Die Außenkontur (Outline) definiert die physikalische Grenze einer Leiterplatte. Die Außenkontur kann ein einfaches Rechteck oder eine aufwendige Form sein. Die Definition von Konturen mag trivial erscheinen, doch in der Realität der Leiterplattenfertigung ist es ein komplexes Thema mit vielen Fallstricken. Welche Tücken im Detail stecken und wie PCB-Designer spätere Probleme in der Leiterplattenfertigung vermeiden können, erklärt dieser Beitrag.
Das EDA-Tool hat die Außenkontur mit einer gestrichelten Linie (rot) definiert. Die Mitte dieser Linie wird als die eigentliche Leiterplattenkante angesehen. Normalerweise gibt es auch die Vorgabe, Kupfer in einem bestimmten Abstand von der Kante freizuhalten (lila). Zum Trennen der einzelnen Leiterplatte von einem Nutzen wird ein Router-Bit verwendet.
Die Außenkontur festlegen
Wir definieren eine Außenkontur in einem eigenen ‘Layer’ unseres EDA-Tools. Die Form soll durch eine geschlossene, sich nicht überschneidende Linie definiert werden, die normalerweise mit einer bestimmten Breite gestrichelt, aber ungefüllt dargestellt wird. Die Mitte dieser Strichstärke wird als tatsächlicher Umriss der Leiterplatte verwendet. Das klingt einfach, doch hier lauern die Fehler:
- Die Strichstärke ist nur dazu da, um die Form besser erkennen zu können. Ihre Mitte wird uns normalerweise nicht angezeigt, so dass die genaue Ausrichtung anderer Merkmale in der Nähe des Umrisses willkürlich sein kann. Aus diesem Grund empfehle ich die dünnste Strichstärke, die Sie handhaben können, oder eine, die zusätzliche Informationen liefert. Mit 0,5 mm Hub können Sie z.B. einen Abstand von 0,25 mm von der Kante “sehen”; mit 0,8 mm den UL-Abstand von 0,4 mm; und mit 0,9 mm einen Abstand von 0,45 mm für V-geschnittene Leiterplatten. Es ist auch eine gute Idee, die Raster-, Ausricht- und Fangfunktionen Ihres Werkzeugs zu verwenden, um sicherzustellen, dass die Features genau platziert werden.
- Aufgrund von Unklarheiten über die Herkunft richten einige EDA-Tools beim Exportieren von Fertigungsdaten die Außenkontur nicht korrekt mit den restlichen Features der Leiterplatte aus. Das bedeutet, dass die exakte Platzierung für den Leiterplattenhersteller nicht eindeutig ist. Möglicherweise richtet der Hersteller die Linie nicht korrekt aus oder bittet den Designer sogar um eine Bestätigung der Änderungen. Als Hilfe empfehle ich, die Ausgabedateien mit einem Gerber-Viewer zu betrachten, der “extern” zu Ihrem normalen Prozess ist, wie z.B. der kostenlose Gerber-Viewer von Ucamco, dem Betreuer des Gerber-Formats. Außerdem empfehle ich, wenn der Leiterplattenhersteller es zulässt, die nachbearbeiteten Designdateien zu überprüfen, bevor das Design für die Produktion freigegeben wird.
- Ein Umriss muss eine geschlossene Form sein. Nur manchmal fehlt ein Segment im Umriss. Wir können es entweder nicht sehen, weil die Lücke zu klein ist oder es wird von einem anderen Feature verdeckt. Es lohnt sich, darauf zu achten, dass die Design Rule Checkers (DRCs) Ihres EDA-Tools diese Probleme erkennen. Oder gehen Sie manuell über die Außenkontur: Zoomen Sie hinein, um nach Anomalien zu suchen, wie z.B. Knicke und Stummel, die aufgrund des Betrachtungsmaßstabs verborgen sind.
- Manchmal schleichen sich andere Informationen in die Konturebene ein, entweder durch den Designer oder das EDA-Tool. Diese Informationen sind dann in den Daten enthalten, die wir dem Leiterplattenhersteller liefern. Das kann zu einer Menge Verwirrung führen. Ich empfehle dringend, darauf zu achten, dass nur Außenkonturinformationen in den entsprechenden Layer aufgenommen werden. Wenn Sie dem Hersteller etwas mitteilen müssen, tun Sie dies in der Mechanik- oder einer anderen Anwenderebene.
