Fiducial-Marken auf PCB: Zweck, Platzierung & Best Practices

Fiducials (Referenzmarken) sind das Navigationssystem für automatisierte Bestückungsmaschinen (Pick-and-Place, AOI, SPI). Ohne sie: Fehlplatzierungen, Ausschuss, Nacharbeit. Dieser Leitfaden erklärt Funktion, Typen, Design-Regeln und Fallstricke – für fehlerfreie SMT-Fertigung.

1. Was sind Fiducial-Marken?

Fiducials sind definierte Kupferstrukturen auf der PCB, die von Kamerasystemen (Vision Systems) erkannt werden. Sie dienen der exakten Bestimmung von:

• PCB-Position (X, Y) im Maschinenkoordinatensystem
• PCB-Orientation / Skew (Drehwinkel)
• Stauchung/Dehnung (Scale) der PCB im Panel oder nach Reflow

Aufbau eines Fiducials:

1. Massiver Kupferkreis (Top/Bottom Layer), typ. Ø 1–3 mm
2. Lötstoppmaske-Aussparung (Clearance) ringsum, mind. 2× Pad-Radius
3. Optional: Text-Label (z. B. „FID1“) im Siebdruck daneben

2. Die drei Referenz-Benchmarks (Datums)

Nach IPC-7351 / ASM-Standard werden drei Fiducials für die globale PCB-Ausrichtung genutzt:

1. Datum (Origin)

Definiert PCB-Ursprung (0,0) in X/Y. Meist links unten an der PCB-Ecke.

2. Datum (Rotation)

Erkennt Drehung (Skew) der PCB in der Spannvorrichtung. Genauigkeit: 0,01°. Kompensiert alle Platzierkoordinaten.

3. Datum (Scale / Stretch)

Kompensiert Längenänderungen (thermisch, mechanisch) über große PCB-Distanzen. Kritisch bei: Panelisierung, doppelseitigem Reflow (1. Seite schrumpft/verzieht), großen PCBs (> 200 mm).

3. Warum sind Fiducials unverzichtbar?

Automatisierung braucht Präzision. Kameras finden Fiducials mit Sub-Pixel-Genauigkeit (± 5–10 µm). Ohne Fiducials: Maschinen nutzen PCB-Kanten oder Bohrungen – ungenau (Toleranzen ± 50–100 µm), führt zu Tombstoning, Bridging, Bauteilverzug. Bei High-Density (0201, 01005, µBGA) sind Fiducials Pflicht.

4. Wann Fiducials einsetzen?

Fertigungsszenario	Global Fiducials	Local Fiducials
Serienfertigung (High Volume)	Pflicht (3 Stk.)	Pflicht bei Feinpitch (< 0,5 mm), BGA, QFN, µBGA
Kleinserie / Prototyp (Low Volume)	Empfohlen (min. 1, besser 2–3)	Empfohlen bei Feinpitch
Handbestückung	Nicht nötig	Nicht nötig

Moderne Maschinen (z. B. Yamaha, Fuji, ASM, Mycronic) können bei Pitch ≥ 1,0 mm manchmal auf Local Fiducials verzichten – aber: Sicherheit geht vor.

5. Braucht moderne Fertigung noch Referenzmarken?

Ja. Auch KI-gestützte Vision-Systeme brauchen definierte, kontrastreiche Referenzpunkte. Zwei Typen:

• Global Fiducials (Panel/PCB-Referenz): 3 Stück, asymmetrisch verteilt (z. B. 3 Ecken), definieren Koordinatensystem.
• Local Fiducials (Bauteil-Referenz): 2 Stück diagonal an kritischen Bauteilen (BGA, QFN, CSP), für lokale Korrektur (Rotation, Offset).

Bei kleinen PCBs (< 50 × 50 mm) können Global Fiducials auch für lokale Korrektur genutzt werden – Local Fiducials entfallen. Bei Pitch ≥ 1 mm oft verzichtbar.

6. Design-Regeln & Optimierung (IPC-7351, ASM, Hersteller-Specs)

1. Form: Kreis (universell erkennbar). Keine Quadrate, Diamanten, Hourglass – nicht alle Kameras erkennen sie sicher.
2. Größe: Pad-Ø 1,0–3,0 mm (Standard: 1,5 mm). Auf gleicher PCB: Alle Fiducials identisch ± 25 µm.
3. Clearance (Lötstoppfrei): Ringförmig, Durchmesser ≥ 2× Pad-Ø (besser 3×). Form: Kreis oder Quadrat – egal, Hauptsache kontrastreich.
4. Randabstand: ≥ 3 mm (besser 5 mm) vom PCB-Außenrand (exkl. Clearance). Vermeidet Kanten-Effekte, Clamping-Bereich.
5. Platzierung Global: 3 Stück, asymmetrisch (z. B. 3 Ecken). Nicht symmetrisch! Sonst 180°-Drehung nicht erkannt.
6. Platzierung Local: 2 Stück diagonal an Bauteil-Bounding-Box (Ecken). Nicht auf Bauteilkörper!
7. Material: Gleiches Kupfer wie Pads (oberste Lage). Kein Lötstopp, kein Siebdruck, keine Leiterbahn drüber.
8. Panelisierung: Global Fiducials auf Panel-Rahmen (Tooling Strips) + auf Single-PCB. Local Fiducials auf jedem Single-PCB.

7. Häufige Design-Fehler & Lösungen

7.1 Symmetrische Anordnung → 180°-Drehung unerkannt

Problem: Global Fiducials spiegelbildlich symmetrisch (z. B. links oben + rechts unten). Beim 180°-Verdrehen tauschen sie Positionen – Kamera meint, PCB sei korrekt.

Lösung: Asymmetrisch platzieren (3 Ecken, oder 2 ungleichabständig). Panel-Fiducials ebenfalls asymmetrisch.

7.2 Direktes Licht / Reflexionen → Erkennungsfehler

Problem: Harten Licht (Ringlicht, Deckenspots) erzeugt Reflexionen auf unebenem Lötstopplack / Kupfer → Schatten, Glanzpunkte → falsche Kanten-Detektion.

Lösung: Diffuses, ringförmiges LED-Licht an Kamera. Helligkeit reduzieren. Erkennungs-Offset in Kamera-Software programmieren (Sub-Pixel-Shift).

7.3 Fiducials auf beiden PCB-Seiten?

Ja. Bei beidseitiger SMT-Bestückung: Global Fiducials auf Top & Bottom (identische Position spiegelbildlich). Local Fiducials nur auf der Seite mit Feinpitch-Bauteilen. Lötstoppmaske muss frei bleiben!

Zusammenfassung

Fiducials sind klein, aber kritisch. Richtig designed (Kreis, 1,5 mm, 3 mm Clearance, asymmetrisch, randfern) sichern sie den gesamten SMT-Prozess. Sparen Sie nicht an der falschen Stelle: 3 Global + Local an kritischen Bauteilen = Standard. WellPCB prüft Ihre Designs auf Fiducial-Konformität (DFM-Check) – kostenlos bei jedem Auftrag.

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