Keepouts, czyli zakazy i ograniczenia na PCB

 

Fot. 1. Korzystanie z obszarów zabronionych może zapobiec umieszczeniu wysokich lub wręcz jakichkolwiek komponentów pod "wystającym" transformatorem lub radiatorem

Keepouts to obszary płytki, w których definiujemy w oprogramowaniu do projektowania PCB pewne ograniczenia dotyczące tego, co można, a czego nie można umieścić w tym obszarze. Na przykład wykluczamy w nim prowadzenie ścieżek, wylewek miedzianych, umieszczanie elementów, przelotek, a nawet elementów o określonej wysokości. Keepouts pomaga zarówno w zakresie funkcjonalności, jak i możliwości produkcyjnych płytek drukowanych. Oto kilka przykładów sytuacji, w których takie ograniczenia mogą być przydatne.

• Anteny wykonane z meandrujących ścieżek takie jak są w modułach Bluetooth, zwykle wymagają, aby związany z nimi obszar na PCB we wszystkich innych warstwach laminatu był wolny od miedzi oraz nie zawierał innych elementów w określonej odległości.
• Komponenty, które zasłaniają na płytce większy obszar niż wyznacza ich pole montażowe (footprint), wymagają ograniczenia, które wyklucza umieszczenie innych komponentów tuż obok footprintu. Na przykład nie chcemy, aby rezystor 0603 pojawił się pod złączem kątowym, którego styki "unoszą się" nad płytą. Podobnie wygląda ochrona obszaru działania klawisza przełącznika kątowego i długiej dźwigni sterującej jego działaniem. Tam, gdzie porusza się dźwignia, montaż innych elementów nie jest możliwy.
• Niektóre radiatory wystają daleko poza element, z którego odprowadzają ciepło, więc można zastosować ograniczenie, aby uniemożliwić umieszczenie tam podzespołów na dowolnej lub określonej wysokości. Ma to wpływ nie tylko na montaż, ale także na niezawodność: zbyt blisko umieszczony radiatora komponent może ulec szybkiej degradacji z powodu przegrzewania.
• Wiele podzespołów, zwłaszcza tych, które są pod wysokim napięciem lub mogących powodować zakłócenia elektromagnetyczne, wymaga zapewnienia określonej izolacji od pobliskich ścieżek, aby zminimalizować przesłuchy. Ograniczenia obszaru keepouts pozwalają wprowadzić lokalne reguły bez wpływu na globalne zasady projektowania.
• Czasami trzeba wykluczyć możliwość prowadzenia ścieżek między padami. Keepout, zwłaszcza jeśli można go zdefiniować na poziomie footprintu komponentu, może w tym pomóc.
• Gdy trzeba zagwarantować miejsce na mechaniczne elementy złączne, takie jak śruby, wsporniki w obudowie, keepouty pozwalają zagwarantować, że ani ścieżki, ani komponenty nie zostaną umieszczone w tych miejscach.
• Można też użyć tych ograniczeń, aby uzyskać pusty dystans między obrysem płytki a mozaiką połączeń, zgodnie z wymaganiami wielu producentów.

Efektywne korzystanie z keepoutów

Podczas projektowania trzeba pamiętać o wielu szczegółach i drobiazgach. Gdy praca trwa długo albo do projektu wraca się po kilku miesiącach, zdefiniowane obszary zabronione pozwalają tworzyć ograniczenia, o których zwykle by się już dawno zapomniało. Jest to również bardzo przydatny sposób przekazywania reguł projektowych innym członkom zespołu pracującym wspólnie nad projektem. Alternatywą jest oznaczanie schematu notatkami. Jest to pomocne, ale łatwo można ich nie zauważyć, zapomnieć lub takie komentarze mogą być źle zrozumiane. Tymczasem ograniczenia narzucane przez warstwę keepout są wymuszane przez oprogramowanie, które zwykle jest znacznie bardziej niezawodne i nie zapomina szczegółów nawet po kilku miesiącach.

 

Fot. 2. Złącze kątowe, takie jak to 4-pinowe pokazane na zdjęciu, może wymagać ustalenia obszaru zabronionego w warstwie keepout, aby w jego obszarze i pod stykami nie były umieszczane inne komponenty i wylewana miedź. Przydatne jest również wyznaczenie obrzeża (courtyard) wokół takich komponentów

Czasem pojawiają się sugestie, aby zaznaczyć taki duży element i obszar zabroniony w warstwie opisu jako legendę. To nie jest jednak formalne ograniczenie, tylko wskazówka dla montażu, np. "nie montuj wiązek przewodów w tym obszarze". Cele keepout i warstwy opisu nie są takie same i nie powinno się ich łączyć, bo spowoduje to jedynie utratę skuteczności i jednoznaczności.

Funkcjonalność warstwy keepout w programach EDA jest ciągle ulepszana i korzystanie z niej pomaga zmniejszyć liczbę błędów w projektach. Zmiany kierują się w stronę możliwości definicji ograniczeń na poziomie elementu, całej warstwy i większej precyzji. Zmiany to też osobne ograniczenia dla elementów SMD i THT i dla osi Z. Postęp w tym zakresie przyniósł też format Gerber X3, który zawiera wymiary komponentów i ułatwia modelowanie 3D całego pakietu PCBA.

Możliwości programu Visualiser

 

Fot. 3. Keepout w programie KiCAD nie pozwala na zalanie zaznaczonego obszaru miedzią i wymusza prowadzenie ścieżek wokół niego. W 5. wersji programu można tylko zdefi niować takie ograniczenie dla ścieżek, przelotek i wypełnień, w nowszych (6. i 7.) dotyczy to też padów i footprintów

Oprogramowanie Visualiser to potężne narzędzie, które pozwala upewnić się przed zamówieniem płytki drukowanej, że z projektem wszystko jest tak, jak powinno. Niemniej dane warstwy keepout zwykle nie są przekazywane producentowi PCB, ponieważ są jedynie narzędziem używanym w czasie projektowania. Niemniej w produkcji są one przydatne, aby producent nie umieszczał w ich sąsiedztwie wypustek pozwalających na wyłamanie płytki z panelu.

Eurocircuits
www.eurocircuits.com