Fertigungsgerechtes PCB-Design, Teil 1 Was PCB-Designer über Sicherheitsabstände wissen sollten

Autor / Redakteur: Saar Drimer * / Johann Wiesböck

Beim Leiterplattendesign richtet sich das Augenmerk zuerst auf die elektrische Funktion. Doch die Leiterplatte muss produziert und mit Bauteilen bestückt werden. Das sollte der PCB-Designer von Anfang an im Blick haben.

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Große Bauteile wie Transformatoren und Kühlkörper ragen über der Leiterplatte und beschränken das, was darunter passen kann, ein. Ein Courtyard kann einige dieser Einschränkungen erzwingen.
Große Bauteile wie Transformatoren und Kühlkörper ragen über der Leiterplatte und beschränken das, was darunter passen kann, ein. Ein Courtyard kann einige dieser Einschränkungen erzwingen.
(Bild: Eurocircuits)

Courtyards, Sicherheitsabstände, Grenzlinien und externe Begrenzungen haben eine wichtige Funktion im Design­prozess. Courtyards helfen dabei, sicherzustellen, dass unsere Boards zuverlässig produziert werden können. Ein Courtyard ist eine virtuelle Grenzlinie, die in einem bestimmten Abstand zum tatsächlichen Umriss eines elektronischen Bauteils definiert. Der Courtyard legt einen Sicherheitsabstand um ein Bauteil fest und ist mit einem Zaun vergleichbar.

Der Courtyard wird auf Bauteilebene als Teil der Footprint-Definition erstellt. Die Angabe teilt unseren Konstruktionswerkzeugen den Sicherheitsabstand mit, in den kein anderes Bauteil eintreten soll. Hier sind ein paar Gründe, warum Bauteile um sich herum Platz brauchen, der frei von anderen Bauteilen ist:

  • Bei den meisten Prozessschritten in der Leiterplattenfertigung gibt es eine Regis­trierungstoleranz, bei der die Ausrichtung möglicherweise nicht perfekt ist. Diese Toleranzen sind unvermeidbar. Die Annahme der kritischsten Fehlerkombination stellt sicher, dass Bauteile nach vielen Prozessschritten nicht zusammenstoßen.
  • Die Bestückköpfe der Automaten, die Bauteile aufnehmen und platzieren, müssen in winzige Lücken manövrieren, in denen bereits platzierte Bauteile im Weg sein könnten. Das ermöglicht mehr Platz, ohne dabei mit anderen Bauteilen zusammenzustoßen.
  • Mehr Platz zwischen den Bauteilen hilft bei der optischen Inspektion, um Probleme nach der Montage zu erkennen.
  • Mehr Platz zwischen den Bauteilen hilft, die Wärmedichte zu reduzieren, weil ein besserer Luftstrom ermöglicht wird.
  • Manchmal werfen große Bauteile einen Schatten auf kleinere Bauteile, die neben ihnen platziert sind. Dies kann beispielsweise zu „kalten Lötstellen" führen, weil an diesen Stellen die Lotpaste im Vergleich zu anderen Bereichen der Leiterplatte während der Montage nicht oder nur langsam schmilzt.
  • Außerdem ist mehr Platz immer dann willkommen, wenn z.B. am Board Nacharbeit nötig sein sollte.

Courtyards stellen wichtige Sicherheitsabstände her

Die IPC-7351B definiert Courtyards als „die kleinste rechteckige Fläche, die einen minimalen elektrischen und mechanischen Abstand (Courtyard Excess) um die Kombination aus Bauteilgehäuse und den Anschlüssen bietet“. Rechtecke sind keine gute Wahl, weil sie zu viel Platz um ein Bauteil herum „verbrauchen“ können, wie die Ecken eines QFP, die sich zum Platzieren von Passiven Bauteilen eignen.

Meinem Verständnis nach verwendet der Entwurf der Version C der Spezifikation die effektiveren Polygone, obwohl die Industrie schon so weit zu sein scheint, wie diese Court­yards in der Praxis verwendet werden.

