Wenn Ihre SMT-Fertigung stündlich tausende Platzierungen ausführt, zählt Präzision. Selbst modernste Bestückautomaten benötigen eine Referenz, um die Leiterplatte exakt zu lokalisieren.
Fiducial-Marken – winzige Kupferpunkte auf der Leiterplatte – helfen Maschinen, Bauteile präzise auszurichten und teure Fehlplatzierungen sowie Nacharbeit zu verhindern.
Dieser Leitfaden erklärt, was Fiducial-Marken auf PCBs sind, warum sie wichtig sind, wann globale gegenüber lokalen Fiducials eingesetzt werden und wie man Größe, Position und Pflege für perfekte Ergebnisse festlegt. Außerdem zeigen wir, wie Fiducials mit PCB-Ätzen, Lötstopplack-Aussparungen und Platinentests zusammenspielen, um Ertrag und Zuverlässigkeit zu steigern.
Was ist ein Fiducial auf einer Leiterplatte – und warum ist es wichtig?
Ein Fiducial ist ein kleiner, freiliegender Kupferkreis (manchmal auch quadratisch oder rautenförmig), der als optische Referenz für automatisierte Kamerasysteme dient.
Bestückautomaten, Schablonendrucker und AOI-Systeme (Automated Optical Inspection) erfassen diese Marken, um vor der Platzierung die X-/Y-Position und die Drehung (θ) der Leiterplatte zu bestimmen.
Kurz gesagt: Fiducials ermöglichen der Maschine, die Leiterplatte „zu sehen“. Ohne sie kann bereits ein Versatz von 0,1 mm zu Fehlstellungen bei Fine-Pitch-Bauteilen führen – insbesondere bei BGA, QFN und QFP.
Trotz fortschrittlicher Kalibrierfunktionen bleiben Fiducials unerlässlich, um Dehnung, Schrumpfung oder Rotation der Leiterplatte durch Temperatur und Laminierung zu kompensieren. Sie gehören zu den einfachsten und günstigsten Designelementen mit großem Einfluss auf die Bestückgenauigkeit.
Globale vs. lokale Fiducials
Nicht alle Fiducials erfüllen denselben Zweck. Üblich sind zwei Typen:
Globale Fiducials
- Definieren die Orientierung der gesamten Leiterplatte oder des Panels.
- Liegen meist in drei Ecken als Dreieck angeordnet.
- Dienen Druckern und Bestückautomaten zur Ausrichtung der gesamten Leiterplatte/Panel.
- Befinden sich häufig auf Prozess-Schienen (Panel Rails) bei Mehrfachnutzen.
Lokale Fiducials
- Werden in der Nähe einzelner Fine-Pitch-Bauteile (z. B. BGA, QFP) platziert.
- Erhöhen die Platziergenauigkeit für dieses Bauteil relativ zu seinen Pads.
- Besonders wichtig bei Pitch < 0,5 mm bzw. Pad-Abstand < 0,25 mm.
Wann beide?
Jede SMT-Leiterplatte sollte globale Fiducials haben. Lokale Fiducials sind für Fine-Pitch- oder große ICs dringend zu empfehlen. Enthält das Design nur größere SMDs (z. B. 0805, SOT-23), reichen oft globale Marken.
Form, Größe und Lötstopplack-Aussparung
Fiducials wirken simpel, doch ihre Geometrie beeinflusst die Bildverarbeitung:
- Form:
Der volle Kreis ist Standard – symmetrisch und kamerafreundlich. Quadrat/Raute sind möglich, aber Konsistenz über die Leiterplatte ist wichtig. - Kupfer-Durchmesser:
Typisch 1,0–3,0 mm (0,040"–0,120").
Häufig empfohlen: 1,5 mm (≈ 0,060") für gute Sichtbarkeit. - Lötstopplack-Freistellung:
Das Fiducial muss vollständig freiliegendes Kupfer sein – kein Lötstopplack. Die Öffnung sollte 2–3× so groß sein wie der Kupferdurchmesser (z. B. 1 mm Kupfer mit 2–3 mm Öffnung), um hohen Kontrast zum umliegenden Maskenbereich zu erzeugen. - Oberflächenfinish:
ENIG, HASL oder OSP sind geeignet, die Fläche muss jedoch sauber und reflexionsfähig bleiben.
Einheitlichkeit ist entscheidend – verwenden Sie auf einer Leiterplatte überall dieselbe Größe und denselben Öffnungsring.
Platzierungsregeln & Best Practices
Platzieren Sie Fiducials so, dass sie gut sichtbar sind und eine eindeutige Orientierung liefern.
Anzahl und Muster
- Drei Fiducials im nicht kollinearen Dreieck ermöglichen die beste Korrektur von Rotation und Skalierung.
- Zwei sind das Minimum; drei bieten Redundanz und erlauben Ausgleich von Verzug.
Position
- In der Nähe gegenüberliegender Ecken platzieren (typisch: oben-links, unten-rechts, unten-links).
- 3,5–5 mm Mindestabstand zur Platinenkante, um Klemm-Schatten zu vermeiden.
- Mindestens 6 mm Abstand zu Kupferflächen, Siebdruck oder Vias.
Ober- und Unterseite
Sind auf beiden Seiten Bauteile, benötigen beide Seiten Fiducials.
Achten Sie in den Ausgabedaten auf korrekte Zuordnung (nicht spiegeln).
Fiducials auf Panel-Rails und in Mehrfachnutzen
Zur Effizienz werden mehrere Leiterplatten oft als Panel (Array) gefertigt. Hier sind Fiducials noch wichtiger:
- Platzieren Sie drei globale Fiducials auf dem Panel-Rahmen/den Rails – außerhalb der Einzel-PCBs. Diese definieren das Koordinatensystem für Schablonendruck und Bestückung.
