Wie sich die Panelisierung von Leiterplatten auf die Herstellungskosten auswirkt

Der Preis einer einzelnen Leiterplatte hängt nicht nur von der Leiterplatte selbst ab.

Auch die Art und Weise, wie mehrere Platinen auf einer Fertigungsplatte angeordnet sind, kann sich auf die Endkosten auswirken.

Dieser Vorgang wird als Leiterplatten-Panelisierung.

Anstatt jede Leiterplatte als völlig eigenständiges Teil herzustellen, ordnen die Hersteller in der Regel mehrere Leiterplatten auf einer größeren Produktionsplatte an.

Die Platte kann anschließend die Fertigung durchlaufen und bei Bedarf als komplette Baugruppe montiert werden.

Die Anzahl der brauchbaren Leiterplatten, die aus einer Platte gewonnen werden können, hängt ab von:

• Materialverwendung
• Produktionseffizienz
• Werkzeuge
• Routing-Zeit
• Handhabung
• Montagedurchsatz
• Effektive Kosten pro Platine

Bei der Massenproduktion kann sich bereits eine geringfügige Verbesserung der Plattenauslastung spürbar auf die Gesamtfertigungskosten auswirken.

Was versteht man unter Leiterplatten-Panelisierung?

Unter „PCB-Panelisierung“ versteht man die Anordnung mehrerer einzelner Leiterplattenentwürfe auf einer größeren Fertigungsplatte.

Ein vereinfachtes Beispiel lautet:

Individual PCB → panel arrangement → fabrication → separation

Die Tafel kann Folgendes enthalten:

• Mehrere Exemplare einer Leiterplatte
• Mehrere Leiterplattenvarianten
• Werkzeugschienen
• Referenzpunkte
• Abreißlaschen
• V-Nuten
• Routing-Pfade

Die genaue Anordnung hängt von den Abmessungen der Leiterplatte, ihrer Form, dem Herstellungsverfahren und den Anforderungen an die Bestückung ab.

Warum sich die Panelisierung auf die Kosten von Leiterplatten auswirkt

Stellen Sie sich zwei Anordnungen von Feldern vor.

Layout A

8 Platten pro Paneel

Layout B

10 Platten pro Paneel

Wenn die Herstellungskosten der Platine in etwa gleich bleiben, verteilen sich diese Kosten bei Layout B auf eine größere Anzahl nutzbarer Platinen.

Dadurch lassen sich die effektiven Herstellungskosten pro Leiterplatte senken.

Bei der Panelisierung geht es jedoch nicht einfach nur darum, so viele Platten wie möglich auf eine Platte zu bringen.

Die Tafel benötigt noch genügend Platz für:

• Routing
• V-Nuten
• Werkzeuge
• Handhabung
• Elektrischer Abstand
• Montageanlagen

Ein aggressives Layout, das zu Problemen bei der Fertigung führt, kann insgesamt höhere Kosten verursachen.

Die Größe der Platine ist eine der ersten Variablen

Die Abmessungen der Leiterplatte wirken sich direkt darauf aus, wie viele Einheiten auf eine Platte passen.

Beispiel:

50 × 50 mm

and

100 × 100 mm

Platinen erfordern sehr unterschiedliche Anordnungen der Bauteile.

Aber dieser Zusammenhang ist nicht immer linear.

Schon eine kleine Änderung der Plattenabmessungen kann manchmal eine deutlich bessere Anordnung ermöglichen.

Wenn man beispielsweise eine Dimension geringfügig ändert, könnte dies Folgendes ermöglichen:

• Mehr Bretter pro Reihe
• Bessere Rotation
• Weniger ungenutztes Material

Aus diesem Grund sollte die Leiterplattenkontur gemeinsam mit der Panelisierung berücksichtigt werden, solange bei der mechanischen Auslegung noch ein gewisser Spielraum besteht.

Auch die Form des Boards spielt eine Rolle

Eine rechteckige Leiterplatte lässt sich in der Regel leichter auf einer Platte anordnen als eine Leiterplatte mit unregelmäßiger Form.

Zu den üblichen Herausforderungen im Kostenbereich gehören:

• Große Ausschnitte
• Abgerundete Abschnitte
• Schmale Erweiterungen
• Mehrere Steckplätze
• Komplexe interne Leitwegführung

Diese Merkmale können zu mehr Materialverschwendung führen oder zusätzliche Fräsarbeiten erfordern.

Sofern es die mechanische Konstruktion zulässt, kann eine Vereinfachung der Leiterplattenkontur die Fertigungseffizienz verbessern.