KiCAD (V5) kann so eingestellt werden, dass es mit seinem DRC auf Konturbrüche aufmerksam macht. Der rote Pfeil weist auf ein Problem hin. Das erste Bild zeigt, dass ein Bruch nicht zu sehen, aber bei näherer Betrachtung vorhanden ist. In diesem speziellen Fall wird der Eurocircuits Visualiser diese kleine Lücke erkennen und automatisch beheben.
Überlegungen zur Leiterplattenfertigung
Die einzelnen Leiterplatten werden in einem Nutzen gefertigt, der mehrere gleiche oder unterschiedliche Leiterplatten enthält, z.B. beim Pooling. Einzelne Leiterplatten werden mit einer Fräse, die entlang der Kontur fährt, aus dem Nutzen herausgeschnitten. Bei einem anderen Verfahren ritzen zwei scharfe Messer die Leiterplatte von beiden Seiten mit einem V-Schnitt ein und schneiden sie später aus dem Nutzen heraus. Beide Verfahren können auch kombiniert werden.
Der V-Schnitt kann nur in geraden Linien erfolgen, die entweder parallel oder senkrecht zu einer rechteckigen Leiterplatte verlaufen, und verbraucht sehr wenig Platz. Eine Oberfräse kann fast jede beliebige Form fräsen, allerdings “verschlingt” sie dabei den Durchmesser an Material. Beide Methoden erfordern scharfe und robuste Werkzeuge, die eine akzeptable Kante erzeugen, ohne die Leiterplatte zu beschädigen.
Eine Leiterplatte, die mit V-Schnitt-Technik geritzt wurde. Beachten Sie, wie wenig Platz erforderlich ist.
Beim Nutzentrennen mit stumpfen Werkzeugen kann das Basismaterial ausbrechen und seine Stabilität verlieren. Die Fräser können auch Grate hinterlassen, winzige Materialreste an der Oberfläche oder Kante des Schnitts.
Das Nutzentrennen ist einer der letzten Schritte der Leiterplattenherstellung. Für die Leiterplattenbestückung bleiben die Boards oft im Nutzen. Hierbei fixieren Reststege die einzelnen Leiterplatten, wobei idealerweise so wenig Material wie möglich auf der Oberfläche der Kante verbleibt. Wenn die Leiterplatten zum Versand bereit sind, können die Stege leicht abgebrochen werden.
Ein Beispiel für eine saubere Bohrung links und eine Bohrung mit Ausbrüchen, verursacht durch einen stumpfen Bohrer rechts.
Beispiele für Stege, die Eurocircuits beim Nutzengestalten hinzufügt. Als ich diese Leiterplatte entwarf, bat ich darum, die Stege dort anzubringen, wo sie es für nötig halten. Ich wusste, dass die Experten beim Entwerfen und Platzieren der Stege einen viel besseren Job machen würden als ich.
Bildunterschrift: Um überschüssiges Material zu entfernen, das der Oberfräser in scharfen Winkeln hinterlässt, und ohne einen Bit mit kleinerem Durchmesser zu benötigen, können wir ein nicht metallisiertes Loch setzen, um den Überschuss zu entfernen.
All dies muss von uns PCB-Designern berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass unsere Daten eindeutig sind, damit die gefertigten Leiterplatten so wenig Fehler wie möglich aufweisen.
Der Nutzentrenner zum Vereinzeln der Leiterplatten hat eine bestimmte Genauigkeitstoleranz oder “Registrierung”, so dass wir einen Bereich mit einem bestimmten Abstand von der Außenkontur frei von allem anderen als Lötstoppmaske halten müssen. Dieser Abstand wird vom Leiterplattenhersteller und den Industriestandards festgelegt. Es ist gut, sich frühzeitig darüber zu informieren.
Die am meisten verwendeten Fräsbohrer haben einen Durchmesser von 2 mm, was einen Eckenradius von 1 mm ergibt. Für kleinere Radien müssen Sie herausfinden, ob der Hersteller dazu in der Lage ist. In den meisten Fällen müssen Sie diese Anforderung explizit angeben; andernfalls würden Sie ihren Standard-Bit verwenden und den Überstand dort lassen. Aber Sie können diese Einschränkung umgehen und vielleicht auch höhere Kosten vermeiden, indem Sie ein nicht plattiertes Loch an der Ecke platzieren, um den Überstand wegzunehmen.
