Niemand möchte das Gefühl haben, seine neue Leiterplatte (PCB) zu bestücken und dann festzustellen, dass sie elektrisch nicht funktionsfähig ist. Meistens ist die mangelnde Funktionalität auf ein spezifisches Produktionsproblem oder eine Kombination verschiedener Probleme zurückzuführen. Manchmal liegt das Problem aber auch darin, dass die von Ihrem Leiterplatten-CAD-Programm exportierten Gerber-Dateien einen Fehler enthielten, der unbemerkt blieb, weil es keine Möglichkeit gab, zu überprüfen, ob die Dateien Ihrer Designabsicht entsprachen. Sie können eine Menge Ärger vermeiden, wenn Sie Ihrem Fertigungsdatenpaket eine Netzlistendatei im IPC-356-Format beifügen.

Nachfolgend finden Sie einen kurzen Überblick über einige der Dinge, die schief gehen können, und wie eine Netzlistendatei dazu beiträgt, potenzielle Probleme bereits in der Vorproduktionsphase zu erkennen und nicht erst auf dem Prüfstand.

Wie die Netzliste vor der Bearbeitung verwendet wird

Die Netzlistendatei (formatiert als IPC-356) ist nichts anderes als eine ASCII-Textdatei, die Anweisungen für die PCB-CAM-Software enthält, wie z.B. Netznamen, Pins und XY-Positionen von Start- und Endpunkten für jedes Netz oder jeden Knoten. Wenn der Kunde eine IPC-356-Netzliste liefert, wird diese während des ersten Ladens der Gerber-Datei eingelesen.

Beispiel einer PCB-Netzlistendatei, wie sie in einem Standard-Texteditor angezeigt wird

Nach dem Laden und Platzieren der Gerber-Lagen in einer logischen Reihenfolge von oben nach unten verwenden wir unser CAM-Programm, um jeder Lage einen Typ zuzuweisen. Sobald die Lagen elektrisch definiert sind, generieren wir eine Referenznetzliste, die auf Gerber- und Bohrdaten basiert. Das CAM-Programm identifiziert FARBE Bereiche als Kupfer, SCHWARZE Bereiche als fehlendes Kupfer und folgt den Verbindungen zwischen den Lagen durch die durchkontaktierten Löcher.

Das CAM-Programm vergleicht dann Ihre IPC-356 Netzliste mit der von Gerber abgeleiteten Referenznetzliste. Wir melden Ihnen alle Diskrepanzen und beheben sie, bevor wir fortfahren. Wir bitten den Konstrukteur, alle bekannten Anomalien, die wir möglicherweise entdecken (wie z. B. absichtliche Kurzschlüsse), im Voraus auf seiner Zeichnung oder in einer separaten Informationsdatei anzugeben. Wenn sie nicht wie gefordert in den anderen Unterlagen angegeben werden, sind wir verpflichtet, solche Unstimmigkeiten zu stoppen und zu beseitigen, bevor wir fortfahren können.

Mögliche Ursachen für Unstimmigkeiten

Man könnte meinen, dass Gerber-Dateien unfehlbar sind, und da die Industrie RS274X und ODB++ als Standard-Importformate allgemein angenommen hat, sind sie es auch fast. Dennoch kann es zu Fehlern kommen.

Features, die während des Imports im Header der Gerber-Datei falsch beschrieben werden, verändern die Interpretation des gewünschten elektrischen Pfades durch das System, was dazu führt, dass in der von Gerber abgeleiteten Referenznetzliste falsche Netze definiert werden. Zu den beschädigten Features können Pads mit falscher Größe oder nicht ausgefüllte Polygone gehören. Gelegentlich wird z. B. ein sich selbst schneidendes Polygon falsch aufgelöst (in der Regel, weil die Auflösung der Gerber-Datei nicht fein genug ist). Dies kann dazu führen, dass die Polygonfüllung durch eine nicht vollständig geschlossene Aussparung, die vom CAM-Programm als solche interpretiert wird, ausläuft. Was eigentlich ein Freiraum sein sollte, wird dann mit Kupfer geflutet, wodurch das Loch und die umgebende Ebene kurzgeschlossen werden. Wenn Sie Ihre Gerberdateien mit der höchstmöglichen Auflösung (möglichst 2:6) exportieren oder eine Linienfüllung anstelle von Polygonen wählen, können Sie dieses Problem vermeiden, aber es wird immer noch empfohlen, eine Netzliste zu liefern.

