PCB-Produktion in kleinen Stückzahlen: 7 Tipps für ein besseres PCB-Design

Haben Sie ein innovatives Design, das Sie in kleinen Stückzahlen produzieren möchten? Bevor Sie mit der Leiterplattenproduktion beginnen, sollten Sie alle Möglichkeiten in Betracht ziehen, von der Selbstmontage bis hin zum Fünf-Sterne-Service. Werfen wir einen Blick auf die Möglichkeiten und sieben Tipps für ein besseres PCB-Design.

Sie haben also eine elektronische Leiterplatte entworfen und getestet und möchten sie nun in (kleinen) Stückzahlen produzieren. Wenn Sie jedoch nicht über die finanziellen Mittel verfügen, um einfach 10.000 vormontierte Leiterplatten zu bestellen und sie irgendwo zu lagern, von wo aus Sie sie in Ruhe verkaufen können, welche Möglichkeiten haben Sie dann?

Die erste Möglichkeit, die einem in den Sinn kommt, ist, die Platinen selbst zusammenzubauen. Das ist gut möglich, wenn die Stückzahl ist und die Platine nicht zu viele Bauteile hat (Bild 1). Das mag einfach klingen, aber es gibt ein paar Dinge zu bedenken, bevor Sie beginnen.

Beginnen Sie mit der Auswahl eines Unternehmens, das Platinen herstellt. Dies kann ein Pooling-Dienst sein (siehe Kasten Pooling), wenn Sie nur einige wenige Platinen benötigen. Wenn Sie jedoch (mehrere) hundert Platinen benötigen, ist es von Vorteil, die Angebote verschiedener Hersteller zu vergleichen, die keine Pooling-Dienste sind.

Platinen werden in einem sogenannten Produktionsnutzen hergestellt. Ein und derselbe Nutzen kann Leiterplatten verschiedener Kunden mit denselben Spezifikationen herstellen. Diese Sammlung zusammengehöriger Aufträge wird als Pooling bezeichnet. Pooling fördert die Flexibilität und senkt die Herstellungskosten.

Beschaffen der Komponenten

Wenn Sie den Entwurfsprozess für die Platine in der richtigen Reihenfolge durchgeführt haben, verfügen Sie bereits über eine Bauteil- oder Materialliste (Bill of Materials, BoM), die für jede Zeile eine vollständige Herstellerreferenz und die Adresse eines Unternehmens enthält, bei dem Sie das Teil kaufen können. Ideal wäre es, die gesamte Stückliste bei einem einzigen Unternehmen einzukaufen, aber das ist in den meisten Fällen nicht möglich. Es werden verschiedene Lieferanten benötigt, um alle Bauteile zu beschaffen, und jeder Lieferant berechnet Versand- und Verpackungskosten. Durch geschicktes Einkaufen können Sie also Geld sparen. Gleichzeitig kostet es Sie aber auch Zeit, so dass es wichtig ist, diese beiden Aspekte gegeneinander abzuwägen.

Zusammenbau der Platine

Wenn Sie die Leiterplatten und die Bauteile haben, ist es an der Zeit, die Platinen zu bestücken. Haben Sie die dafür erforderlichen Werkzeuge? Ein kleiner Lötkolben (Bild 2) mag für den Zusammenbau eines Prototyps ausreichen, aber ist er auch dafür geeignet, zwanzig, fünfzig oder hundert Platinen komfortabel zu bestücken? Und die Bauteile – verwenden sie Durchsteckmontage, Oberflächenmontage, oder eine Mischung? Normalerweise sollte man es vermeiden, verschiedene Technologien zu mischen, da dies die Leiterplattenbestückung erschwert. Reine Oberflächenmontage ist gut, weil die Platine im Ofen gelötet werden kann. Die Platzierung solcher Bauteile auf der Leiterplatte ist jedoch eine heikle Aufgabe. Und da dafür Lötpaste benötigt wird – haben Sie eine Schablone bestellt, um sie richtig aufzutragen? Wie wollen Sie die Schablone auf Dutzenden von Platinen exakt ausrichten? Dies wird einfacher sein, wenn die Leiterplatten in einem Nutzen angeordnet sind.
 

Prüfen

Nach der Bestückung der Platinen müssen diese getestet werden. Dazu benötigen Sie eine geeignete Ausrüstung. Es kann sinnvoll sein, einen Prüfstand oder ein Programmiergerät zu bauen – oder sogar beides.