Bild 1: Der Courtyard wird in einem Abstand von der physikalischen Grenze des Bauteilrandes definiert. Die Fläche dieses Abstandes abzüglich der Bauteilfläche ist der „Überschuss“ (Courtyard Excess).
Bild 1: Der Courtyard wird in einem Abstand von der physikalischen Grenze des Bauteilrandes definiert. Die Fläche dieses Abstandes abzüglich der Bauteilfläche ist der „Überschuss“ (Courtyard Excess).
(Bild: Eurocircuits)

Die Vorgabe der IPC, wie groß der Sicherheitsabstand sein muss, hängt von drei verschiedenen Stufen der Bauteildichte ab. Wir sollten jedoch bedenken, dass die IPC-Richtlinien etwas konservativ sind, da sie für einen möglichst breiten Bereich von Maschinenfähigkeiten gelten sollen. In der Realität und auch laut IPC wird die tatsächliche Größe der Courtyards durch die spezifischen Maschinen, die wir verwenden, unsere eigene Handlöt-Fertigkeit oder sogar die besondere Position eines Bauteils im Verhältnis zu anderen Bauteilen auf der Leiterplatte bestimmt.

So setzt man Courtyards im PCB-Design effektiv ein

Die Effizienz von Courtyards hängt von zwei Dingen ab. Erstens: vom Designer, der sie sorgfältig definieren und die Design Rule Checks (DRCs) der EDA-Tools korrekt einstellen muss. Zweitens: von der Fähigkeit der DRCs, tatsächlich alle Probleme zu erkennen. Diese Einstellungen müssen mit den Spezifikationen des Herstellers abgeglichen werden, um sicherzustellen, dass sie nicht im Widerspruch zueinanderstehen.

Bild 2: Der Platz für den Bestückautomaten kann sehr eng sein und der Bestückkopf, der die Bauteile platziert, muss zwischen den Komponenten manövrieren. Ein Courtyard kann einen Mindestabstand erzwingen, der den Fähigkeiten des Herstellers entspricht.
Bild 2: Der Platz für den Bestückautomaten kann sehr eng sein und der Bestückkopf, der die Bauteile platziert, muss zwischen den Komponenten manövrieren. Ein Courtyard kann einen Mindestabstand erzwingen, der den Fähigkeiten des Herstellers entspricht.
(Bild: Eurocircuits)

Doch es gibt hier eine besondere Situation. Wenn wir zwei identische Bauteile nebeneinander platzieren und ihre Courtyards einfach zusammenstoßen, verdoppeln wir effektiv den Abstand. In diesem Fall müssen wir wissen, wovor uns der Courtyard in der genannten Liste schützt und mit welchen Herstellern wir zusammenarbeiten. Wenn wir ein Board wollen, das überall produziert werden kann, ist es sinnvoll, sich an die IPC-Regeln zu halten.

Wenn wir auf der EDA-Seite vielleicht eine DRC-Verletzung für Verstöße der Courtyard bekommen, kann es aus Sicht des Fertigers gesehen noch in Ordnung sein. Doch das kann schmerzhaft werden, wenn man von der Prototypenfertigung zur Serienfertigung den Hersteller wechselt. Dann bleibt nur ein Redesign. Es lohnt sich, so früh wie möglich an all das zu denken!

Bild 3: Ein Polygon anstelle eines Rechtecks für den Courtyard stellt mehr Leiterplattenfläche zur Verfügung.
Bild 3: Ein Polygon anstelle eines Rechtecks für den Courtyard stellt mehr Leiterplattenfläche zur Verfügung.
(Bild: Eurocircuits)

Manche PCB-Designer entscheiden sich dafür, die Legendenebene der Bauteile als Pseudo-Kurvendefinition zu verwenden. Ich halte das für eine schlechte Idee, aus folgendem Grund:

  • Der DRC fängt keine Probleme ab, so dass Sie einen der Hauptvorteile von Courtyards verlieren.
  • Es gibt eine Mindestgrenze für die Strichstärke des Siebdrucks, die bei den winzigen Bauteilabmessungen, mit denen wir heute arbeiten, recht groß ist. Das bedeutet, dass es auf dem Bildschirm ein dominantes, ablenkendes und ungenaues Merkmal ist.
  • Die Registrierung der Legende ist nicht so eng, wie die der Kupfer- oder Lötstoppmaskenschichten, so dass sie auf der physischen Leiterplatte unordentlich und unleserlich aussehen wird.
  • Da die Boards immer dichter werden, gibt es nicht viel Platz für eine Legende. Visuelle Elemente verschwinden zuerst, wenn der Platz knapp wird.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir ein visuelles Element nicht mit einer DRC-fähigen Einschränkung verwenden sollten. Im weiteren Verlauf des Designs werden diese Elemente unweigerlich in Konflikt geraten und dann verlieren beide ihren Zweck. Vermeiden Sie das! Verbringen Sie die Zeit damit, Courtyards zu definieren, wenn Sie den Grundriss erstellen! Nutzen Sie die Vorteile des DRC und machen Sie die Legende frei für das, wofür sie gedacht ist.