- Jede Einzelleiterplatte kann zusätzlich eigene globale oder lokale Fiducials haben.
- Halten Sie mindestens 5 mm Abstand zu V-Nut oder Tab-Fräsungen, um Beschädigungen oder Fehlinterpretationen zu vermeiden.
Standardisierte Panel-Fiducials beschleunigen das Einrichten und Ausrichten, erhöhen den Durchsatz und verkürzen die Rüstzeit.
Verbindung zu anderen Fertigungsschritten
Fiducials stehen im Kontext fast aller Prozesse – vom Ätzen bis zum Test.
1) Beim PCB-Ätzen
Der Kupferspot des Fiducials muss sauber und plan bleiben.
Ätzrückstände oder Überätzen verwischen Kanten und erschweren die Erkennung.
Sicherstellen, dass kein Siebdruck oder Lötstopplack in die Kupferfläche läuft.
Auch das Finish zählt: ENIG/OSP liefern meist besseren Kontrast; ungleichmäßiges HASL kann störende Reflexe verursachen.
2) Beim Lotpastendruck
Ausrichtsysteme der Schablone verwenden primär Fiducials auf den Panel-Rails.
Fehlende oder falsch dimensionierte Marken führen zu Versatz und mangelnder Pastenauflage auf Fine-Pitch-Pads.
3) Beim Bestücken
Die Kamera erfasst zuerst die Fiducials und berechnet dann die Board-Koordinaten.
Globale Marken liefern die Basis; lokale verfeinern die Platzierung kritischer ICs.
Schon Schmutz oder Oxidation kann zu „Fiducial not found“ führen.
4) Beim Reflow & bei der Inspektion
Nach dem Löten helfen Fiducials AOI und SPI bei der Rahmenausrichtung.
Sie bilden zudem einen konstanten Referenzpunkt für wiederholbare Prüfungen über Chargen hinweg.
5) Beim PCB-Test
Für ICT (In-Circuit-Test) oder Flying-Probe unterstützen Fiducials die Fixture-Ausrichtung und sichern präzisen Sondenkontakt.
Auch in Funktionstests ermöglichen sie reproduzierbare optische/mechanische Positionierung mehrerer Leiterplatten im Prüffeld.
Bauteilbezogene Empfehlungen
BGA & Fine-Pitch-Packages
- Zwei lokale Fiducials diagonal nahe gegenüberliegenden Ecken platzieren.
- ≥ 5 mm Abstand zu Pads und Leiterbahnen einhalten.
- Gleiche Größe und Öffnungsring wie bei globalen Marken verwenden.
Große oder lange Leiterplatten
- Zusätzliche globale Fiducials im Zentrum vorsehen, um möglichen Verzug auszugleichen.
- Lange Boards (z. B. LED-Streifen, Backplanes) profitieren von Marken alle 100–150 mm zur erneuten Kamerakalibrierung.
Niedrige Packungsdichte
- Bei ausschließlich größeren Bauteilen (1206, SOIC etc.) und stabilem Panel können globale Marken genügen.
- Das Beibehalten von Fiducials erhöht jedoch die Flexibilität bei Linienwechseln.
Häufige Fehler und wie man sie vermeidet
- Vom Lötstopplack bedeckt: Fiducial stets frei lassen; Masken senken den Kontrast.
- Zu klein/zu groß: Im Bereich 1–3 mm bleiben.
- Zu nah an Kante oder V-Nut: Mindestens 5 mm Abstand.
- Siebdrucküberdeckung: Keine Polarititätszeichen/Text über der Marke.
- Uneinheitliche Größen/Formen: Einheitlichkeit erleichtert die Kalibrierung.
- Nur ein Fiducial vorhanden: Zwei Minimum, drei optimal.
- Auf der zweiten Seite fehlend: Bei doppelseitiger Bestückung beidseitig vorsehen.
Ein kurzer DRC-Check vor dem Erzeugen der Gerber-Daten findet fast alle Probleme.
Umsetzung in Ihrem EDA-Tool
In Altium Designer, KiCad oder Eagle ist das Hinzufügen einfach:
- Kupferpad (nicht durchkontaktiert) auf Top- oder Bottom-Layer anlegen.
- Lötstopp für dieses Pad deaktivieren (Kupfer freilegen).
- Durchmesser (z. B. 1,5 mm) und Freistellung (z. B. 3 mm) definieren.
- In Altium die Bibliothekskomponente “Fiducial” verwenden.
- Fiducials in Gerber/ODB++ und in den Pick-and-Place-Dateien ausgeben.
- Bei doppelseitiger Bestückung Top/Bottom in den Fertigungshinweisen klar kennzeichnen.
Eine kleine Ergänzung mit großem Effekt auf Ertrag und Inspektionsgenauigkeit.
FAQ
Wie viele Fiducials sind erforderlich?
Mindestens zwei; drei sind empfohlen für vollständige Orientierung und Verzugskorrektur.
Wie groß sollten Fiducials sein?
Kupferdurchmesser 1–3 mm (bevorzugt 1,5 mm), mit 2–3× Lötstopplack-Öffnung.
Dürfen Fiducials unter Bauteilen liegen?
Nicht empfehlenswert. Sie müssen über alle Prozessschritte hinweg sichtbar bleiben.
Fazit
Fiducials sind die unterschätzten Helden der Leiterplattenfertigung – kleine Details, die hochpräzise Produktion im großen Maßstab ermöglichen.
Wenn Sie sie richtig auslegen, durchläuft Ihre Leiterplatte jede Phase – vom Schablonendruck bis zum Endtest – reibungslos.