Verkaufen und Versenden

Wenn Sie schon einmal etwas auf einer Website wie eBay verkauft haben, wissen Sie, dass der Verkauf von Produkten komplizierter ist, als nur einen Käufer für das Produkt zu finden. Zum Verkaufen gehören auch die Rechnungsstellung, das Einpacken und Verpacken sowie der Versand, und all diese Dinge kosten Zeit und Geld.

Was sind die Optionen?

Die oben genannten Probleme müssen für jede Produktionsmethode, die Sie wählen, gelöst werden – von der Einzel- bis zur Massenproduktion. Und da die Herstellung von Platinen ein komplexer Prozess ist, gibt es viele Unternehmen, die Dienstleistungen anbieten, um Ihnen die Arbeit zu erleichtern. Natürlich hat alles seinen Preis, so dass es an Ihnen liegt, den richtigen Kompromiss zwischen Kosten, Zeit und Ihrem eigenen Seelenfrieden zu finden.

PCBA-Pooling

Einige Leiterplattenhersteller bieten einen Bestückungsservice an. Dabei handelt es sich um so genannte PCBA-Häuser, wobei das „A“ für „Assembly“, also Montage, steht. Anstatt eine nackte Leiterplatte anzufordern, können Sie also eine komplett bestückte Leiterplatte bestellen. Das klingt praktisch, oder? Das ist es auch, aber es hat nicht nur seinen Preis, sondern macht auch die Beschaffung von Bauteilen etwas komplizierter. Sie haben Ihre BoM, und das PCBA-Haus hat sein Inventar, und beides werden nicht in jeder Zeile übereinstimmen, und vielleicht nicht einmal in einer einzigen Zeile. Daher müssen Sie jedes Teil auf Ihrer Stückliste sorgfältig mit den Teilen abgleichen, die das Montageunternehmen vorschlägt. Dies ist eine zeitraubende Aufgabe. Und natürlich ist nicht jedes Teil auf Lager oder überhaupt verfügbar, was Kosten und Verzögerungen mit sich bringt. Um diesen Schritt zu erleichtern, können Sie Ihr Design schon im Vorfeld an den Bauteilbestand des Bestückungsdienstes anpassen.
 

Die meisten PCB-Pooling-Dienste bieten neben der Beschaffung von Bauteilen auch Bestückungsdienstleistungen an (Bild 3), was sehr hilfreich sein kann, um die hektische Aufgabe des Auffindens, Einsetzens und anschließenden Lötens der Bauteile zu erleichtern. Das Löten einiger weniger Leiterplatten kann Spaß machen, aber bei einer größeren Menge wird es schnell mühsam und langweilig.

Die Bestellung einer Baugruppe ähnelt der Bestellung einer nackten Platine, aber der Hersteller verlangt einige zusätzliche Angaben, zum Beispiel die Anzahl der einzelnen Bauteile, die Anzahl der Teile für Durchsteck- und für Oberflächenmontage und so weiter (Bild 4). Die bewährte Methode ist, diese Informationen in die Baubeschreibung aufzunehmen und die Arten von Bauteilen neben ihrem Namen zu nennen. Dies vermeidet Fehler des Herstellers und spart Zeit bei der Auftragsabwicklung.
 

Der Hersteller wird Ihnen einen Kostenvoranschlag für den Montageservice machen, nachdem Sie Informationen über die Arten und Mengen der Bauteile et cetera angegeben haben. Dieser Kostenvoranschlag enthält nicht die Kosten für die Bauteile. Nachdem Sie Ihre Bestellung aufgegeben haben, wird sich das Support-Team des Herstellers mit Ihnen in Verbindung setzen und Sie darüber informieren, ob die Bauteile und ihre Referenzen in der BoM mit Ihrer Leiterplatte übereinstimmen. Sie erhalten dann einen Kostenvoranschlag für die Bauteile.

