Fiducials / Passermarken

In der modernen Elektronikfertigung entscheiden Millimeter – oder vielmehr Hundertstelmillimeter – über die Qualität eines Produkts. Damit Bestückautomaten winzige SMD-Bauteile exakt auf die vorgesehenen Lötpads setzen können, benötigen sie verlässliche Referenzpunkte auf der Leiterplatte.

Diese Referenzpunkte werden als Fiducials oder Passermarken bezeichnet. Für Einkäufer und Projektmanager, die EMS-Leistungen beauftragen, ist das Verständnis dieser unscheinbaren Markierungen wichtig: Fehlen sie oder sind sie nicht normgerecht ausgeführt, kann dies zu Fertigungsstopps, Ausschuss und Mehrkosten führen.

Definition

Fiducials (lat. fiducia = Vertrauen) sind kreisförmige Kupfermarkierungen auf der Leiterplatte, die dem optischen Erkennungssystem des Bestückautomaten als absolute Koordinatenbezugspunkte dienen. Sie sind kein elektrisch aktives Bauteil, sondern reine Navigationshilfen für die Fertigungsmaschinen.

Man unterscheidet globale Fiducials (meist 3 Stück pro Panel für die gesamte Platine), lokale Fiducials (für bestimmte Bauteilgruppen oder Fine-Pitch-ICs) sowie Panel-Fiducials (für den gesamten Nutzen). Typische Abmessungen liegen bei 1–3 mm Durchmesser mit definierter kupferfreier Umgebung (Keepout-Zone).

Die Kamera des Bestückautomaten erfasst die Fiducials, berechnet daraus Lage, Rotation und eventuelle Verzerrung der Platine und korrigiert die Bestückkoordinaten in Echtzeit.

Grundlagen

Jede Leiterplatte weist fertigungsbedingte Toleranzen auf – minimale Versätze, Schrumpfungen oder Verdrehungen. Ohne Referenzpunkte würde der Automat an einer festen, vorprogrammierten Position bestücken und dabei systematische Fehler erzeugen.

Fiducials lösen dieses Problem durch eine automatische Kalibrierung für jede einzelne Platine. Das Gerät liest die tatsächliche Position der Passermarken aus und passt sein internes Koordinatensystem entsprechend an. Dieser Vorgang dauert nur Bruchteile einer Sekunde.

Die Norm IPC-7351 sowie die Vorgaben der Maschinenhersteller (z. B. ASMPT, Fuji, Panasonic) definieren Mindestanforderungen an Größe, Form, Oberflächenbeschaffenheit und Freifläche der Fiducials.

Technischer Ablauf

• Platine wird in den Bestückautomaten eingeführt und durch Transportschienen positioniert.
• Die Kamera des Automaten fährt die programmierten Positionen der Fiducials an.
• Bildverarbeitung erkennt den Mittelpunkt jeder Passermarke mit Sub-Pixel-Genauigkeit.
• Aus den gemessenen Positionen berechnet die Steuerung Versatz, Rotation und Skalierung.
• Alle Bestückkoordinaten werden in Echtzeit korrigiert und die Bauelemente präzise platziert.
• Bei lokalen Fiducials wiederholt sich der Prozess für kritische Bauteilbereiche (z. B. BGA, Fine-Pitch-QFP).

Anwendungsbereiche

• SMD-Bestückung: Standardanwendung für alle Leiterplatten mit automatischer Bestückung.
• Lotpastendruck: Schablonendrucker nutzen Fiducials zur genauen Schablonenausrichtung.
• Optische Inspektion (AOI): AOI-Systeme verwenden Passermarken als Referenz für die Fehlerlagebeschreibung.
• Röntgeninspektion: X-Ray-Systeme orientieren sich an Fiducials zur Lokalisierung von BGA-Lötstellen.
• Mehrlagige Leiterplatten (MLB): Innenlagen-Fiducials sichern die Lagenausrichtung beim Verpressen.

Vorteile

• Höchste Bestückgenauigkeit, auch bei Fine-Pitch-Bauteilen mit < 0,5 mm Rastermaß.
• Automatische Kompensation von Platinentoleranzen ohne manuelle Eingriffe.
• Reduzierung von Bestückfehlern und daraus resultierendem Ausschuss.
• Kurze Rüstzeiten, da keine mechanische Justage der Platine erforderlich ist.
• Reproduzierbare Qualität über große Stückzahlen und viele Schichten hinweg.
• Kompatibilität mit allen gängigen Bestückautomaten-Herstellern.

Herausforderungen

• Fehlende oder falsch platzierte Fiducials erfordern kostspielige Leiterplattenrevisionen.
• Verschmutzte, oxidierte oder lackierte Passermarken verhindern die optische Erkennung.
• Zu kleine Freiflächen (Keepout-Zonen) um die Fiducials stören die Kameraerkennung.
• Asymmetrische Anordnung kann zu Verwechslungen der Orientierung führen.
• Bei reflektierenden Oberflächen (z. B. HASL-Finish) können Erkennungsfehler auftreten.

FAQ

Wie viele Fiducials braucht eine Leiterplatte mindestens?

Für eine zuverlässige Positions- und Rotationskorrektur werden mindestens 3 globale Fiducials empfohlen, die nicht auf einer Linie liegen dürfen. Bei einfachen Designs sind auch 2 möglich, dann ist jedoch keine Skalierungskorrektur möglich.

Welches Oberflächen-Finish ist für Fiducials am besten geeignet?

ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) bietet die besten optischen Erkennungseigenschaften durch gleichmäßige, matte Reflexion. HASL kann durch ungleichmäßige Oberflächen Probleme verursachen.

Müssen Fiducials im Schaltplan eingezeichnet sein?

Nein, Fiducials werden ausschließlich im Leiterplattenlayout (PCB-Design) platziert und erscheinen nicht im Schaltplan. Sie müssen jedoch im Fertigungsdatenpaket (Gerber-Daten) korrekt enthalten sein.

Was kostet es, wenn Fiducials fehlen?

Fehlende Fiducials können bedeuten, dass der EMS-Dienstleister die Platine nicht automatisch bestücken kann oder Sonderlösungen (z. B. optische Randmarken) einsetzen muss. Dies erhöht Rüstzeit und Kosten und kann bei hohen Stückzahlen erheblichen Einfluss auf den Stückpreis haben.