Die Entwicklung von Leiterplatten (PCB-Design) ist einer der wichtigsten Schritte bei der Entwicklung elektronischer Geräte. Bereits in dieser Phase werden die Zuverlässigkeit der Baugruppe, die Herstellkosten, die Bestückbarkeit sowie die spätere Wartungsfreundlichkeit maßgeblich beeinflusst. Aus der Praxis von Electronics Manufacturing Services (EMS) wissen wir, dass selbst kleine Designfehler zu kostspieligen Nacharbeiten, Produktionsverzögerungen oder Qualitätsproblemen im Endprodukt führen können.

In diesem Artikel zeigen wir die häufigsten Fehler im PCB-Layout und geben praktische Empfehlungen, wie Sie diese bereits während der Entwicklungsphase vermeiden können.

Die Fertigungsdokumentation bildet die Grundlage der Kommunikation zwischen Entwickler und EMS-Dienstleister. Fehlende Gerber-Daten, Stücklisten (BOM), Pick-and-Place-Dateien oder Bestückungszeichnungen sowie widersprüchliche Bezeichnungen (z. B. unterschiedliche Positionsnummern im Schaltplan und Layout) führen häufig zu Rückfragen und Verzögerungen bei der Produktionsvorbereitung.

Zur Vermeidung dieser Probleme sollten einheitliche Dokumentationsstandards eingesetzt und sämtliche Dateien vor der Freigabe sorgfältig geprüft werden. Empfehlenswert ist die automatische Generierung der Fertigungsdaten direkt aus dem CAD-System (z. B. Altium Designer oder KiCad). Zusätzlich sollten PDF-Dokumente mit Leiterplattenansicht, Lagenaufbau und Komponentenübersicht bereitgestellt werden.

Die Bill of Materials (BOM) ist ein zentrales Dokument für die Beschaffung elektronischer Bauteile. Fehlende Herstellerartikelnummern, Toleranzangaben oder Gehäuseinformationen können zu Fehlbestellungen, Lieferverzögerungen und Abweichungen zwischen Prototyp und Serienfertigung führen.

Eine professionelle BOM sollte mindestens folgende Informationen enthalten:

• Referenzbezeichnung
• Bauteilbezeichnung
• Wert
• Toleranz
• Gehäusetyp
• Herstellerartikelnummer (MPN)
• Freigegebene Alternativbauteile

Die direkte Generierung der Stückliste aus dem CAD-System sowie eine konsequente Versionsverwaltung reduzieren das Fehlerrisiko erheblich.

Ein häufiger Fehler in der Leiterplattenentwicklung besteht darin, Footprints zu verwenden, die nicht exakt den tatsächlichen Abmessungen des Bauteils entsprechen. Bereits geringe Abweichungen beim Pin-Abstand oder den Pad-Geometrien können dazu führen, dass Bauteile nicht korrekt bestückt werden können.

Die beste Lösung besteht darin, ausschließlich Bibliotheken aus vertrauenswürdigen Quellen zu verwenden, beispielsweise direkt vom Komponentenhersteller oder aus zertifizierten Bibliotheken. Zusätzlich sollten Footprints immer mit den Angaben im Datenblatt abgeglichen werden.

Unzureichende Markierungen für Dioden, Elektrolytkondensatoren oder integrierte Schaltungen können zu Bestückungsfehlern führen. Moderne Pick-and-Place-Systeme benötigen eindeutige Informationen über Pin 1 und die Bauteilorientierung.

Daher sollten stets detaillierte Bestückungszeichnungen bereitgestellt und alle polarisierten oder rotationskritischen Bauteile eindeutig gekennzeichnet werden.

Zu geringe Bohrungsdurchmesser bei Through-Hole-Komponenten können dazu führen, dass Anschlüsse nicht vollständig eingeführt werden können. Werden Fertigungstoleranzen oder die Kupferbeschichtung nicht berücksichtigt, entstehen häufig Lötprobleme und unzuverlässige Verbindungen.

Als Faustregel gilt:

Der Bohrungsdurchmesser sollte 0,2 bis 0,3 mm größer sein als der Durchmesser des Anschlussdrahtes.

Zusätzlich empfiehlt sich die Abstimmung mit dem Leiterplattenhersteller hinsichtlich der tatsächlichen Fertigungstoleranzen.

Werden die vom Leiterplattenhersteller vorgegebenen Mindestabstände nicht eingehalten, steigt das Risiko von Kurzschlüssen und Fertigungsproblemen. In vielen Fällen erhöht sich dadurch auch der Fertigungspreis erheblich, da aufwendigere Technologien wie HDI-Leiterplatten erforderlich werden.

Bereits zu Beginn des PCB-Designs sollten deshalb die Design Rules (DRC) entsprechend den Fertigungsanforderungen definiert werden. Moderne CAD-Systeme erkennen Regelverletzungen automatisch und sollten konsequent genutzt werden.

