Mittwoch, 4. März 2015

Ein Blick auf KiCad [Design zur Fertigung]

Wir haben uns in den letzten beiden Wochen angeschaut, wie eine Schaltung in KiCad erstellt und die benötigten Daten zur Erstellung der Leiterplatte generiert werden. Der Prozess, der aus einem Schaltplan eine Leiterplatte macht beginnt mit der Auswahl eines Herstellers. Denn von Beginn an ist es wichtig zu wissen, welche physikalischen Grenzen dem Leiterplattendesign gesetzt sind. Dazu zählt der Mindestabstand zwischen Leiterbahnen, die Mindestgröße von Bohrungen für Durchkontaktierungen und die Mindestbreite der Aussparungen im Lötstopplack für die Lötpads.
Alle diese Werte werden von dem Fertiger festgelegt und können auf dessen Webseite gefunden werden. Einer dieser Anbieter ist Multi-cb. Bei Multi-cb gibt es jede Menge Hinweise dazu, wie die Grenzen der Leiterplatte festzulegen sind, wenn man keine Sonderanfertigung wünscht. Für die Meisten Projekte wird auch keine Sonderanfertigung von Nöten sein, es kann also der kostengünstige Pool für die Fertigung der Leiterplatten gewählt werden.

Der Leiterplatten Kalkulator gibt auch einige Hilfestellungen, was die optimale Bestellauslegung betrifft. Zuerst legt man ein Projektname fest, gibt an, welche Größe und welche Oberfläche gewünscht ist. Daraus kann die erste Ermittlung des Preises gewonnen werden. Meistens bekommt man dann angezeigt, dass die Fertigungsdauer ohne Aufpreis wesentlich kürzer (5AT) sein kann als 20AT. Die Oberfläche HAL bleifrei ist die günstigste. Diese Oberfläche besteht aus einer Zinnoberfläche, die mit Heißluft auf die blanken Kupferflächen aufgebracht wird.
Wie bei der Oberfläche gesehen sind die voreingestellten Werte die günstigsten. Jede Änderung im Fertigungsprozess führt dazu, dass die Platte eventuell aus dem Pooling Prozess herausfällt und als Einzelcharge angefertigt werden muss. Der Pooling Prozess bedeutet, dass viele verschiedene Designs auf einem Nutzen, also eine große Platte, untergebracht werden und somit die Rüst-, Arbeits- und Verwurfskosten auf alle Pooling Teilnehmer umgelegt werden können.

Die einzige Ausnahme ist der Topseitige Positionsdruck. Der ist standardmäßig nicht ausgewählt, kostet allerdings auch nichts extra. Man muss mit den Werten ein wenig spielen um die Ideale Konfiguration zu erreichen. Grundsätzlich gilt, wenn ein extra Fertigungsschritt dazu kommt, wird die Platte teurer.


Anhand der ausgewählten Parameter werden die verschiedenen Grenzen der Design-Regeln festgelegt. Im Kalkulator haben wir festgelegt, dass die kleinste Leiterbahnbreite 150µm sei. Diese Größenbegrenzung gilt für alle Leiterbahnen, alle Vias und den Abstand zwischen den Leiterbahnen.
Wir legen also 0,15mm als Untergrenze für die Leiterbahnbreite fest. Leiterbahnen, die Strom führend sind, werden mit dieser Breite unter Umständen sehr heiß. Der PCB Kalkulator von KiCad kann dazu mehr Auskunft geben. Dementsprechend sollten Leiterbahnenbreiten festgelegt werden.
Wie in den anderen Teilen dieser Serie gehen wir davon aus, dass das Design bereits anhand der ausgewählten Designregeln erstellt wurde. Das kann zum Beispiel wie folgt aussehen:
Fertiges PCB Design
Die hier erstellte Platte hat die angegebenen Abmaße von 45mm x 45mm und ist mit zwei Lagen vollständig entflochten. KiCad bietet zur Vorschau der Leiterplatte eine 3D Ansicht der CAD Daten. Diese kann unter Ansicht -> 3D Darstellung angezeigt werden. Mit Hilfe der Vorschau kann zum Beispiel die Lesbarkeit des Siebdrucks bestimmt werden, oder ob Gehäuse leicht bestück- und lötbar sind.
3D Vorschau der Leiterplatte

Gerberdaten erzeugen
Um aus dem Design die zur Herstellung der Leiterplatte notwendigen Dateien zu generieren muss festgelegt werden, welche Lagen des Designs für die Herstellung notwendig sind. Jede dieser Lage wird in einem eigenen Arbeitsgang hergestellt. Das gängigste Format, in dem die Fertigungsdateiein abgelegt sind ist das Gerber Format. Dieses wird in einem Standard festgelegt und von allen Leiterplatten Herstellern unterstützt.

In unserem Projekt benötigen wir zwei Lagen Kupfer und zwei Lagen Lötstopplack. sowie Siebdruck für die obere Lage. Weiterhin benötigen wir die Kanten-Lage, auf der die Grenzen der Leiterplatte eingezeichnet sind. Mit einem Druck auf "Plotten" werden die ausgewählten Daten erzeugt und in dem angegebenen Ordner gespeichert.
Es fehlen jetzt nur noch die Daten für die Bohrmaschine. Diese können unter
Datei -> Fertigungsdateien -> Bohrdatei *.drl erzeugt werden. Multi-cb benötigt metrische Angaben. Darauf ist unbedingt zu achten, damit die Bohrungen passend zu den Footprints sind.

Ansicht der Gerberdaten zur Verifizierung vor der Bestellung
Nachdem alle Fertigunsdateien erstellt wurden, kann das Ergebnis mit dem ebenfalls in KiCad enthaltenen GerbView angezeigt werden. In diesem Programm werden alle erzeugten Gerberdateien übereinandergelegt und Fehler werden sofort sichtbar.

Um die Bestellung der Platte abzuschließen werden die Produktionsdateien in ein Zip-Archiv gepackt und über die Webseite zu multi-cb hochgeladen. Die Produktion der Leiterplatte beginnt jetzt. Es ist auch der Zeitpunkt gekommen alle Bauteile der BOM zu bestellen und bereitzulegen.