Nutzen

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Der Begriff "Nutzen" [engl.: Panel] geht auf die (Papier-)Drucktechnik zurück. Dort beschreibt der Nutzen eine gemeinschaftliche Anordnung mehrerer Teilprodukte auf einem Druckbogen. Hmm - tatsächlich alles andere als weit entfernt, beschreibt ein Nutzen in der Leiterplattentechnik ebenfalls eine Anordnung mehrerer verschiedener oder auch gleicher Leiterplatten, umschlossen von einem Be- und Verarbeitungsrahmen. Erst ein nachfolgender, zu einem späteren Zeitpunkt stattfindender Arbeitsschritt vereinzelt die Leiterplatten. Der kleinste Fertigungsnutzen besteht aus mindestens 2 Einzelleiterplatten. Die Nutzentrennung, also das Separieren der Einzelleiterplatte, wird mit Hilfe eines Nutzentrenners durchgeführt. Die einzelnen Leiterplatten sind zum einfachen Trennen von einem kontur-offenen Fräsgraben mit schmalen Verbindungs-/Haltestegen oder durch vertikale und horizontale geradlinige Ritzgräben umgeben. Auch eine Kombination beider Varianten innerhalb eines Nutzenpanels ist möglich. Nun sollten die Basics zum Hineindenken vorhanden sein, einem tieferen Einsteigen sollte nichts mehr im Wege stehen.

Die IPC-2581 beschreibt alle notwendigen Designparameter für die Umsetzung bzw. dem Design von Leiterplatten- und Fertigungsnutzen. Gerade Firmen mit kleinen Stückzahlen (kleiner 1000 oder sogar kleiner 100) oder Hobbyisten mit Stückzahlen unter 10 bekommen oftmals gar nicht die Nutzenfertigung mit. Dies übernimmt die CAM bzw. die Arbeitsvorbereitung des Herstellers, auch wenn der Designer der Kleinserie niemals einen Nutzen erstellt hat. Für den Hersteller ist es jedoch ein Teil der Fertigungsvorbereitung eben auch Kleinserien (Kosten- und Zeit-)effektiv zu einem Produktionsnutzen zusammenzufassen. Dabei kommt es auch vor, dass Bestellungen von Einzelleiterplatten von Hobbyisten mit den Prototypbestellungen eines kleinen Ingenieurbüros zu einem Produktionsnutzen zusammengefasst werden - selbstverständlich sind dabei gleich angestrebte Anforderungen an das Endprodukt Voraussetzung für einen Nutzen dieser Art (Lagenzahl, Trägermaterial, Kupferenddicke, Farbe, Lötstopplack usw.). Die Vereinzelung der Leiterplatten und Vorbereitung zum Versand an verschiedene Kunden beendet die gemeinsame Entstehungsgeschichte.

Als wirtschaflich orientiertes Unternehmen, ist auch ein Leiterplattenhersteller bestrebt, seine Prozesse möglichst effizient zu gestalten. Es wäre unwirtschaftlich und in gewisser Weise auch fast unmöglich, als Hersteller das Basismaterial für jede denkbare Leiterplattengröße lagernd vorrätig zu haben. Die Zusammenfassung und Vervielfältigung von Leiterbildstrukturen und deren Abbildung auf lagernde Basismaterial-Standardgrößen ist also ein effizienter beziehungsweise zeit-, kosten- und ressourcenschonender Weg. Im Hinterkopf sollte man sich den Wert 460x610mm einprägen, wodurch die IPC die gebräuchlichste Fläche für einen Nutzen oder maximale Größe einer Einzelleiterplatte beschreibt (andere Größen sollte man immer vorab abklären/anfragen). Dieser Wert ist durchaus als Richtwert zu verstehen. Tatsächlich existiert aber eine Vielzahl verschiedener Größen des Basismaterials. Um nicht sein blaues Wunder zu erleben und am Ende viel Zeit und Geld verbrannt zu haben, hilft wie so oft ein klärendes Gespräch vor Arbeitsbeginn mit Hersteller und Bestücker. Was ist die maximal mögliche Leiterplattengröße für das herstellende und das bestückende Gewerk? Kleiner Tipp: Man sollte sich nach der effektiven Größe erkundigen. Oftmals müssen noch einige Millimeter oder Zentimeter für Maschinenhandling, Galvanikrahmen, Bestückungsrahmen oder einfach Werkzeugfreihaltung eingeplant werden! Die Leiterplattengröße orientiert sich folglich ebenfalls an den Bedürfnissen späterer Arbeitsgänge, beispielsweise dem Bestücken. Auch die Bestückungsautomaten unterliegen einem gewissen Effizienzanspruch. Neben der Bestückungsgeschwindigkeit oder dem Stellflächenbedarf der Automaten, zählen auch Dinge wie Zufördersysteme oder andere Handlingsysteme. Somit existieren bestimmte, leicht verwendbare Bestückungsrahmen, in welchem die Leiterplatten fixiert werden können.

