Czym jest courtyard i do czego można go użyć w projekcie PCB
| TechnikaCourtyard (dosł. dziedziniec) to angielski termin, dla którego nie mamy dobrego tłumaczenia w języku polskim. Opisuje on granicę obrzeża pola montażowego podzespołu i jest wyodrębnionym prostokątnym obszarem na płytce drukowanej. Jest zapisany w bibliotekach elementów na warstwie o takiej nazwie. Zapewnia minimalną separację elektryczną i odstęp mechaniczny od elementu (tj. jego obrysu na płytce). Celem jest zapewnienie czytelnego kryterium prawidłowego rozmieszczenia komponentów – umieszczając kilka rezystorów lub kondensatorów ciasno obok siebie, po prostu ustawia się prostokąty courtyard obok siebie, a nie zastanawia nad tym, czy podzespoły nie są za blisko.
Projektując płytki, w naturalny sposób najpierw skupiamy się na funkcjonalności elektrycznej. Ale musimy też ostatecznie je wyprodukować, a to wiąże się z kwestiami, którymi lepiej zająć się na jak najwcześniejszym etapie procesu projektowania. Obszar zdefiniowany przez courtyard to ważne narzędzie projektowe, które pomaga nam upewnić się, że nasze płytki będą produkowane w spójny i niezawodny sposób.
Dlaczego tego potrzebujemy?
Courtyard to wirtualny obszar zdefiniowany w pewnej odległości od fizycznego obrysu komponentu. Jest tworzony na poziomie komponentu jako część jego obrysu i służy do informowania naszych narzędzi projektowych, że w ten obszar żaden inny courtyard (od innego elementu) nie powinien wchodzić.
Można wymienić co najmniej kilka powodów, dla których wokół komponentu tworzy się taką wolną przestrzeń:
- większość etapów produkcji PCB ma pewną tolerancję pasowania, w przypadku której wyrównanie może nie być idealne. Pozostawienie nieco wolnego miejsca gwarantuje, że nie dojdzie do kolizji komponentów podczas montażu, nawet gdy pojawią się różnice pozycji wynikające z powtarzalności procesów,
- głowice automatów montażowych pick & place, muszą mieć możliwość manewrowania w ciasnych przestrzeniach i miejscach, gdzie są już położone inne podzespoły. Dodatkowa przestrzeń obniża ryzyko kolizji i uszkodzenia elementów,
- przestrzeń zapewniana przez courtyard ułatwia inspekcję optyczną płytek po montażu,
- więcej wolnego miejsca między komponentami pomaga zmniejszyć gęstość mocy cieplnej i umożliwia lepszy przepływ powietrza,
- czasami duże elementy rzucają cień na mniejsze podzespoły umieszczone w ich sąsiedztwie. Może to powodować "zimne punkty", w których pasta lutownicza topi się wolniej w porównaniu z innymi obszarami płytki podczas lutowania, co prowadzi do usterek,
- wreszcie – jeśli musimy zrobić jakieś poprawki, więcej miejsca na płytce zawsze jest mile widziane.
W standardzie IPC-7351B courtyardy zdefiniowano jako "najmniejszy prostokątny obszar, który zapewnia minimalny prześwit elektryczny i mechaniczny wokół połączonych granic bryły podzespołu i jego pola montażowego". Niemniej, prostokąty nie są zbyt dobre do tego zadania, ponieważ zajmują za dużo miejsca wokół komponentu. Przykładem mogą być narożniki obudów QFP, które można wykorzystać do umieszczenia elementów pasywnych. To się niedługo zmieni, bo w IPC jest już wersja robocza "C" tej specyfikacji, która wykorzystuje bardziej efektywne wielokąty (polygons).
Jeśli chodzi o to, jak duży ma być courtyard, specyfikacja IPC opisuje go za pomocą trzech różnych poziomów gęstości komponentów. Należy jednak pamiętać, że są to tylko wytyczne, nieco konserwatywne, ponieważ muszą być one zgodne z jak najszerszym zakresem możliwości technologicznych urządzeń produkcyjnych. Tak więc w rzeczywistości, a także zgodnie z IPC, rzeczywiste wymiary courtyardów zależą od konkretnych maszyn, których będą używane, od zręczności w lutowaniu ręcznym, a nawet konkretnego położenia elementu w stosunku do innych na płycie.
Efektywne wykorzystanie courtyardów
Skuteczność courtyardów zależy od dwóch rzeczy. Od projektanta, który musi je skrupulatnie zdefiniować i poprawnie skonfigurować kontrolę reguł projektowych (DRC) w narzędziach EDA. I od zdolności mechanizmów DRC do faktycznego wykrycia wszystkich problemów. Ustawienia te należy uzgodnić ze specyfikacjami producenta EMS, aby upewnić się, że nie powodują one konfliktów.
Ale jest tu subtelność. Kiedy umieścimy dwa identyczne komponenty obok siebie i ich courtyardy się dotkną, skutecznie podwoimy wielkość dystansu. W takim przypadku będziemy musieli wiedzieć, przed czym chroni nas ten mechanizm i jak jest on specyficznie przez producenta rozumiany. Jeśli chcemy mieć płytkę, którą można wyprodukować w dowolnym zakładzie, trzymanie się reguł IPC jest dobrym pomysłem. Co więcej, nawet jeśli pojawi się komunikat o naruszeniu DRC w oprogramowaniu EDA związany z przekroczeniem granicy courtyardu, z punktu widzenia możliwości produkcyjnych będzie w porządku. Ten sam projekt może być problemem, gdy przeniesiemy produkcję z jednego miejsca do innego. Warto o tym wszystkim pomyśleć jak najwcześniej!
Niektórzy projektanci używają warstwy opisu komponentu jako definicji pseudocourtyard, ale jest to zły pomysł, gdyż:
- DRC nie wykryje żadnych problemów, co oznacza utratę jednej z głównych zalet tego mechanizmu.
- Istnieje minimalny limit grubości linii opisowej elementów wykonywanej sitodrukiem, który dla małych elementów jest dość szeroki. Oznacza to, że jest to niedokładna funkcja, jak warstwy miedzi lub maski lutowniczej, więc na fizycznej płytce będzie to wyglądać niechlujnie i nieczytelnie.
- Ponieważ obwody stają się coraz bardziej upakowane, miejsca na opis nie ma wiele.
Podsumowując, nie powinno się używać mechanizmów ograniczonych w zakresie DRC, bo traci się skuteczność ochrony. Lepiej poświęcić czas na zdefiniowanie courtyardów podczas tworzenia footprintów, bo to jest standard branżowy.
Program Visualiser
Nasze oprogramowanie Visualiser PCB pomaga ocenić poprawność footprintów podzespołów po załadowaniu plików BOM i CPL w przypadku, gdy użyte elementy są w bazie danych tego narzędzia. Sygnalizuje problemy z courtyardami, które mogą uniemożliwić poprawny montaży. Jeżeli w bazie programu nie ma footprintu, ta kontrola niestety nie zadziała. Program kontroluje, czy Eurocurcuit będzie w stanie wyprodukować płytki i czy rozmieszczenie komponentów jest zgodne ze specyfikacjami IPC dotyczącymi naruszeń courtyard. Warto skorzystać z tych możliwości, aby zobaczyć, że ustawione pola są odpowiednie dla możliwości produkcyjnych zarówno w zakresie prototypu, jak i serii produkcyjnych, aby uniknąć przeprojektowania.
Eurocircuits
www.eurocircuits.com