Um bei den Bauteilen Geld zu sparen, müssen Sie den Preis der Bauteile sorgfältig prüfen und ihn mit anderen Quellen wie Mouser, DigiKey und AliBaba vergleichen (Bild 5). Wenn die Bauteile zu einem fairen Preis erhältlich sind und der Hersteller die richtigen Bauteile anbietet, ist es sinnvoll, mit diesen Quellen zu arbeiten. In der Regel sind einige Bauteile nicht verfügbar, und einige liegen preislich über den normalen Kosten. In diesem Fall ist es besser, die Bauteile von Resellern auf AliBaba zu beziehen, da sie diese normalerweise zu einem viel niedrigeren Preis anbieten als PCB-Pooling-Dienste (und der Preis kann oft durch Verhandlungen mit dem Reseller weiter gesenkt werden). Am besten nehmen Sie Gespräche mit drei oder mehr Händlern auf, bevor Sie sich für den verifizierten Händler mit dem besten Angebot entscheiden.
 

Nachdem Sie sich mit einem der Wiederverkäufer geeinigt haben, müssen die Bauteile an den PCB-Pooling-Dienst geschickt werden. Vergewissern Sie sich daher, dass die Adresse des Leiterplattenherstellers ordnungsgemäß auf das Paket gedruckt ist. Bitten Sie den Reseller, ein Bild des Pakets mit der Adresse und der Sendungsverfolgungsnummer zu übermitteln. So wird sichergestellt, dass alles in Ordnung ist und die Sendung verfolgt werden kann. Es ist auch sinnvoll, die Sendungsverfolgungsnummer und das Bild des Pakets an das Support-Team des Pooling-Dienstes weiterzugeben. So lassen sich Verzögerungen bei der Auftragsabwicklung vermeiden. Ein reibungsloser Montageprozess wird durch eine effektive Kommunikation sowohl mit dem Hersteller als auch mit dem Wiederverkäufer der Komponenten gewährleistet.

Fünf-Sterne-Dienste

Auf der anderen Seite gibt es Unternehmen, die Ihre BoM übernehmen und alle Teile für Sie einkaufen. Da diese Unternehmen viele Kunden haben, können sie in größeren Mengen einkaufen als Sie, was den Preis Ihrer BoM senkt. Diese Unternehmen können auch die Platinen für Sie bestellen, wodurch Sie eine weitere Aufgabe auf Ihrer Liste abhaken können. Die Unternehmen können die Leiterplatten auch für Sie bestücken und sie für Sie programmieren und testen. Einige bieten sogar die Lagerung und den Versand der Platinen für Sie an. Aber wie üblich haben diese Dienste ihren Preis. Auch wenn es sehr praktisch ist, gibt es einen Haken: Viele dieser Unternehmen nehmen nur Bestellungen ab etwa einhundert oder mehr Boards an, was für Ihr individuelles Vorhaben vielleicht zu viel ist. Außerdem kann es sein, dass sie nur professionelle Kunden annehmen. Das bedeutet, dass Sie zunächst ein Unternehmen gründen müssen.

DIY-Bestückung?

Die Leiterplatten selbst zu bestücken, kann die günstigste Lösung sein, wenn Sie die Stunden, die Sie dafür aufwenden müssen, nicht mitrechnen. Vor allem für SMD-Platinen gibt es inzwischen alle möglichen kostengünstigen Bestückungsgeräte, von kleinen Bestückungsautomaten über Lotpastendrucker bis hin zu Reflow-Öfen und Heizplatten. Für ein paar tausend Euro sind Sie direkt startklar. Aber lohnt sich eine solche Investition, wenn Sie nur hundert Platinen zu bestücken haben? Oder rechnen Sie mit Folgeaufträgen? Wenn nicht, ist ein Lötkolben die beste Lösung. Wenn ja, sollten Sie zumindest noch eine Lötrauchabsaugung kaufen.
 

Eine der Optionen für die Einrichtung Ihrer SMD-Bestückung ist LumenPnP von Opulo (Bild 6). Dabei handelt es sich um eine quelloffene Pick-and-Place-Maschine, die einfach einzurichten und kostengünstig ist und vor allem nicht zu viel Platz in Ihrem Arbeitsbereich benötigt. Das macht das Gerät zu einer guten Wahl auch für Maker und Hobbyisten. Andere Open-Source-Optionen sind OpenPnP und SimplePnP.
 