V-Nut vs. Fräsen

Zwei gängige Verfahren zur Trennung von Leiterplatten sind:

V-Nut

Entlang gerader Linien wird eine Nut eingearbeitet, damit die Bretter später voneinander getrennt werden können.

Die V-Nut eignet sich gut für Bretter mit:

• Gerade Kanten
• Regelmäßige Formen
• Sich wiederholende rechteckige Umrisse

Routing

Eine Fräse fräst den Umriss der Leiterplatte aus.

Routing eignet sich besser für:

• Unregelmäßige Formen
• Geschwungene Konturen
• Innere Aussparungen

Das Fräsen beansprucht jedoch zusätzlichen Platz auf der Platine und erfordert Werkzeugbewegungen um die Platine herum.

Die geeignete Methode hängt von der Geometrie der Leiterplatte ab.

Wann ist eine V-Nut effizienter?

Wenn mehrere identische rechteckige Platten mit geraden Kanten nebeneinander angeordnet werden können, lässt sich mit einer V-Nut möglicherweise eine effiziente Plattenausnutzung erzielen.

Beispiel:

Vorstand | Vorstand | Vorstand | Vorstand

können oft effizient bearbeitet werden.

Allerdings eignet sich die V-Nut nicht für jede Konstruktion.

Die fertige Leiterplatte muss auch nach dem Trennen noch die geforderten Randbedingungen erfüllen.

Wann eine Weiterleitung erforderlich ist

Eine Leiterbahnführung ist häufig erforderlich, wenn die Leiterplatte folgende Merkmale aufweist:

• Abgerundete Kanten
• Unregelmäßige Formen
• Interne Steckplätze
• Komplexe Ausschnitte

In diesen Fällen kann der Versuch, eine V-Nut-Anordnung zu erzwingen, zu mechanischen Problemen führen.

Die etwas höheren Herstellungskosten lassen sich rechtfertigen, wenn die Form der Platine selbst erforderlich ist.

Werkzeugschienen nehmen Platz in Anspruch

Bei Produktionsplatten sind häufig Schienen rund um den Plattenbereich erforderlich.

Diese Schienen können für folgende Zwecke verwendet werden:

• Maschinenhandhabung
• Fördertransport
• Referenzpunkte
• Ausrichtung der Baugruppe
• Werkzeugbohrungen

Die für die eigentlichen Leiterplatten verfügbare Fläche ist daher kleiner als die Gesamtabmessungen der Platte.

Dies ist insbesondere für die SMT-Bestückung von Bedeutung.

Eine Leiterplatte, die ausschließlich für die Leiterplattenfertigung konzipiert ist, eignet sich möglicherweise nicht ideal für die automatisierte Bestückung.

Panelisierung bei der Leiterplattenherstellung im Vergleich zur SMT-Bestückung

Es gibt einen wichtigen Unterschied zwischen der Panelisierung in der Fertigung und der Panelisierung bei der Montage.

Ein Panel zur Leiterplattenfertigung konzentriert sich in erster Linie auf:

• Materialverwendung
• Bohren
• Bildgebung
• Routing
• Elektrische Prüfung

Bei einer SMT-Bestückungsplatine muss außerdem Folgendes berücksichtigt werden:

• Zugriff nach dem „Pick-and-Place“-Prinzip
• Lötpastendruck
• Referenzpunkte
• Fördertechnik
• Bauteilabstand
• Depanellierung

Ein Layout, das für die Leiterplattenfertigung effizient erscheint, ist nicht unbedingt die beste Wahl für die SMT-Bestückung.

Bei zusammengesetzten Produkten sollten beide Phasen gemeinsam betrachtet werden.

Die Panelisierung kann die Montageausbeute beeinflussen

Bei der Panelisierung geht es nicht nur um Kosten.

Ein schlechtes Panel-Design kann zudem zu Montageproblemen führen.

Beispiel:

• Übermäßige Verformung des Boards
• Ungleiche Unterstützung
• Unzureichende Werkzeugausstattung
• Falsche Platzierung der Referenzpunkte
• Probleme mit dem Abstand zwischen Bauteilen

Diese können sich auswirken auf:

• Lötpastendruck
• Komponentenplatzierung
• Reflow
• Inspektion

Daher ist das theoretisch günstigste Modul nicht immer das beste Modul für die Produktion.

Anleitung: Optimierung der Leiterplatten-Panelisierung

Schritt 1: Beginnen Sie mit der fertigen Leiterplatte

Zunächst definieren:

• Abmessungen der Platte
• Board-Umriss
• Einbauorte der Komponenten
• Anschlusspositionen
• Mechanische Anforderungen

Ändern Sie den Umriss der Leiterplatte nicht allein zum Zweck einer besseren Ausnutzung der Platte, wenn diese Änderung zu einem Problem auf Produktebene führt.

