede Karte identisch einläuft. Transporttoleranzen, Nutzenaufnahme, Druckeinrichtung und Leiterplattenfertigung verursachen kleine Versätze. Die Bildverarbeitung nutzt bekannte Markenkoordinaten, um Maschinen- und Leiterplattenkoordinaten vor Druck, Platzierung oder AOI aufeinander abzubilden.
Eine erkannte Marke kann Ursprung oder lokalen Versatz liefern. Zwei getrennte Marken bestimmen zusätzlich die Drehung. Drei nicht kollineare Marken verbessern die Prüfung von Maßstab, Dehnung, Scherung oder Abweichungen zum Programm, sofern Anlage und Prozess solche Korrekturen unterstützen. Die Erkennungsstrategie ist maschinenabhängig; dokumentierte Fähigkeiten des Bestückers gehören deshalb zu den Designvorgaben.
Globale, Nutzen- und lokale Marken#
| Typ | Bezugsbereich | Typischer Einsatz |
|---|---|---|
| Nutzenmarke | Gesamter Fertigungsnutzen | Ausrichtung für Druck, Bestückung und Prüfung vor dem Vereinzeln. |
| Globale Leiterplattenmarke | Eine Einzelkarte | Gesamtposition und Drehung der einzelnen Karte bestimmen. |
| Lokale Marke | Ein Feinraster- oder Flächenraster-Bauteilplatz | Ausrichtung nahe einer Platzierung mit geringem Toleranzspielraum verbessern. |
Ein Nutzen kann Nutzen- und Einzelkartenmarken enthalten. Erstere lokalisieren das gesamte Array, letztere ermöglichen bei Bedarf Korrekturen je Karte. Lokale Marken sind nicht automatisch für jedes BGA oder Feinrastergehäuse nötig: Moderne Maschinen können die Genauigkeit aus guten globalen Referenzen erreichen. Sie bleiben sinnvoll, wenn Bestücker, Bauteilrichtlinien oder Prozessfähigkeit sie verlangen.
Geeignete Geometrie#
Ein sinnvoller Ausgangspunkt ist eine massive runde Kupferfläche von etwa 1 mm Durchmesser, freigestellt in der Lötstoppmaske und mit Freiraum darum. Eine 2-mm-Maskenöffnung für ein 1-mm-Ziel ist verbreitet, ersetzt aber nicht die Vorgabe des Bestückers. IPC-7351 enthält Darstellungen globaler, Nutzen- und lokaler Marken sowie Größen- und Abstandsanforderungen; sie sind zusammen mit den Anlagenregeln zu prüfen.
Eine gut erkennbare Marke ist absichtlich schlicht:
- ein echter Kreis, kein Logo, Kreuz, Via oder Schriftzeichen;
- massives freiliegendes Kupfer ohne Bohrung;
- eine gleichmäßige Maskenfreistellung für deutlichen Kontrast;
- keine Beschriftung, Leiterzüge, Pads oder Testpunkte im Freiraum;
- gleiche Größe, Oberfläche und Konstruktion bei allen Marken desselben Ausrichtungsschritts.
Bedecken Sie die Marke nicht mit Lötstoppmaske. Sie ist auch keine Werkzeugaufnahmebohrung: Die Marke ist optisch, die Bohrung positioniert Nutzen oder Vorrichtung mechanisch. Beide beherrschen unterschiedliche Fehlerarten.
Oberfläche und optischer Kontrast#
Passermarken erhalten normalerweise dasselbe Finish wie andere offene Kupferpads. ENIG, chemisch Silber, chemisch Zinn, OSP und HASL unterscheiden sich in Helligkeit, Ebenheit und Reflexion. Gleichmäßigkeit ist wichtiger als besonders starker Glanz. Ungleichmäßiger Auftrag, Schmutz oder Lot können den erkannten Mittelpunkt verschieben oder die Erkennung instabil machen.
Halten Sie den Freiraum frei von konkurrierenden Konturen. Bei dunkler Maske entsteht oft ein deutlicher Metallkontrast; helle oder reflektierende Oberflächen können angepasste Kameraeinstellungen verlangen. Bei Sonderfinish oder anderer Maske sollten Sie Muster bereitstellen oder das Ziel mit dem Bestücker abstimmen, statt auf Standardbibliotheken zu vertrauen.
Wie viele Passermarken sind nötig?#
Für eine übliche rechteckige Karte sind drei nicht kollineare globale Marken ein robuster Ausgangspunkt. Zwei weit getrennte Marken bestimmen Position und Drehung, die dritte schafft Redundanz und zusätzliche Geometrieprüfungen. Für begrenzte manuelle oder maschinelle Abläufe kann eine Marke genügen, sie löst aber nicht unabhängig alle Ausrichtungsfehler auf.