So hilft Eurocircuits-Visualizer beim Umgang mit Courtyards

Eurocircuits PCB-Visualizer ist ein Werkzeug, das Sie nutzen werden, wenn Sie eine Leiterplatte bei uns bestellen. Das Tool hilft sowohl Ihnen als auch uns, die Leiterplatte gleich beim ersten Mal richtig zu fertigen. Wie immer können Sie den Visualizer zunächst als externen Betrachter verwenden, um zu sehen, ob es irgendwelche eklatanten Probleme gibt.

Bild 4: Im ersten Bild sehen wir die Ansicht in KiCAD mit Pfeilen, die auf Verletzungen der Courtyards nach Ausführung des DRC zeigen, speziell Q1-Q4. Im mittleren Bild haben wir die Ansicht des CPL-Editors von Eurocircuits-Visualizer; der CPL-Checker wird den Abstand zwischen Q1 und Q2 akzeptieren, weil er die Fertigungsmöglichkeiten von Eurocircuits und nicht die IPC-Regeln berücksichtigt. Trotzdem ist es eine gute Stelle, um zu prüfen, wo die IPC-Regeln verletzt werden, so dass sie gegebenenfalls behoben werden können. Im letzten Bild sehen wir den CPL-Checker, der sich über die Verletzung des Courtyard zwischen Q3 und Q4 beschwert. Eurocircuits wird dieses Design nicht fertigen.
Bild 4: Im ersten Bild sehen wir die Ansicht in KiCAD mit Pfeilen, die auf Verletzungen der Courtyards nach Ausführung des DRC zeigen, speziell Q1-Q4. Im mittleren Bild haben wir die Ansicht des CPL-Editors von Eurocircuits-Visualizer; der CPL-Checker wird den Abstand zwischen Q1 und Q2 akzeptieren, weil er die Fertigungsmöglichkeiten von Eurocircuits und nicht die IPC-Regeln berücksichtigt. Trotzdem ist es eine gute Stelle, um zu prüfen, wo die IPC-Regeln verletzt werden, so dass sie gegebenenfalls behoben werden können. Im letzten Bild sehen wir den CPL-Checker, der sich über die Verletzung des Courtyard zwischen Q3 und Q4 beschwert. Eurocircuits wird dieses Design nicht fertigen.
(Bild: Eurocircuits)

Eurocircuits Assembly-Visualizer kann die Korrektheit der Footprints bewerten, wenn Sie eine BOM (Stückliste, Bill of Materials) und CPL (Component Placement List) hochladen, und wenn der Footprint in Euro­circuits-Datenbank hinterlegt ist. Es wird Ihnen auch sagen, ob es Verletzungen der Courtyards gibt, die uns daran hindern, das Board zu bestücken.

Wenn der Visualizer den Footprint eines gewünschten Bauteils nicht in seiner Datenbank hat, kann er die Korrektheit des Footprints nicht überprüfen. Versuchen Sie in solchen Fällen, wenn es für Ihr Design möglich ist, Bauteile zu verwenden, die in unserer Datenbank hinterlegt sind

Der Visualizer wird Sie warnen, wenn wir die Leiterplatten nicht fertigen können und wird Ihnen anzeigen, ob die Platzierung der Komponenten den IPC-Spezifikationen für Verletzungen der Courtyard entspricht.

Es ist wichtig, dass Sie sicherstellen, dass die Courtyards sowohl für die Fertigungsmöglichkeiten des Herstellers der Prototypen als auch für die Möglichkeiten des Serienfertigers korrekt sind, um ein Redesign zu vermeiden.

* Saar Drimer arbeitet als Elektronikentwickler und technischer Redakteur beim Prototypenspezialisten Eurocircuits.

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