Die Beschaffung und Verwendung dieser PnP-Lösungen ist nicht das Ende der Geschichte, sondern eröffnet ein ganz neues Kapitel. Sie benötigen eine komplette Einrichtung und einen Prozessablauf, einschließlich der Handhabung von Schablonen für Lötpaste (Bild 7), eine Leiterplattenvorheizung (Bild 8), einen Reflow-Ofen (Bild 9) und eine Vorrichtung zum Testen der Baugruppe. Das hört sich nett an, aber bitte beachten Sie, dass diese Werkzeuge für Ihre Leiterplatte eingerichtet und konfiguriert werden müssen. Sie müssen Testläufe durchführen, um sicherzustellen, dass die Konfiguration und die Einstellungen korrekt von Ihrem Leiterplattenentwurf übernommen werden. Fügen Sie dann die Bauteile in die Zuführungen ein und überwachen Sie den Prozess, um zu prüfen, ob die PnP-Maschine ordnungsgemäß läuft, ausreichend Bauteile hat und die Bauteile an den richtigen Stellen einsetzt. Dies kann den Arbeitsaufwand im Vergleich zum manuellen Löten verringern, aber es kann auch mühsam sein, weil es eine ständige Überwachung erfordert, wenn Sie nicht nach einer Kaffeepause enttäuscht werden wollen. Alles in allem ist das eine nette Einrichtung, aber wenn Sie diesen Weg nicht einschlagen wollen, haben Sie immer die Möglichkeit, PCBA-Dienstleistungen in Anspruch zu nehmen.

Unabhängig davon, für welche Option Sie sich entscheiden, der Anblick einer vollständig bestückten Leiterplatte (Bild 10) ist immer befriedigend!

Tipps für ein besseres PCB-Design

Wenn Sie kosteneffiziente Platinendesigns anstreben, kann die Beachtung bestimmter technischer Details und Industriestandards Ihr Vorgehen erheblich verbessern. Hier sind einige wertvolle Tipps und Tricks, die Sie beachten sollten:

1. Leiterbahnbreite und -abstand: Befolgen Sie die IPC-2221-Norm für Richtlinien zur Leiterbahnbreite und zur gewünschten Strombelastbarkeit. Halten Sie zwischen Leiterbahnen, Pads oder Komponenten einen Mindestabstand von 0,2 mm für Niederspannungsdesigns (<50 V) in einer Standardumgebung ein. 
2. Fertigungstoleranzen: Halten Sie bei Ihrem Entwurf die vom Hersteller angegebenen Fertigungstoleranzen ein. Abmessungen, Abstände und Lochgrößen für Bauteile und Durchkontaktierungen müssen innerhalb der zulässigen Grenzen liegen, damit Probleme bei der Herstellung vermieden werden können. 
3. Impedanzkontrolle: Für Hochfrequenzdesigns oder Anwendungen, die eine kontrollierte Impedanz erfordern, berechnen Sie die Leiterbahnbreite und den Abstand auf der Grundlage der gewünschten charakteristischen Impedanz, der Dielektrizitätskonstante des Substrats und der Dicke der Kupferbeschichtung. Verwenden Sie Online-Rechner oder spezielle Software-Tools, um genaue Leiterbahnabmessungen zu bestimmen.
4. Ausrichtung von Lötmaske und Siebdruck: Achten Sie auf die korrekte Ausrichtung der Lötstoppmaske und der Siebdruckschichten. Ihr Entwurf muss die vom Hersteller vorgeschriebene Ausrichtungstoleranz berücksichtigen, damit das optische Erscheinungsbild eingehalten werden und die Herstellung problemlos erfolgen kann. 
5. Nutzen: Optimieren Sie die Produktion von Kleinserien, indem Sie mehrere Platinen auf einem einzigen Nutzen unterbringen. Befolgen Sie auch hier die Herstellerrichtlinien, um eine effiziente Fertigung und Kostenreduktion zu gewährleisten. 
6. Bauteil-Footprints: Verwenden Sie standardisierte Bauteilprofile, um Kompatibilität zu gewährleisten und die Herstellungskosten zu senken. Die Profile müssen mit den spezifischen Komponenten übereinstimmen, die Sie verwenden wollen. Konsultieren Sie die Industriestandard-Bibliotheken und/oder die Empfehlungen der Bauteilehersteller, um eine angemessene Genauigkeit zu erzielen. 
7. Testbarkeit: Entwerfen Sie die PCB mit Blick auf die Testbarkeit, um die Kosten für Tests und Fehlersuche zu reduzieren. Nehmen Sie Testpunkte, Anschlussmöglichkeiten für Tastköpfe und integrierte Selbsttestfunktionen (Built-In Self-Test, BIST) auf, wo dies möglich ist. Dies ermöglicht ein effizientes Testen während der Fertigung und minimiert den Bedarf an kostspieliger Nacharbeit oder Fehlersuche. 