Platzieren Sie die Marken möglichst weit auseinander. Eine lange Basis macht die Winkelmessung unempfindlicher gegen kleine Fehler der Mittelpunktbestimmung. Vermeiden Sie drei Marken auf einer Geraden. Eine asymmetrische Anordnung verhindert außerdem, dass eine um 180 Grad gedrehte Karte für die Kamera identisch aussieht.
Platzierungsregeln#
- Auf der bearbeiteten Seite vorsehen. Bei doppelseitiger Bestückung benötigt jede bedruckte oder bestückte Seite geeignete Marken.
- Globale Marken verteilen. Nutzen Sie unterschiedliche Eckbereiche und beachten Sie Kantenhandling, Ränder, Klemmen und Bauteilfreiräume.
- Geraden und Symmetrie vermeiden. Drei Marken sollen ein klares Dreieck bilden, kein leicht verwechselbares Muster.
- Eine stabile gemeinsame Referenz verwenden. Kritische Marken gehören nicht auf biegsame Stege, Abbrechverbindungen oder relativ zum Bauteilbereich verformbare Zonen.
- Kamerasicht freihalten. Hohe Bauteile, Etiketten, Kleber, Paletten und Vorrichtungen dürfen das Ziel beim benötigten Schritt weder verdecken noch abschatten.
- Den Freiraum sauber halten. Nahe Pads, Kupferformen und Druck können als Teil des Ziels erkannt werden oder den Kantenkontrast vermindern.
Berücksichtigen Sie im Nutzenkonzept gleichzeitig Transportstege, Ausbrechlaschen, Ritzlinien, Unterstützung und Marken. Eine perfekte Marke auf einem vor dem nächsten Prozess entfernten Rand kann diesem Prozess nicht mehr dienen.
Lokale Marken für Feinrasterbauteile#
Lokale Marken liegen nahe einem anspruchsvollen Bauteil, damit das System örtliche Dehnung oder Registrierungsfehler korrigieren kann. Sie sind besonders relevant bei wenig Reserve zwischen Raster, Gehäusegröße und nachgewiesener Anlagen-/Leiterplattengenauigkeit. Flächenraster, Feinraster-QFP und hochdichte Steckverbinder sind typische Kandidaten.
Sind lokal Verschiebung und Drehung zu bestimmen, verwenden Sie mindestens zwei getrennte Referenzen, sofern der Bestücker nichts anderes vorgibt. Quetschen Sie Marken nicht so dicht an den Footprint, dass Freiräume mit Pastenöffnungen, Entflechtung oder Prüfzugängen kollidieren. Bei Platzmangel sollte zuerst geklärt werden, ob globale Marken und Bauteilzentrierung der Maschine ausreichen.
Passermarken in der CAD-Bibliothek#
Behandeln Sie die Marke als kontrollierten Footprint statt als improvisierten Kupferkreis. Die Definition sollte enthalten:
- Durchmesser der Kupferfläche;
- Maskenöffnung und ausdrücklichen Freiraum;
- Kennzeichnung auf der Bestückungslage;
- zur EDA-Software passende Bauteil- oder Mechanikklassifikation;
- Courtyard oder Platzierungssperre gegen versehentliche Überlagerung;
- aussagekräftige Referenzen wie FID1, FID2 und FID3.
Schließen Sie Marken in der Stückliste von Einkauf und normalen Bestückungsmengen aus. Lassen Sie sie in Positionsdaten sichtbar, wenn der Importprozess des Bestückers solche Referenzen erwartet. Die freigegebenen Fertigungslagen müssen die beabsichtigte Kupfer- und Maskengeometrie enthalten, nicht nur das Schaltplansymbol.
Nutzenmarken und Wiederholdaten#
Bei Arrays gehören Nutzenmarken auf stabile Ränder oder Bereiche, die während der automatisierten Schritte erhalten bleiben. Die Bestückungszeichnung muss Nutzen-, Karten- und lokale Marken unterscheiden. Dokumentieren Sie Ursprung, Einheit und Rotationskonvention, damit die Fabrik nicht erraten muss, welche Marke zu welcher Karte gehört.
Erstellt der Fertiger den Produktionsnutzen, geben Sie die Absicht auf Kartenebene vor und lassen Sie Fertiger und Bestücker die Ränder abstimmen. Ein Fertigungsnutzen ist nicht automatisch bestückungsgerecht. Montageleisten können Marken, Werkzeugbohrungen, Coupons, Unterstützungsfreiraum und ausreichende Transportbreite benötigen.