Es wurde bereits schon angesprochen, dass unterschiedliche Möglichkeiten bestehen einen Nutzen aus einzelnen Leiterplatten zusammenzustellen. Im wesentlichen unterscheidet man dabei in einen Vielfachnutzen (Gleiche Leiterplatten im Nutzen) und den Multinutzen (Verschiedene Leiterplatten im Nutzen).
Als Basis bei der Nutzenbetrachtung dient die Leiterplatte. Darauf aufbauend, kann der Designer entscheiden, in welcher Art und Weise die Lieferung der Leiterplatten erfolgen soll. Dies geschieht oft als vereinzelte, separate Leiterplatte. Eine andere Möglichkeit jedoch, ermöglicht der Liefernutzen. Dieser besteht aus einer bestimmten Anzahl zusammengeführter Einzelleiterplatten mit jeweils gleichen oder aber auch verschiedenen Leiterbildstrukturen. Die Möglichkeit des Liefernutzens wird meist dazu benutzt, eine gewisse Erleichterung, Aufwands- und Kostenersparnis bei der Bestückung zu erlangen. Ebenfalls denkbar ist die Zusammenstellung mehrerer zu einem Aufbau, Gerät oder Baugruppe gehörender Leiterplatten. Diese werden zusammen bestückt und können anschließend zusammen gelagert oder nach Vereinzelung verbaut werden. Die Anzahl der später verfügbaren Einzelleiterplatten erhält man aus der Art der Angabe. Spricht man von einem 6-fach Liefernutzen, handelt es sich folglich um 6 Leiterplatten. Das merken wir uns für den nächsten Abschnitt. Da die Vereinzelung des Liefernutzens nach der Bestückung erfolgt, müssen Überlegungen zur Bauteilplatzierung schon zum Zeitpunkt der Leiterplattenerstellung in das Design mit einfließen - beispielsweise der Abstand Bauteilplatzierung zur Leiterplattenkontur. Bei der Zusammenstellung gleicher oder vor allem unterschiedlicher Leiterplatten zu einem Liefernutzen ist ebenfalls an die angedachte Löttechnik zu denken. Hier dürfen keine Abschattungseffekte durch schlecht angeordnete höhenunterschiedliche Bauteile zwischen Leiterplatte A und Leiterplatte B entstehen. Kostenintensive Nacharbeit oder Ausschuss wäre die Folge. Weiterhin muß bei gedrehten Leiterplattenanordnungen auch an die designte Lötrichtung von IC's gedacht werden. Auch hier könnte es zu unerwünschten Abschattungs- oder Lötbrückeneffekten führen. Letztenendes sollte der Designer also genau die Ersparnis einzelner Prozessschritte mit den Gesamtprozesskosten abwägen.
Ein Nachteil des Multinutzens soll nicht vorenthalten werden. Durch die Zusammenstellung mehrerer unterschiedlicher Leiterplatten, kann die Anzahl der verschiedenen zu bestückenden Bauteile pro Multinutzen schnell stark ansteigen. Dies könnte zu einem erheblichen Mehraufwand für den Bestücker führen. Hier könnte also der verfügbare Maschinenpark oder auch die größeren Rüstzeiten eine Kostensteigerung durch Mehraufwand verursachen.
Kommen wir nun zum Produktionsnutzen. Weiter oben wurde bereits die effiziente Fertigung und Ausnutzung des verfügbaren Basismaterials angesprochen. Um auch weiterhin diese ressourecenschonende Effizienz beizubehalten, werden bei Bedarf einzelne Liefernutzen zu einem Produktionsnutzen zusammengestellt. Enthält also ein Produktionsnutzen zwei der oben angeführten Liefernutzen, beinhaltet dieser dementsprechend 2 x 6 = 12 Einzelleiterplatten. Die Summe der Leiterplatten ist also das Produkt aus Produktionsnutzen und Liefernutzen.