Einstellungsfehler des Operators können ebenfalls dazu führen, dass das CAM-Programm nicht versteht, was es betrachtet. Das häufigste Problem ist ein einfacher Bedienerfehler bei der Zuweisung der Ebenentypen unmittelbar nach dem Importieren der Rohdateien. Wenn eine negative Ebene als positiv zugewiesen wird oder umgekehrt, sieht das CAM-System das Gegenteil von dem, was es eigentlich sehen sollte. Die resultierende Netzliste wird falsch sein.

Zur Erklärung: eine Lage mit positiver Polarität erscheint in CAM als Farbe = Kupfer, schwarz = kein Kupfer. Eine Lage mit negativer Polarität wird umgekehrt dargestellt, mit Farbe = kein Kupfer, schwarz = Kupfer. Bei der Ableitung der Referenznetzliste interpretiert das CAM-Programm Bereiche, in denen Kupfer vorhanden ist, als Teil der Leiterbahn auf der Platine. Wenn Kupfer und Nicht-Kupfer vertauscht sind (weil der Anwender die Lagenpolarität falsch eingestellt hat), dann erstellt das CAM-Programm eine Netzliste, die nicht die wahre Designabsicht widerspiegelt.

Es ist daher am besten, interne Lagen mit positiver Polarität zu versehen, wann immer dies möglich ist, um die Wahrscheinlichkeit eines Anwenderfehlers zu minimieren. Unabhängig davon besteht die beste Absicherung darin, zusammen mit den übrigen PCB-Gerberdateien auch eine Netzlistendatei zu liefern. Wenn der Bediener die Netzliste des Designs mit der falschen CAM-Referenznetzliste abgleicht und massive Kurzschlüsse oder mehrere offene Stellen feststellt, ist es ein Leichtes, den Lagentyp und die Polaritätszuweisungen zu überprüfen. Nach dem Ändern einiger weniger Einstellungen kann der Anwender eine neue Referenznetzliste generieren und ist wieder im Geschäft. In Ermangelung einer vom Kunden bereitgestellten Netzlistendatei, die mit der von Gerber abgeleiteten Netzliste verglichen werden kann, kann dieser Fehler unbemerkt bleiben, bis Sie einen In-Circuit-Test auf einer bestückten PCBA durchführen. Dann ist es zu spät.

Während der CAM-Bearbeitung

Die Netzliste wird während der gesamten CAM-Sitzung aktiv gehalten. Wenn die CAM-Sitzung abgeschlossen ist, wird die Netzliste erneut überprüft, um sicherzustellen, dass während der Bearbeitung keine Kurzschlüsse oder Unterbrechungen entstanden sind. Dann erstellen wir Dateien für eine der beiden Testbefestigungsmethoden.

Elektrische Testbefestigung

Eine harte Testbefestigung ist eine Platte aus Polycarbonat oder einem ähnlichen Material. Die Platte ist mit Löchern versehen, die leitende Sonden aufnehmen. Die Positionen der Sonden entsprechen den Endpunkten der zu prüfenden Schaltungen. Durchgangslöcher (Nicht-Bauteile) werden in der Regel ausgelassen, weil sie entweder in der Mitte des Netzes liegen oder weil sie von einer nicht leitenden Maske bedeckt sind und sich bei der Prüfung als falsche Öffnungen erweisen würden.

Auch andere Mittelpunkte werden in der Regel ausgelassen, weil die Prüfmaschine nur eine begrenzte Anzahl von Gitterpositionen zur Verfügung hat. Die Sicherstellung, dass jedem Endpunkt eine Sonde zugewiesen wird, hat Vorrang vor der Prüfung jedes einzelnen Knotens. Ob mit oder ohne Mittelpunkte, die Durchgangsprüfung ist immer noch zu 100 % gültig. Sie erfasst alle Kurzschlüsse oder Unterbrechungen, solange alle Endpunkte geprüft werden.