Für die automatische Leiterplattenbestückung sind Fiducials unverzichtbar. Sie ermöglichen es Bestückungsautomaten und AOI-Systemen, die exakte Position und Ausrichtung der Leiterplatte zu bestimmen.

Fehlen diese Referenzmarken, muss der EMS-Partner Anpassungen vornehmen, was zusätzliche Kosten und längere Durchlaufzeiten verursacht.

Üblicherweise wird ein Fertigungsrahmen von 5 bis 10 mm vorgesehen und pro Nutzen mindestens drei Fiducials in unterschiedlichen Ecken platziert.

Testpunkte sind entscheidend für In-Circuit-Tests (ICT), Funktionstests (FCT) und spätere Servicearbeiten. Ohne geeignete Testzugänge wird die Fehlersuche deutlich erschwert und die Prüfzeit verlängert.

Bereits in der Layoutphase sollten Testpunkte für:

• Versorgungsspannungen
• Masse
• wichtige Signale
• Kommunikationsschnittstellen

vorgesehen werden. Für eine zuverlässige Kontaktierung wird ein Durchmesser von mindestens 1 mm empfohlen.

Werden Komponenten zu dicht nebeneinander oder zu nah am Leiterplattenrand platziert, können Probleme während der Bestückung, beim Löten oder bei der Gehäuseintegration entstehen. Zudem erschweren enge Platzierungen Nacharbeiten und optische Inspektionen.

Bauteile sollten möglichst mit ausreichendem Abstand zueinander positioniert werden. Zusätzlich empfiehlt sich ein Sicherheitsabstand von mindestens 3 bis 5 mm zum Leiterplattenrand. Eine 3D-Kollisionsprüfung im CAD-System hilft dabei, mögliche Konflikte frühzeitig zu erkennen.

Nicht standardisierte Leiterplattenstärken oder ungewöhnliche Stack-ups können die Fertigung verteuern und die Verfügbarkeit von Materialien einschränken.

Bereits während der Entwicklungsphase sollte deshalb eine Abstimmung mit dem Leiterplattenhersteller erfolgen. In den meisten Anwendungen bieten standardisierte FR4-Aufbauten mit vier Lagen eine wirtschaftliche und technisch zuverlässige Lösung.

Falls spezielle Anforderungen an den Stack-up bestehen, sollten Materialverfügbarkeit und Herstellbarkeit frühzeitig geprüft und dokumentiert werden.

Jeśli opis elementów (np. wartości, oznaczenia) nachodzi na pady, może utrudniać lutowanie i powodować zabrudzenia pastą. Brak opisu natomiast utrudnia serwis i diagnostykę.

Rozwiązaniem jest automatyczne sprawdzenie nakładania (silkscreen clearance check) w programie CAD oraz zachowanie minimalnego odstępu od padów (np. 0,2 mm). Warto też używać czytelnych czcionek i unikać zbyt małych oznaczeń.

Ist der Abstand zwischen benachbarten Pads zu gering, kann die Lötstoppmaske nicht zuverlässig aufgebracht werden. Die Folge sind Lotbrücken und Kurzschlüsse während des Reflow-Lötprozesses.

Zur Vermeidung dieses Problems sollten die vom Bauteilhersteller empfohlenen Footprints verwendet werden. Zusätzlich sollte die automatische Kontrolle der „Solder Mask Expansion“ sowie eine abschließende DRC-Prüfung durchgeführt werden.

Ein professionelles PCB-Design erfordert technisches Know-how, Erfahrung und ein tiefes Verständnis der Anforderungen moderner Elektronikfertigung. Fehler in der Dokumentation, bei Footprints oder im Leiterplattenlayout können erhebliche Auswirkungen auf Kosten, Qualität und Liefertermine haben.

Der Schlüssel zum Erfolg liegt in der engen Zusammenarbeit zwischen Entwickler, Leiterplattenhersteller und EMS-Dienstleister. Durch die konsequente Anwendung von DRC-Regeln, die sorgfältige Prüfung aller Fertigungsdaten und die frühzeitige Berücksichtigung von Bestückungs- und Testanforderungen lassen sich die meisten Probleme bereits vor Produktionsbeginn vermeiden.

Wer seine Leiterplatten von Anfang an fertigungsgerecht entwickelt, reduziert nicht nur Nacharbeitskosten, sondern erhöht auch die Qualität, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit des gesamten Produkts.

Sie möchten sicherstellen, dass Ihre Leiterplatten optimal für die Serienfertigung vorbereitet sind? Kontaktieren Sie unser EMS-Team und profitieren Sie von unserer langjährigen Erfahrung in der Leiterplattenbestückung und Elektronikfertigung.