Courtyards faciliteren betrouwbare PCB-assemblage

Bij het ontwerpen van printplaten draait het vooral om de elektrische functionaliteit. Maar om de printplaat betrouwbaar en consistent geproduceerd te krijgen moet de ontwerper ook met allerlei andere zaken rekening houden, en dat bij voorkeur zo vroeg mogelijk in het ontwerpproces. Eén van die aspecten, die we in dit artikel uitlichten, is de zogenaamde courtyard. Dit op een bepaalde afstand gedefinieerde, virtuele gebied rond de fysieke omtrek van een component geeft aan waar geen andere componenten mogen komen.

Dit is het zesde deel van een serie artikelen over PCB-ontwerp en productie. Bekijk hier deel 1, deel 2, deel 3, deel 4 en deel 5.

Auteur: Saar Drimer, editor bij Eurocircuits

Er zijn verschillende redenen waarom we rondom componenten ruimte willen hebben die vrij is van andere componenten:

• De meeste stappen in de printplaatproductie hebben een registratietolerantie. Dat is eigen aan het productieproces. Door ruimte toe te laten voor de slechtst denkbare combinatie van deze afwijkingen vermijden we dat componenten tegen elkaar komen tijdens de bestukking.
• De assemblagekoppen, die componenten oppakken en plaatsen, moeten in kleine ruimtes manoeuvreren waar reeds geplaatste componenten in de weg kunnen zitten. Als er meer ruimte is tussen de componenten neemt de kans op botsingen af.
• Optische inspectie om problemen op te sporen na assemblage is gebaat bij ruimte tussen de componenten.
• Meer ruimte zorgt voor een lagere warmtedichtheid omdat er meer lucht tussen de componenten kan stromen.
• Soms liggen kleine componenten als het ware in de schaduw van grotere, die ernaast geplaatst zijn. Dit kan ‘cold spots’ veroorzaken waar soldeerpasta tijdens de assemblage trager smelt in vergelijking met andere delen van de printplaat, wat kan leiden tot fouten.
• Als er rework nodig is, is meer ruimte altijd welkom!

Courtyards

De ruimte rondom een component kunnen we in het printontwerp aangeven aan de hand van zogenaamde court­yards. In IPC-7351B definieert de IPC courtyards als ‘het kleinste rechthoekige gebied dat een minimale elektrische en mechanische vrije ruimte biedt rond de gecombineerde grenzen van de componentbehuizing en het grondpatroon’. Bij rechthoeken heb ik zo mijn twijfels, omdat ze te veel ruimte rondom een component kunnen innemen. Denk bijvoorbeeld aan de hoeken van een QFP voor het plaatsen van passieve onderdelen, die met zo’n rechthoek in het geding komen. Het concept van een volgende versie van deze IPC (versie ‘C’ ) gebruikt de qua ruimte-invulling efficiëntere polygonen.

In de praktijk worden de afmetingen van de courtyards bepaald door de specifieke machines die we gebruiken, onze soldeervaardigheden, en ook de locatie van een component ten opzichte van andere componenten op de printplaat. Bedenk daarbij dat de IPC-richtlijnen aan de voorzichtige kant zijn, omdat ze bedoeld zijn voor een zo breed mogelijk scala aan productie-apparatuur.

Effectief gebruik van courtyards

De effectiviteit van courtyards is afhankelijk van de ontwerper en de gebruikte EDA-tool. De ontwerper moet zorgen voor het nauwkeurig definiëren van de courtyards en de Design Rule Checkers (DRC’s) van de EDA-tool correct instellen. Deze instellingen moeten overeenstemmen met de specificaties van de fabrikant om er zeker van te zijn dat ze niet conflicteren. Vanuit de EDA-tool is het gewenst dat de DRC’s ook daadwerkelijk alle problemen kunnen detecteren.

Dat klinkt allemaal heel logisch, maar is in de praktijk niet altijd even voor de hand liggend. Neem bijvoorbeeld de situatie waarbij we twee identieke componenten zo naast elkaar plaatsen dat hun courtyards elkaar net raken. In dat geval verdubbelt de courtyard-afstand, wat misschien wat overdreven is. Op basis van kennis over de benodigde beschermingsafstand in dit specifieke geval en hoe fabrikant-specifiek het ontwerp is, kan hier de nodige nuancering worden aangebracht.

Als we streven naar een PCB, die overal kan worden geproduceerd, is het wenselijk om ons aan de IPC-regels te houden. Dan kan het gebeuren dat een kleine inbreuk op de courtyard uit het oogpunt van maakbaarheid prima kan, maar dat de EDA-tool een schending van de ontwerpregels aangeeft. Dergelijke situaties kunnen voor problemen zorgen als je bij het ene bedrijf de productie van de proto’s uitbesteedt en je voor serieproductie naar een ander gaat. Dat kan zelfs leiden tot een herontwerp. Met dit soort zaken moet je in een zo vroeg mogelijk stadium van het ontwerptraject rekening houden.

Geen slimmigheidjes

Sommige ontwerpers kiezen ervoor om de witdruklaag van de componenten te gebruiken als een pseudo-courtyard definitie. Ik denk dat dit een slecht idee is, en wel hierom:

De DRC zal nu geen problemen signaleren, waarmee je een van de belangrijkste voordelen van court­yards verliest.

De minimum lijndikte voor de witdruk is vrij breed in vergelijking met de kleine componenten waarmee we vandaag de dag ontwerpen. Dit maakt dat deze markering op het scherm van de EDA-tool een dominant, afleidend en onnauwkeurig beeld van het ontwerp geeft.

De registratie van de witdruk is niet zo strak als de koper- of soldeermaskerlagen, dus het ziet er op het fysieke bord rommelig en onleesbaar uit, zeker nadat er clipping is op toegepast om zeefdrukproblemen bij het aanbrengen van soldeerpasta te vermijden.

Met een groeiende dichtheid van componenten en kopersporen op de printplaat blijft er steeds minder ruimte over voor visuele elementen. De witdruk delft hierbij vaak als eerste het onderspit.

Kortom, we moeten geen visueel element gebruiken dat de DRC-functionaliteit beperkt. Naarmate het ontwerp vordert, zullen de visuele en ontwerp-elementen altijd conflicteren en verliezen ze beide hun effectiviteit en doel. Besteed derhalve tijd aan het definiëren van courtyards bij het maken van het grondplan, zodat je kunt profiteren van de voordelen van DRC. En gebruik de witdruk waarvoor deze echt is bedoeld.

Hoe Visualizer helpt

PCB Visualizer helpt om de printplaat ‘right first time’ te produceren. Assembly Visualizer beoordeelt de juistheid van de footprints na uploaden van de Bill of Materials (BOM) en de Component Placement List (CPL). Als Visualizer de footprint niet in zijn database heeft, kan hij de juistheid van de footprint niet controleren. Probeer daarom, als het ontwerp het toelaat, componenten te gebruiken die wel in onze database zitten.

Deze tool geeft ook aan of de plaatsing van de componenten voldoet aan de IPC-specificaties voor courtyards. Om waarschuwingen op dit gebied te vermijden is het belangrijk om ervoor te zorgen dat de courtyards correct zijn gedefinieerd, zowel voor het maken van de prototypes als voor de serieproductie. Dit om een herontwerp te voorkomen.