Schritt 2: Verschiedene Ausrichtungen testen

Eine Leiterplatte muss nicht immer in derselben Ausrichtung eingebaut werden.

Versuche Folgendes:

• 0°
• 90°
• 180°
• Spiegelbildliche Anordnungen, sofern die Fertigung dies zulässt

Unterschiedliche Ausrichtungen können mitunter zu erheblich unterschiedlichen Materialausnutzungen führen.

Schritt 3: Anzahl der Bretter pro Platte berechnen

Vergleichen Sie mehrere realistische Layouts.

Beispiel:

Layout	Platten/Paneele	Relative Auslastung
A	6	Unter
B	8	Mäßig
C	10	Höher

Das genaue Ergebnis hängt von den Abmessungen der Platten und den fertigungstechnischen Einschränkungen ab.

Schritt 4: Überprüfen Sie die Abstandsvorschriften

Stellen Sie fest, ob das Design Folgendes nutzen kann:

• V-Nut
• Registerkarten-Navigation
• Perforierte Laschen
• Vollständige Routenführung

Optimieren Sie die Materialausnutzung erst dann, wenn Sie geprüft haben, ob die Platten tatsächlich sicher getrennt werden können.

Schritt 5: Montageanforderungen hinzufügen

Falls die Platinen zusammengebaut werden sollen, überprüfen Sie Folgendes:

• Werkzeugschienen
• Referenzpunkte
• Lötpastendruck
• Bauteilabstand
• Anforderungen an Förderanlagen

Die Anlage muss den gesamten Produktionsprozess abdecken.

Schritt 6: Vergleichen Sie die effektiven Kosten

Eine nützliche Kennzahl ist:

Effective PCB cost = panel cost ÷ usable PCB quantity

Das ist aussagekräftiger, als nur den Preis pro Modul zu betrachten.

Beispiel:

$100 panel ÷ 10 boards = $10 per board

während:

$100 panel ÷ 6 boards = $16.67 per board

Das tatsächliche Angebot kann zwar zusätzliche Kosten enthalten, doch diese Berechnung verdeutlicht, warum die Auslastung eine Rolle spielt.

Panelisierung und Leiterplattenmenge

Die Stückzahl kann die optimale Konfiguration der Paneele beeinflussen.

Angenommen, der Kunde benötigt:

100 Bretter

Wenn das Bedienfeld Folgendes enthält:

10 Bretter

Dann stimmt die Produktionsmenge genau mit folgendem Wert überein:

10 Paneele

Wenn das Bedienfeld Folgendes enthält:

7 Bretter

Möglicherweise muss der Hersteller eine andere Anzahl an Platten herstellen und zusätzliche, nicht verwendete Teile verwalten.

Dies führt zwar nicht immer zu einem großen Kostenunterschied, doch sollten die Produktionsmenge und die Anzahl der Platten gemeinsam berücksichtigt werden.

Gemischte Leiterplatten-Panelisierung

Manche Projekte umfassen mehrere miteinander verbundene Leiterplattenentwürfe.

Beispiel:

• Hauptplatine
• Steuerplatine
• Anzeigetafel
• Sensorplatine

Unter bestimmten Umständen können mehrere Designs auf einer Produktionsplatte platziert werden.

Dies könnte die Materialausnutzung verbessern.

Bei der gemischten Panelisierung sind jedoch zusätzliche Aspekte zu berücksichtigen:

• Unterschiedliche Mengen
• Unterschiedliche Fertigungsanforderungen
• Unterschiedliche Testanforderungen
• Depanellierung
• Konfiguration der Baugruppe

Es sollte daher von Fall zu Fall geprüft werden.

Panelisierung und kleine Leiterplattenentwürfe

Kleine Leiterplatten können manchmal erheblich von der Panelisierung profitieren.

Eine einzelne winzige Leiterplatte nimmt möglicherweise nur einen kleinen Teil der Fertigungsplatte ein.

Wenn man viele Exemplare zusammenlegt, verbessert sich die Materialausnutzung und die Handhabung in der Produktion.

Dies ist besonders nützlich für:

• Sensorplatinen
• Tragbare Elektronik
• Kleine Steuerungen
• HF-Module
• IoT-Boards

Allerdings benötigen auch kleine Leiterplatten bei der SMT-Bestückung ausreichende Unterstützung.

Panelisierung und große Leiterplatten

Große Leiterplatten stellen eine ganz andere Herausforderung dar.

Die Platine kann den größten Teil der verfügbaren Plattenfläche einnehmen.