Häufige Designfehler#
| Fehler | Warum problematisch | Besserer Ansatz |
|---|---|---|
| Metallisiertes Loch als Ziel | Bohrung, Galvanik und Restring erzeugen zusätzliche Kanten und uneinheitliche Mittelpunkte. | Massive Kupferscheibe ohne Bohrung verwenden. |
| Maske bedeckt die Marke teilweise | Erkannte Kontur kann sich verschieben oder Kontrast verschwinden. | Eine ausdrücklich konzentrische Maskenöffnung vorsehen. |
| Druck oder Kupfer im Freiraum | Die Kamera kann konkurrierende Formen erkennen. | Optischen Freiraum durch DRC und Dokumentation sichern. |
| Drei Marken auf einer Geraden | Geometrie- und Orientierungsprüfung werden geschwächt. | Ein weit aufgespanntes Dreieck verwenden. |
| Nur eine Seite besitzt Marken | Der zweite Druck- oder Bestückungsschritt hat keine gleichwertige Referenz. | Für jede automatisiert bearbeitete Seite Marken vorsehen. |
| Vorrichtung oder Etikett verdeckt Marken | Das Ziel existiert im CAD, ist aber nicht sichtbar. | Gesamte Prozessfolge und Vorrichtungshülle prüfen. |
| Koordinaten fehlen oder sind mehrdeutig | Einrichtung wird manuell und fehleranfällig. | Konsistente Positions-, Zeichnungs- und Nutzendaten freigeben. |
Braucht jede Leiterplatte Passermarken?#
Nicht jede Karte braucht dieselbe Strategie. Ein von Hand bestücktes Muster mit großen THT-Teilen benötigt möglicherweise keine optischen Marken. Moderne Automaten können unter qualifizierten Software- und Prozessbedingungen manchmal Kartenmerkmale, Pads oder Nutzenreferenzen verwenden. Dichte Serienbaugruppen mit Feinrastergehäusen profitieren dagegen üblicherweise von eindeutigen, reproduzierbaren Zielen.
Entscheiden Sie nach Genauigkeit, Kartengröße, Nutzenformat, Raster, Menge und tatsächlicher Anlage. Marken nur zur Einsparung weniger Quadratmillimeter zu entfernen, kann Kosten in Rüstzeit, geringere Prozessreserve oder Prüfprobleme verlagern.
Checkliste für die Designprüfung#
- Bevorzugten Zieldurchmesser, Maskenöffnung und Freiraum des Bestückers bestätigen.
- Für jede benötigte automatisierte Seite und Operation globale oder Nutzenreferenzen bereitstellen.
- Nicht kollinear, asymmetrisch und mit möglichst großem Abstand anordnen.
- Kamerasicht auf Ränder, Klemmen, Paletten, Etiketten und Bauteile prüfen.
- Lokale Marken nur bei begründetem Gehäuse- oder Prozessbedarf ergänzen.
- Kupfer und Maske in finalen Gerber- oder IPC-2581-Daten prüfen, nicht nur im CAD.
- Identitäten und Koordinaten zwischen Zeichnung und Positionsdaten konsistent halten.
- Erstmuster auf Größe, Finish, Schmutz und Erkennungsstabilität prüfen.
Prüfen Sie die Freigabe im Online-Gerber-Viewer und anschließend im DFM des Lieferanten. Marken gehören ebenso zur Prozessplanung wie Schablonenöffnungen, Bauteilorientierung und Reflow-Profil.
Primärquellen#
- Inhaltsverzeichnis der IPC-7351B mit Hinweisen zu globalen/Nutzen- und lokalen Marken, Lage, Größe und Freiräumen.
- IPC-Revisionsübersicht zum aktuellen Stand von Design- und Bestückungsnormen.
- Texas Instruments Array QFN Design Guide: Die Platzierungsgenauigkeit hängt unter anderem von Marken, Bezugsposition, Größe, Ebenheit und Anlage ab.
- Texas Instruments QFN and SON PCB Attachment zur Montage dieser Gehäuse auf Leiterplatten.
Häufig gestellte Fragen#
Was ist eine PCB-Passermarke?
Eine optische Referenz, meist eine runde offene Kupferfläche mit Freiraum, über die automatisierte Anlagen reale Karten mit programmierten Koordinaten abgleichen.
Wie groß sollte sie sein?
1 mm Kupfer mit etwa 2 mm Maskenöffnung ist ein häufiger Ausgangspunkt. Verbindlich sind die qualifizierte Anlagenspezifikation des Bestückers und die anwendbare Designnorm.
Wie viele Marken braucht man?
Drei weit getrennte, nicht kollineare globale Marken sind robust. Manche Prozesse nutzen zwei oder eine; anspruchsvolle lokale Platzierungen können weitere benötigen. Stimmen Sie die Erkennung mit dem Bestücker ab.
Soll die Marke mit Maske bedeckt sein?
Nein. Die Kupferfläche liegt normalerweise in einer größeren konzentrischen Maskenöffnung frei, um eine klare optische Grenze zu schaffen.
Sind Marken auf beiden Seiten nötig?
Wenn beide Seiten automatisiert bedruckt, bestückt oder geprüft werden, braucht jede bearbeitete Seite zugängliche, passende Referenzen.
Sind Werkzeugbohrungen dasselbe?
Nein. Werkzeugbohrungen positionieren Nutzen oder Vorrichtungen mechanisch; Passermarken liefern optische Koordinaten für Kamerasysteme. Ein Produktionsnutzen kann beides benötigen.