Was Leiterplattendesigner über Sperrflächen wissen sollten

Sperrflächen (Keepouts) sind Bereiche auf der Leiterplatte, in denen wir unser Design-Tool anweisen, Einschränkungen zu erzwingen, was in diesem Bereich erlaubt ist und was nicht erlaubt. Sperrflächen können z.B. jede Kombination von Leiterbahnen, Kupferflächen, Bauteilen, Durchkontaktierungen oder sogar Bauteile einer bestimmten Höhe ausschließen. Sperrflächen helfen sowohl bei der Funktionalität als auch bei der Herstellbarkeit von Leiterplatten. Richtig angewendet schützen sie uns Sperrflächen vor kostspieligen Fehlern.

Hier einige Beispiele, wo eine Sperrfläche nützlich sein kann:

• Antennen aus Kupferbahnen, wie sie bei Bluetooth üblich sind, erfordern in der Regel einen Bereich in allen anderen Lagen, der innerhalb eines bestimmten Abstands frei von Kupfer sein muss.
• Bauteile, die einen Bereich “oberhalb” der Platine einnehmen, der größer ist als die von ihnen belegte Lötfläche, brauchen eine Aussparung, die Bauteile ausschließt. Zum Beispiel wollen wir nicht, dass sich ein SMD-Bauteil der Größe 0603 unter einen rechtwinkligen Stecker schleicht, dessen Anschlüsse über der Platine “schweben”. Auch der Betätiger eines rechtwinkligen Schalters braucht einen freien Platz unter ihm.
• Einige Kühlkörper ragen weit über das Bauteil hinaus, von dem sie die Wärme ableiten. Eine Sperrfläche verhindert, dass hier überhaupt Bauteile platziert werden oder in einer bestimmten Höhe. Das hat nicht nur Auswirkungen auf die Montage, sondern auch auf die Zuverlässigkeit: Ein zu nah an einem Kühlkörper platziertes Bauteil könnte der Wärmestresses zu schnell altern lassen.
• Leistungsbauteile, die hohe Spannungen benötigen oder elektromagnetische Störungen verursachen können, benötigen ein bestimmtes Maß an Isolierung von benachbarten Leiterbahnen, um Fehler oder Übersprechen zu minimieren. Mit Keepouts können wir sicherstellen, dass diese lokal durchgesetzt werden, ohne die globalen Regeln zu beeinflussen.
• Manchmal muss verhindert werden, dass Leiterbahnen zwischen Pads verlaufen; ein Keepout, insbesondere wenn es auf der Ebene des Bauteil-Footprints definiert werden kann, kann uns dabei helfen.
• Wenn wir Platz für Gehäuseteile und mechanische Befestigungselemente wie Schrauben garantieren müssen, kann eine Sperre sicherstellen, dass nichts in diesen Bereichen platziert wird.
• Wenn das Design-Tool es nicht anders zulässt, kann eine Aussparung verwendet werden, um einen sauberen Abstand zwischen den Umrissen der Leiterplatte zu halten, wie es von vielen Herstellern gefordert wird

So setzt man Keepouts im PCB-Design effektiv ein

Ich erinnere mich nicht mehr, wann und wo ich dieses Zitat zuerst gesehen habe: “Ein Softwareprojekt hat mindestens zwei Entwickler: Dich und Dich in drei Monaten.” Dieser Gedanke eignet sich ideal für diese Diskussion.

Keepouts erlauben es uns, Einschränkungen festzulegen, die wir später nicht vergessen können, wenn wir die Details bereits vergessen haben. Die Sperrflächen sind außerdem eine sehr nützliche Methode, um Vorgaben an andere Teammitglieder, die am Entwurf arbeiten, zu kommunizieren. Die Alternative, den Schaltplan mit Notizen zu markieren, ist sicherlich hilfreich. Doch Notizen können leicht unbemerkt bleiben, vergessen oder missverstanden werden; Sperrflächen werden von der Software erzwungen, die normalerweise viel robuster ist.

An anderer Stelle habe ich die Empfehlung gelesen, ein sichtbares Element zur Sperrung hinzuzufügen, zum Beispiel im Siebdruck. Diese Markierungen wären keine Sperrvermerke, aber sie können eine Betonung oder Anweisung für die Montage oder den Benutzer darstellen, so etwas wie “in diesem Bereich darf kein Kabelbaum angeklebt werden”. Der Zweck von Sperrvermerken und Legenden ist nicht derselbe und wir sollten sie nicht miteinander vermischen. Das Vermischen würde nur dazu führen, dass beide Mechanismen ihre Wirksamkeit verlieren.

Wenn wir schon dabei sind, wie im Artikel über Außenkonturen (Outline) besprochen, fügen Sie auf keinen Fall eine “Sperr”-Markierung oder ein anderes Merkmal zur Umrissebene hinzu!

Die Funktionalität von Sperrflächen in EDA-Tools wird immer besser. Ich hoffe, dass sie noch weiter verbessert wird, um leistungsfähig und flexibel zu werden und um Fehler zu reduzieren. Ich würde mir vor allem mehr Entwicklungen beim Anwenden von Definitionen für Sperrflächen auf Footprint-Ebene, Layer-Ebene und detaillierte Definitionen wünschen. Zum Beispiel die Unterscheidung zwischen dem Verbot von SMD- oder THT-Bauteilen und eine bessere Kontrolle über z-Achsen-Einschränkungen. Es gibt auch Fortschritte an dieser Front mit Gerber X3, das Bauteilabmessungen enthält und mehr Werkzeuge, die nativ die 3D-Modellierung der gesamten Baugruppe unterstützen.

So hilft Eurocircuits Visualizer beim Umgang mit Sperrflächen

Unser Visualizer ist ein leistungsfähiges Werkzeug, mit dem Sie vor der Bestellung Ihrer Leiterplatte sicherstellen können, dass alles so ist, wie es sein soll. Keepouts werden normalerweise nicht an den Leiterplattenhersteller kommuniziert, weil sie eine temporäre Designregel sind und nur ihre Auswirkung auf das Design gezeigt wird. Wir verwenden sie jedoch intern, wenn wir Sperrflächen unter Bauteilen festlegen, damit wir nichts darunter platzieren. Das würde die Probleme verursachen, die ich im Beitrag Außenkonturen (Outlines) beschrieben habe.