Nun wurde viel zur Theorie des Nutzens gesagt. Doch wie sieht sowas eigentlich optisch aus, gibt es Vorgaben des Herstellers oder Bestückers an die Nutzengestaltung? Wie bereits erwähnt findet man dazu in der IPC-2581 definierte Vorgaben für die Nutzengestaltung. Ein paar Angaben sollen an dieser Stelle allerdings nicht fehlen.
Für die weitere Betrachtung ist es erst einmal egal, ob es sich um einen Produktionsnutzen oder Liefernutzen handelt.
Stellt man die einzelnen Leiterbilder zu einem Nutzen zusammen, kann man diese nicht einfach aneinander, neben- oder untereinander setzen. Die Handhabung des Gesamtzuschnittes würde dadurch erschwert oder unmöglich gemacht. Auch an eine Vereinzelung der Leiterplatten wäre kaum noch denkbar oder würde unnötig erschwert. Es werden folglich Möglichkeiten benutzt um dies für spätere Prozessschritte zu erleichtern. Die allgemeine Handhabung wird durch einen sogenannten Servicerahmen ermöglicht, auch wenn sich dadurch die effektiv nutzbare Fläche des Basismaterials vermindert.

Es stellt sich also folgendes Bild dar:

Darstellung eines Nutzens mit Servicerahmen und Nutzenstegen

In der obigen Abbildung erkennt man alle wichtigen Details eines Nutzens, welche so oder in leicht abgewandelter Form von jedem Hersteller erwartet werden.

Man erkennt die folgenden Hauptbestandteile einer Nutzenzeichnung:

• Den Servicerahmen,
• die zum Nutzen zusammengefügten Leiterplatten,
• die Passermarken des Gesamtnutzens,
• die Passermarken der einzelnen Leiterplatten
• und die Sollbruchstellen (hier: Fräslinien).

Es ist wichtig, die Anforderungen mit dem Hersteller abzustimmen. Zwar definiert die IPC relativ eindeutige Richtlinien, jeder Hersteller hat allerdings seine eigenen, eventuell leicht abweichende Vorgaben. Daher sind die hier gebotenen Angaben auch eher als richtungsweisend zu verstehen! Hat man sich also beim Hersteller der Wahl nach der maximalen Panelgröße erkundigt und auch eine sinnvolle Liefernutzengröße mit seinem Bestücker ausgemacht, kann man sich Gedanken über die angedachte Zusammenstellung des Nutzens machen.

• Aus wievielen Leiterplatten soll der Liefernutzen bestehen?
• Aus wievielen Liefernutzen soll der Produktionsnutzen bestehen? (eventuell dem Hersteller überlassen oder mit diesem absprechen!)
• Wie sieht der Servicerahmen aus? Wo müssen Fangbohrungen, oder Fiducials gesetzt werden? Soll der Servicerahmen sogenannte TestCoupon's enthalten?
• Auf welche Art und Weise soll später die Nutzentrennung erfolgen? Fräsen, Ritzen oder eine Kombination dieser beiden?
• Welche Designvorgaben (Spacing zwischen den Leiterplatten des Nutzens) macht der Hersteller?

Vielfachnutzen	spacing Leiterbahn/Cu zur Kontur	Abstand zwischen Leiterplatten	geforderte Kontur-Strichstärke	Empfohlener Servicerahmen
Ritzen	500µm	0.00mm	0.01mm (1mil)	5-10mm
Fräsen	200µm	2.4mm	-	5-10mm

Multinutzen	spacing Leiterbahn/Cu zur Kontur	Abstand zwischen Leiterplatten	geforderte Kontur-Strichstärke	Empfohlener Servicerahmen
Ritzen	500µm	0.00mm	0.01mm (1mil)	5-10mm
Fräsen	200µm	10mm	-	5-10mm

Nutzen nach IPC	spacing Leiterbahn/Cu zur Kontur	Abstand zwischen Leiterplatten	geforderte Kontur-Strichstärke	Empfohlener Servicerahmen
Ritzen	1.0mm	0.00mm	0.01mm (1mil)	20mm
Fräsen	200µm	10mm	-	20mm

Die Tabelle ist nahezu selbsterklärend. Die oberen beiden Tabellenteile sind relativ praktische Werte zur Erstellung eines Nutzens. Die generelle Aufteilung erfolgt dabei in einen Vielfachnutzen und einen Multinutzen. Die nächste Entscheidungsmöglichkeit ist die gewünschte spätere Vereinzelung der Leiterplatten durch Ritzen oder Fräsen. Nun kann man die entsprechenden Guidelines dafür ablsesen.
Der dritte untere Teil der Tabelle bezieht sich auf die durch die IPC erdachten Werte, welche als Normal gelten können.