Über die Kante stehende Bauteile sind in Ordnung, solange sie nicht über einen Bruchsteg hängen. Diese Situation kann zu zwei unerwünschten Dingen führen. Erstens könnte das Bauteil nicht bündig mit der Leiterplatte abschließen, weil es durch den Steg nach oben gestützt wird. Beispiele sind Micro-USB-Stecker, die eine untere “Lippe” haben, die unter die Oberfläche der Leiterplatte geht, und SMA-Stecker, die meist über die Kante hängen. Zweitens könnte das Abbrechen des Stegs das Bauteil anheben, seine Anschlüsse schwächen oder es sogar von der Leiterplatte abbrechen. Es ist fast immer eine gute Idee, den Hersteller zu fragen, ob er Stege mitliefert oder nicht, und ihn bitten, die Stege zu positionieren, weil er die Erfahrung und die Werkzeuge hat, um das am besten zu tun.
Bisher haben wir das Thema allgemein besprochen. Wir hoffen, dass diese Informationen Ihnen helfen, einwandfreie Boards zurückzubekommen, egal wo Sie sie herstellen. Aber natürlich würden wir uns freuen, wenn Sie uns Ihre Leiterplatten anvertrauen!
Hier sehen Sie, wie unsere Arbeitsweise Ihnen hilft, es auf Anhieb richtig zu machen.
Edge-Launch-SMA-Steckverbinder reichen über den Rand der Leiterplatte und benötigen Platz für die Montage. Wir müssen aufpassen, dass wir den Bruchsteg nicht unter sie legen.
Wie Eurocircuits “auf Anhieb richtig” Ansatz hilft
Unser PCB Visualiser ist ein leistungsfähiges Werkzeug, das sowohl Ihnen als auch uns hilft, das Design gemäß unserem Motto “gleich beim ersten Mal richtig zu machen”. Der Visualiser ist das, was Sie während des Bestellvorgangs verwenden werden, um sicherzustellen, dass alles in Ordnung ist.
Im Falle von Außenkonturen wird der Visualiser Sie auf falsch ausgerichtete oder unvollständige Konturen hinweisen, wenn er diese nicht selbst sicher beheben kann. Sie können diese dann entweder innerhalb des Visualisers mit dem ‘Outline Editor’ korrigieren oder neue Dateien hochladen. Wir messen und melden auch alle Probleme mit Pads oder Leiterbahnen, die zu nahe am Rand der Leiterplatte liegen. Wenn wir andere Kupferbereiche vom Rand abziehen, um die Spezifikation zu erfüllen, und dadurch ein offenes Netz entsteht, melden wir dies ebenfalls. Sie müssen dann diese Probleme in Ihrem Design beheben. Sie können uns auch spezifische Kupfermerkmale mitteilen, die den Rand der Leiterplatte erreichen müssen, und wir werden dies berücksichtigen. Beachten Sie jedoch, dass gemäß UL kein Kupfer den Rand erreichen darf.
Designer fügen manchmal den Umriss in jede Ebene ein, die an uns zur Fertigung gesendet wird. Das war früher eine gute Idee, um Dinge auszurichten. Jetzt behindert es uns, weil wir es aus jeder Ebene entfernen müssen. Das kann zu Unklarheiten führen. Wenn Sie uns Ihre Designdateien schicken, sollten Sie den Umriss nur in einer einzigen Datei haben, aber auch sicherstellen, dass Ausrichtung, Spiegelung, Registrierung und Offsets aller Dateien im Satz ebenfalls korrekt sind.
Sie können unseren Visualiser als Ihren “externen” Gerber-Viewer verwenden. Wir arbeiten eng mit Ucamco zusammen, um die neuesten Gerber-Verbesserungen zu implementieren. Und schließlich können Sie bei einer Bestellung auch die Post-Production Approval (PPA) wählen, so dass wir Sie benachrichtigen, um die produktionsreifen Dateien freizugeben und erst dann mit der Fertigung fortzufahren.
Hier finden Sie weitere nützliche Informationen zu diesem Thema:
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- Eurocircuits’s Empfehlungen für Kupferlagen
Und für Leiterplatten mit UL Kennzeichnung - Informationen zum Nutzentrennen
- Informationen zu überstehenden und schweren Komponenten
- Leitfaden für Leiterplattennutzen
- Eurocircuits’s Empfehlungen für Kupferlagen
Das ist der erste Beitrag einer sechsteiligen Serie, in der Saar Drimer, Elektronikdesigner und technischer Redakteur bei Eurocircuits, über fertigungsgerechtes Design (Design for manufacturing) schreibt: Außenkontur (Outline), Sicherheitsabstände von Bauteilen (Courtyards), Restringe (Annular Rings), Sperrflächen (Keepouts), Passermarken (Fiducials) und Kupferflächen (Copper Fills).
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