Was sind Fiducials (dt. Passermarken)?
Die Fiducial Marks (auf deutsch Passermarken oder Registriermarken) sind optische Referenzpunkte auf einer Leiterplatte (PCB), die für maschinelle Fertigungsverfahren verwendet werden. Fiducials sind wichtig, um die vorherbestimmten Koordinaten mit der relativen Position auszurichten. Dieser Abgleich der Positionierung garantiert eine höhere Präzision und gleichbleibende Qualität bei der Bearbeitung.
Wofür werden Fiducials oder Passermarken auf der Leiterplatte (PCB) benötigt?
Als EMS-Dienstleister benötigen wir für den Pastendruck und im Bestückprozess Registriermarken für unsere automatischen Fertigungsanlagen. Die Fiducials werden verwendet, um die reale Position der PCB zu erfassen und die Abweichungen zur Schablone, bzw. zur Bestückposition zu errechnen. Dabei vermessen Pastendrucker oder Bestücksysteme bei der SMD-Bestückung die Position der Marken präzise mit einem Kamerasystem. Ein Versatz in X- und Y-Richtung und der Drehlage werden so erkannt und automatisch korrigiert. Bei Einsatz von drei Passermarken auf der Leiterplatte können zusätzliche Größen wie Verwindung, Streckung oder Stauchung der Leiterplatte berechnet werden.
Bei der zunehmenden Miniaturisierung der Bauteile werden Fiducials für eine genaue Synchronisierung der Positionen immer wichtiger. Obgleich diese später keine weitere Funktion mehr haben, so bringt das Arbeiten mit Passermarken entscheidende Vorteile. Die Qualität wird durch eine genaue Platzierung des Pastendrucks und der Bauteile positiv beeinflusst. Kosten für Nacharbeit oder fehlerhafte Lötstellen werden minimiert und das Gesamtbild der bestückten Baugruppe verbessert. Deshalb tut man gut daran, schon bei der Entwicklung und Konstruktion der PCB, den Einsatz von Passermarken zu berücksichtigen.
Form und Ausführung der Passermarke
Die Passermarke sollte für die automatische Leiterplattenbestückung einen ausreichenden Kontrast zwischen Leiterplatte und Basismaterial aufweisen und gut für das Kamerasystem erkennbar sein. Deshalb muss diese von Lötstopplack freigestellt, in Kupfer und mit der geforderten Endoberfläche ( z.B. Gold, HAL, chem. Zinn, usw.) gefertigt werden.
Die Größe der Freistellung um die Marke sollte umlaufend etwa 0.5 bis 1.0 mm betragen und frei von anderen Leiterbahnen sein. Für die Passermarke selbst hat sich eine runde Form mit einem Durchmesser von 1.0 mm bewährt. Diese Ausführung entspricht auch den Vorgaben aus dem SMEMA-Standard. Andere geometrische Formen, wie Quadrate, Dreiecke, Rechtecke, etc. sind grundsätzlich auch möglich. Eine optische Verwechslung mit anderen, gleich aussehenden Bauteilen oder Kupferstrukturen in diesem Bereich sollte jedoch vermieden werden. Die Marken sind in der CAD-Software so anzulegen, dass diese beim Datenexport der Pick&Place-Daten als Bauteil mit eigenen Koordinaten gelistet werden. In den Schablonendaten sind diese nicht zu berücksichtigen, bzw. nicht ausgespart und werden deshalb auch nicht mit Paste bedruckt.
Position und Art der PCB Fiducial Mark
Es gibt drei unterschiedliche Arten von Passermarken. Diese werden als globale, lokale und Panel Fiducial Mark bezeichnet. Die einzelnen Typen unterscheiden sich nicht durch ihre Form. Der Unterschied liegt darin, was damit synchronisiert werden soll.
Alle Arten haben eins gemeinsam. Sie sollten möglichst diagonal und im größtmöglichen Abstand zueinander auf der Leiterplatte angeordnet sein. Werden drei Marken verwendet, so sind diese in einem Dreieck zu platzieren. Bei den globalen Passermarken ist darauf zu achten, dass die Positionierung nicht zu dicht am Rand der Leiterplatte erfolgt. Damit wird sichergestellt, dass diese nicht durch Transportsysteme verdeckt werden. Gleiches gilt für die Panelmarken bei Verwendung eines Nutzens. Der Abstand zum äußeren Rand der Leiterplatte soll hier mindestens 5, besser 10 mm betragen.
Globale Passermarken
Dieser Typ der Fiducials wird für die Positionsfindung aller zu bestückenden Bauelemente auf der Einzelleiterkarte verwendet. Die globalen Fiducials sorgen für die genaue Platzierung aller Bauteile, die keine gesonderten, lokalen Marken besitzen.
Lokale Marken
Die lokalen Passermarken werden für die Positionsfindung einzelner Bauelemente (u.a. Finepitch, BGA, QFN) benutzt. Bei Finepitch- oder BGA-Bauformen wird dadurch eine wesentlich höhere Genauigkeit bei der Platzierung erreicht. Ab einem Pitch kleiner 0.7 mm und BGAs sind diese für eine qualitativ hochwertige Fertigung Pflicht.
Panel oder Nutzen Passermarken
Bei Anordnung von mehreren PCB im Nutzen werden die Nutzenmarken dazu verwendet, um die einzelnen Leiterplatten und deren globale Fiducials zu finden. Dabei ersetzen die Panel Passermarken keinesfalls die globalen Passermarken. Werden keine Nutzen-Passermarken verwendet, so können Fräß- und Ritzversätze nicht erfasst werden.
Haben Sie noch Fragen? Unser Team gibt Ihnen gerne Auskunft zu diesem Thema. Weitere Informationen zu Fiducials finden Sie auch in der IPC-7351A. In den Punkten 3.4.4 ff. wird das Thema ausführlich behandelt.
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Wo werden Fiducials benötigt?
Fiducials sind in verschiedenen Bereichen wichtig, um Objekte präzise auszurichten, zu verfolgen oder um sie zu vermessen. Beispiele sind:
Medizin: Sie dienen als Referenzpunkte, um Bildaufnahmen von Patienten über die Zeit zu vergleichen.
Industrie: Fiducials ermöglichen genaue Positionierung und Ausrichtung von Werkstücken in der Fertigung.
Robotik: Passermarken helfen Robotern, ihre Position und Orientierung zu bestimmen und Objekte zu greifen.
Augmented Reality(AR, AI): Sie dienen als Marker, um virtuelle Objekte präzise in die reale Umgebung einzublenden.