Bisher haben wir die Nutzengestaltung rein nach den zusammengestellten Leiterplatten in Vielfach- oder Multinutzen unterschieden. Eine weitere Art der Unterscheidung findet man in dem späteren Nutzentrennverfahren.
Ansatzweise wurde weiter oben bereits erwähnt das man die einzelnen Leiterplatten eines Nutzens durch Ritzen oder Fräsen vereinzeln kann und dafür entsprechende Angaben in der Nutzenzeichnung hinterlegen muß. Während geritzte Nutzen den Vorteil bieten, dass der Gesamtnutzen noch eine gewisse Steifigkeit behält, handelt es sich bei Fräsnutzen bereits um freigestellte Bereiche der einzelnen Leiterplatten. Damit die Leiterplatte nun nicht bereits vor der Bestückung aus dem Servicerahmen fällt, muss diese bis zur Vereinzelung im Rahmen gehalten werden. Dies geschieht über sogenannte Haltestege, welche einfach kleine Bereiche innerhalb des Fräsganges sind, die die Verbindung zwischen Leiterplatte und Servicerahmen bis zur Vereinzelung halten. Üblicherweise werden kleine Bohrungen in diese Haltestege eingearbeitet, um die spätere Vereinzelung zu erleichtern und mechanischen Stress zu verringern.

Das Ritzen von Leiterplatten bzw. des gesamten Nutzens, ist ein arbeitsvorbereitender mechanischer Prozess, welcher zum späteren Vereinzeln des Liefernutzens zweckdienlich ist.
Es handelt sich hierbei um eine relativ einfache aber effektive Möglichkeit, des Einfügens einer Sollbruchstelle (auch wenn das Wort Bruchstelle zu falscher Handhabung führen kann), um so Leiterplatten voneinander zu trennen. Zumeist wird es dort verwendet, wo einigermaßen lange aber vor allem geradlinige Trennstege benötigt werden. Der Vorgang des Ritzens selbst, wird meistens mit Hilfe einer rotierenden Scheibe durchgeführt. Diese Scheibe hat einen v-förmigen Querschnitt, welcher den Ritzgraben erzeugt. Allerdings stellt der Querschnitt kein ideales "V" dar. Der Ritzgraben wird gleichzeitig von oben und unten in die Leiterplatte eingeprägt bzw. gefräst. Der Vorgang des Ritzens ist nur bei einer Leiterplattendicke ab 0,8 mm möglich.

Querschnittsansicht eines Ritzgrabens einer realen Leiterplatte

Die reale V-Spitze wird durch einen Radius bestimmter Größe ausgebildet. Bei der Verwendung von FR4 als Basismaterial, sollte es kaum Probleme geben. Etwaig einzuarbeitende Nutzenstege können auf ein Minimum reduziert werden oder ganz entfallen.

Draufsicht eines Ritzgrabens mit angrenzender Fräsung einer realen Leiterplatte

Möglich ist dies durch die gewebte Struktur des Basismaterials und damit einhergehender Steifigkeit. Andere Basismaterialien sind also folglich nur bedingt oder gar nicht geeignet. Man ist leicht dazu verleitet das Vereinzeln der Platinen durch einfaches Abkanten vorzunehmen. Setzt man auf Qualität, sollte man sich allerdings nicht dazu Hinreissen lassen oder auf falsche Handhabung und überliefertes Fehlverhalten von ansonsten lieben Kollegen setzen. Daher der Hinweis: Zum Trennen ist ein spezielles Trennwerkzeug notwendig! Der folgende Link ermöglicht das Lesen eines Kapitels aus dem eigenem Unterkapitel "Fehlerbilder", welcher eine kurze bebilderte Problembeschreibung dargestellt.