Wenn eine einzelne Platte nicht alle Netze kontaktieren kann (wie bei einer Leiterplatte mit SMT-Komponenten oben und unten), müssen zwei Platten verwendet werden. Diese Methode wird als Clamshell-Test bezeichnet. Beim Clamshell-Test werden zwei parallele Halteplatten verwendet, von denen eine nach oben und die andere nach unten zeigt. Jede Platte wird mit stationären Sonden bestückt, die mit den Endpunkten der Netze übereinstimmen. Die beiden Platten werden dann zusammengedrückt, so dass sie die Ober- und Unterseite der Leiterplatte gleichzeitig berühren, ähnlich wie eine Muschel ihre Schale schließen kann. Wenn die von den Prüfspitzen erzeugten Signale mit der Netzliste übereinstimmen, besteht die Leiterplatte den Test.

Bei der Flying-Probe-Methode gibt es keine Halterung als solche. Stattdessen wird die Leiterplatte zwischen zwei sich schnell bewegende Prüfspitzen montiert. Diese sind mit dem Controller des Testers verdrahtet, der die Netzlistendatei speichert. Eine Sonde kontaktiert das Endpunkt-Pad eines Netzes auf der oberen Lage, die andere das Endpunkt-Pad auf der unteren Lage. Wenn der Schaltkreispfad zwischen den beiden Prüfspitzen mit dem in der Netzliste definierten Pfad übereinstimmt, wird dieses Netz als gut bewertet. Die Prüfspitzen bewegen sich dann zum nächsten Satz von Endpunkten und so weiter, bis die gesamte Leiterplatte getestet wurde.

Wenn keine IPC-Netzliste geliefert wird, verwenden wir CAM-Software, um eine Referenznetzliste aus den Gerber- und Bohrdaten zu extrahieren, wie zu Beginn beschrieben. Es bleibt uns nichts anderes übrig, als davon auszugehen, dass die Gerberdateien die elektrischen Anforderungen für die Leiterplatte genau wiedergeben und dass sie für CAM-Bearbeitungsprüfungen und elektrische Testvorrichtungen verwendet werden können.

Dies ist nicht so zuverlässig wie Netzlistentests. Es ähnelt der alten, vor-CAD-Methode des „Golden Board“-Testens, bei der eine Platine auf den Tester gelegt und zyklisch getestet wurde, damit die Maschine die Schaltung „lernen“ konnte. In Ermangelung einer Netzliste wurde diese Platine zwangsläufig als korrekt angesehen, und alle nachfolgenden Platinen wurden mit ihr getestet. Der Fehler beim goldenen Test besteht darin, dass, wenn alle Platinen in der Charge, einschließlich der goldenen Platine, den gleichen Fehler eingebaut haben, alle den Durchgangstest bestehen, aber alle falsch sind.

Das gleiche Problem besteht, wenn nur eine von Gerber abgeleitete Netzliste verwendet wird. Dies ist zwar eine durchaus akzeptable Methode, solange die Gerber-Dateien keine Fehler enthalten und der CAM-Anwender die richtigen Lagentypen mit der richtigen Polarität zuweist, aber es kann trotzdem etwas schiefgehen. Eine vom Kunden bereitgestellte Netzliste, die direkt aus der CAD-Layout-Software exportiert wird, bietet eine zusätzliche Überprüfungsmöglichkeit, dass die Leiterplatte korrekt aufgebaut wurde.

Zusammenfassung

Um ein zusätzliches Maß an Sicherheit zu erhalten, dass Ihre Leiterplatte korrekt funktioniert, empfiehlt Epec, dass Sie sich immer die Zeit nehmen sollten, die Datei zu exportieren und an Ihren Hersteller zu senden, wenn Ihre PCB-Layout-Software das IPC-356-Format unterstützt.