Es gibt möglicherweise nur begrenzte Möglichkeiten, die Anzahl der Platinen pro Baugruppe zu erhöhen.

In diesem Fall kann die Kostenoptimierung folgende Ursachen haben:

• Optimierung der Board-Kontur
• Auswahl des Materials
• Auswahl der Panelgröße
• Fertigungsausbeute
• Unnötige Ausschnitte reduzieren

anstatt einfach nur die Anzahl der Platinen pro Baugruppe zu erhöhen.

Sollte man die Leiterplatte unter Berücksichtigung der Panelisierung entwerfen?

Nicht ganz.

Die elektrischen und mechanischen Anforderungen des Produkts sollten an erster Stelle stehen.

Allerdings sollte eine Panelisierung in Betracht gezogen werden bevor das Design endgültig feststeht.

Wenn sich die Leiterplattenkontur um einige Millimeter ändern lässt, ohne dass dies Auswirkungen auf das Produkt hat, kann diese Flexibilität von großem Wert sein.

Ein Fertigungsingenieur kann dann verschiedene Anordnungen vergleichen, bevor die endgültige mechanische Konstruktion festgelegt wird.

Häufige Fehler bei der Panelisierung

Jedes Mal nur eine Platine entwerfen

Die einzelne Leiterplatte lässt sich zwar herstellen, ist auf der Leiterplattenplatte jedoch ineffizient.

Nichtbeachtung der SMT-Anforderungen

Eine fertigungsfreundliche Platte eignet sich möglicherweise nicht gut für den Fließbandbetrieb.

Zu viele interne Ausschnitte

Ausschnitte können die Materialausnutzung verringern und den Fräsaufwand erhöhen.

Die Depanelisierung ignorieren

Bauteile, die zu nahe am Rand der Leiterplatte platziert sind, können beim Trennen beschädigt werden.

Optimierung ausschließlich auf maximale Leiterplattenanzahl

Die maximale Anzahl an Leiterplatten ist nicht immer die beste Lösung, wenn dadurch Probleme bei der Bestückung oder der Zuverlässigkeit entstehen.

Anleitung: Senkung der Leiterplattenkosten durch Panelisierung

Eine praktische Überprüfung kann nach folgendem Ablauf erfolgen:

Board-Umriss

↓

Panelgröße

↓

Einführung für Vorstandsmitglieder

↓

V-Nut oder Fräsen

↓

Werkzeugschienen

↓

Referenzpunkte

↓

Montagespiel

↓

Depanellierung

↓

Platten pro Paneel

↓

Effektive Kosten pro Leiterplatte

Dieser Ansatz ist zuverlässiger, als einfach nur nach dem niedrigstmöglichen Preis für die Platte zu fragen.

Hat die Panelisierung Auswirkungen auf die Qualität der Leiterplatten?

Das ist möglich.

Eine schlechte Panelisierung kann Folgendes verstärken:

• Verziehen der Platte
• Mechanische Beanspruchung
• Schäden durch Depanelisierung
• Montageprobleme
• Probleme bei der Handhabung

Beispielsweise kann eine extrem lange und schmale Platte ein anderes mechanisches Verhalten aufweisen als eine ausgewogene Platte.

Die Fertigungsplatte muss daher sowohl den Kosten- als auch den Prozessanforderungen gerecht werden.

FAQ

Schlussfolgerung

Die Panelisierung von Leiterplatten wird leicht übersehen, da sie erst erfolgt, nachdem der Entwurf der Leiterplatte scheinbar abgeschlossen ist.

Tatsächlich kann dies die effektiven Herstellungskosten jeder produzierten Leiterplatte beeinflussen.

Zu den wichtigsten Faktoren zählen:

• Brettgröße
• Form des Boards
• Abmessungen der Platte
• Einführung für Vorstandsmitglieder
• V-Nut
• Routing
• Werkzeugschienen
• Montageanforderungen
• Depanellierung
• Produktionsmenge

Das beste Panel ist nicht unbedingt dasjenige, das die meisten Platinen enthält.

Dieses Panel bietet ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Materialausnutzung, Fertigungseffizienz, Montagesicherheit und Produktqualität.

Bei Produktionsprojekten kann die Überprüfung der Panelisierung, bevor das Leiterplattenlayout endgültig festgelegt ist, unnötigen Materialverschwendung vorbeugen und den Übergang vom Prototyp zur Serienfertigung reibungsloser gestalten.

TOPFAST kann die Plattenausnutzung unter Berücksichtigung der Fertigungs- und Montageanforderungen bewerten, was besonders dann von Nutzen ist, wenn eine Leiterplatte von der Entwicklungsphase in die Serienproduktion übergeht.