Zur Seite der Fehlerbilder wechseln und den folgenden Absatz dort lesen

Bestehen erhöhte Anforderungen an die Schnittkante der Leiterplatte (z.B. Masshaltigkeit, Rauigkeit, Ausfasern) oder besteht die Leiterplatte aus unregelmäßigen Konturen, muss diese gefräst werden. Damit die Leiterplatte bis zur Vereinzelung im Nutzen bzw. Servicerahmen gehalten wird, müssen im Fräsweg bestimmte Frässtege verbleiben. Diese sind zumeist speziell ausgeformt. Je nach Vereinzelungstechnologie, wird die Leiterplatte später aus dem Rahmen ausgebrochen oder mittels eines weiteren Fräsganges ausgefräst. Während der Nutzengestaltung ist dies bereits zu berücksichtigen. Steganzahl, Position, Stegbreite und Steggestaltung sind hierbei wichtige Eigenschaften. Man halte sich vor Augen, dass zwar die Leiterplatte bei der Vereinzelung leicht aus ihrem Verbund gelöst werden kann, jedoch eine gewisse mechanische Stabilität während aller Bearbeitungsprozesse garantiert werden muß. Bauteile, Lötstellen, Via's und weitere Teile der bestückten Leiterplatte dürfen nicht unter der Vereinzelung in Mitleidenschaft gezogen werden. Um den Vorgang der Vereinzelung zu unterstützen, können in die kleinen verbliebenen Stege zusätzliche Bohrungen (Perforationsbohrung) eingebracht werden. Die Art und Weise ist relativ offen gestaltbar - natürlich exisitiert jedoch auch eine IPC-Richtlinie zur Gestaltung von Fräsungen und Frässtegen inklusive deren Perforationsbohrungen. Das wichtigste jedoch ist die Sicherstellung, dass keinerlei mechanischer Stress auf die Leiterplatte rückwirken kann. Wie beim Ritznutzen weiter oben auch, sollte man sich immer an die Vorgaben des Herstellers halten. Ein paar Klicks oder auch ein Telefonat sorgt hier schnell für Aufklärung.

Darstellung und Auslegungshinweise sogenannter Frässtege eines Nutzens mit Servicerahmen und Nutzenstegen

Bisher wurden die Vorteile der ein oder anderen Art beschrieben, die Vereinzelung der Nutzen im Nachhinein zu erleichtern. Egal ob Fräsnutzen oder Ritznutzen, jede dieser Möglichkeit hat besondere Vor- und Nachteile bzw. zu beachtende Umstände. Es ist jedoch auch möglich beide Arten miteinander zu kombinieren, wie wir der folgenden Abbildung entnehmen können.

Draufsicht eines Ritzgrabens mit angrenzender Fräsung einer realen Leiterplatte

Doch warum macht man das auf diese Art und Weise. Eine Antwort darauf kann der Abbildung leider nicht in kompletter Gänze entnommen werden.

Überlegen wir uns doch einfach einmal selbst die möglichen Szenarien:

• Eventuell verlangten ganz banal nachfolgende Prozessschritte dies,
• in der Nähe der Fräskante befanden sich vielleicht stressempfindliche Bauteile (mechanischer Stress) und machten so eine spätere Trennung durch Ritzen riskant,
• war es vielleicht eine Kostenfrage des Herstellers, welcher sich die Schneidkraft seiner Fräser bei einer möglichen hohen Stückzahl der Liefernutzen erhalten wollte und nur die notwendige Kontur fräste und geradlinige Konturabschnitte ritzte,
• war die Kontur der Leiterplatte eventuell nicht rechtwinklig und besaß stattdessen abgerundete Ecken oder nicht geradlinig geformte Einschnürungen oder ähnliches - dies könnte auf die Notwendigkeit von Fräslinien hindeuten,
• mußte eine gewisse mechanische Stabilität der Leiterplatte im Produktionsnutzen gewart werden
• ...

Man erkennt schnell, dass es viele Gründe für die eine oder andere Form der Nutzengestaltung gibt. Im Umkehrschluss bedeutet es aber gleichzeitig, dass man sich ausreichend Gedanken machen muß, um einen fehlerminimierten Prozess sicherstellen zu können.

Bemerkung:
Bereits erwähnt wurde die Tatsache, dass der kleinst mögliche Nutzen auch aus nur einer Leiterplatte bestehen kann. Vielleicht denkt der ein oder andere jetzt, dass dies eine überflüssige Arbeit ist, müssen doch zusätzliche Nutzendarstellungen-/zeichnungen erzeugt werden und Absprachen mit Herstellern getroffen werden. Ein einfaches Beispiel ist allerdings die Überführung einer kreisrunden oder polygonal-geformten Leiterplatte, in eine einfache rechteckige Form des Nutzenrahmens. Somit kann mit diesem 1-fach Nutzen viel einfacher verfahren werden. Auch wenn die Leiterplatte rund ist, kann die überführte rechteckige Form des Nutzenrahmens nun viel einfacher vom Leiterplattenhersteller und Bestückungsmaschinen ver- und bearbeitet werden.