Vergleich der verschiedenen PCB-Dienste

• Beta Layout: Zeichnet sich durch sein umfassendes PCB-Serviceportfolio aus. Das Unternehmen bietet Optionen für die Leiterplattenfertigung, die Montage und sogar den 3D-Druck. Beta Layout bietet eine schnelle und zuverlässige Produktion mit einer großen Auswahl an Materialien und Finishes. Die benutzerfreundliche Website bietet einen Online-Viewer für Gerber-Dateien an, mit dem sich Entwürfe leicht überprüfen und verifizieren lassen. Darüber hinaus bietet Beta Layout ein Tool für den Design Rule Check (DRC) zur Unterstützung der Designvalidierung.
• Eurocircuits: Bekannt für seine hochwertigen PCB-Herstellungs- und Bestückungsdienste. Das Unternehmen bietet eine breite Palette von Optionen, einschließlich Prototypen und Produktionsläufe. Eurocircuits bietet außerdem eine benutzerfreundliche Online-Plattform mit sofortiger Preisgestaltung und kurzer Durchlaufzeit. Der starke Fokus auf den Kundensupport und die umfangreichen Design-Regelprüfungen gewährleisten optimale Ergebnisse. Eurocircuits bietet auch ein Visualisierungstool an, mit dem die Benutzer ihr Platinendesign vor der Fertigung überprüfen können.
• JLCPCB: Bekannt für seine wettbewerbsfähigen Preise und hochwertige Fertigung. Das Unternehmen bietet eine breite Palette von Optionen, darunter schnell umsetzbare Prototypen und größere Produktionsläufe. JLCPCB besitzt eine einfach zu bedienende Online-Bestellplattform und unterstützt mehrere Dateiformate. Die umfangreichen Qualitätskontrollverfahren wie die automatische optische Inspektion (AOI) gewährleisten eine zuverlässige Fertigung.
• OSH Park: Ein gemeinschaftsorientierter Leiterplattenservice, der für seine unverwechselbar lilafarbenen Leiterplatten bekannt ist. Das Unternehmen ist auf die Herstellung von Prototyp-Leiterplatten spezialisiert und bietet qualitativ hochwertige Ergebnisse mit viel Liebe zum Detail. OSH Park verfügt über eine benutzerfreundliche Website, auf der Benutzer ihre Entwürfe hochladen und eine visuelle Darstellung der gefertigten Leiterplatte ansehen können. Das Unternehmen legt großen Wert auf Transparenz und bietet gemeinsame Projekte für das Feedback der Community an.
• PCBWay: Wegen seiner erschwingliche Preise und schnellen Turnaround-Zeiten ein beliebtes Unternehmen für die Herstellung von Platinen in kleinen Stückzahlen. Das Unternehmen bietet einen optimierten Online-Bestellprozess mit Preisberechnung in Echtzeit und sofortigem Kostenvoranschlag. PCBWay unterstützt eine Vielzahl von PCB-Optionen, darunter flexible und starr-flexible Leiterplatten. Die Website bietet auch einen Online-Viewer für Gerber-Dateien und eine Funktion zur Überprüfung von Designregeln, um die Genauigkeit des Designs zu gewährleisten.

PCB-Produktion: Zusammenfassung und Empfehlungen

Die Wahl des richtigen Pooling-Dienstes hängt von den spezifischen Projektanforderungen, dem Budget und den gewünschten Funktionen ab. Der Vergleich zwischen den oben genannten Pooling-Diensten zeigt, dass PCBWay bei einer Bestellung von zehn oder weniger Leiterplatten am günstigsten ist, aber darüber hinaus kostet jeder andere Dienst fast das Gleiche. JLCPCB liegt preislich an zweiter Stelle, wobei die andren Dienste in der Regel auch recht günstige Preise bieten. Berücksichtigen Sie Faktoren wie Preisgestaltung, Fertigungsmöglichkeiten, Turnaround-Zeit, Qualitätskontrollmaßnahmen und Kundenbetreuung. Es ist auch von Vorteil, Feedback und Bewertungen der Nutzer für jeden Dienst zu beachten.

Dieser Artikel (230477) erscheint in Elektor November/Dezember 2023. Haben Sie Fragen zu diesem Artikel oder zur Leiterplattenproduktion? Kontaktieren Sie noch heute die Elektor-Redaktion.