Die Vor- und Nachteile von manueller und automatischer Platzierung von Kupferflächen

Beim PCB-Design gibt es die Redensart, dass Kupfer nichts kostet. Das bedeutet, dass ein PCB-Designer in umgekehrter Richtung denken muss. Eine Leiterplatte beginnt mit einer durchgehenden Kupferfläche, und das nicht benötigte Kupfer wird entfernt. Das Fertigen einer größtenteils aus Kupfer bestehenden Leiterplatte geht schneller, verbraucht weniger und ist nicht so teuer verglichen mit einer so gut wie leergeätzten Platine gleicher Größe. Die Auswahl der richtigen Technik beim Hinzufügen von Kupferflächen im Design-Werkzeug entscheidet darüber, wie zeitintensiv dieser Prozess ist.

Das Hinzufügen des Kupfers wird am häufigsten auf zwei Arten erreicht:

1. Manuell - Diese Methode ist in der Regel schneller, aber unordentlich. Durch das Festlegen und Platzieren spezifischer Formen können kleinere Kupferflächen schnell als Objekte platziert werden. Diese Objekte werden einem Signal zugeordnet und beim Design-Rule-Check auf Kurzschlüsse oder Fehler überprüft. Diese Technik wird für Schnelldurchläufe oder den Bau von Erstmustern bevorzugt.
2. Automatisch - Diese Methode ist zeitaufwändiger, ermöglicht aber eine maximale Abdeckung mit Kupfer. Anstatt zunächst das Layout auszuarbeiten und anschließend die Kupferflächen zu platzieren, kann man eine Fläche über den gesamten Bereich der Leiterplatte ziehen, die dann die Kupferfläche darstellt.

Wie man bei der Erstellung von Kupferflächen Zeit sparen können 

Für Kupferflächen wird zunächst eine Umrandung definiert. Anschließend wird alles darin Befindliche und zum gleichen Signal gehörende automatisch miteinander verbunden. Diese Technik ist in der Regel einfacher und schneller, wenn die Fläche groß ist, eine ungewöhnliche Form hat oder aus mehreren unregelmäßig geformten Objekten besteht. Die Umrandung wird automatisch gefüllt und andere Objekte, wie Bauteile, Leiterbahnen oder sonstige Objekte, die nicht zum entsprechenden Signal gehören, werden ausgespart.

Objekte, die zum gleichen Signal gehören, wie zum Beispiel Masse, werden je nach den Vorgaben in den Einstellungen oder den Design-Regeln verbunden. Zu den Objekten, die mit Kupferflächen verbunden werden können, gehören Durchkontaktierungen, Pads und Leiterbahnen. Korrekt definiert, werden die Verbindungen automatisch hergestellt. Wichtig sind die Einstellungen in den Abstandsregeln.

Bildquelle: Flickr-Nutzer Low Voltage Labs  (CC BY 2.0)

Wann sollte die manuelle oder die automatische Herangehensweise bevorzugt werden

Oft sind wir geneigt Dinge manuell zu erledigen, weil dies kurzfristig scheinbar die schnellere Lösung ist. Außerdem müssen wir dann die Kontrolle über unsere Designs nicht abgeben. Bei Betrachtung des Gesamtbildes kann jedoch ein automatischer Ansatz langfristig die bessere Option sein, trotz mehr Arbeit für die Vorbereitung. Hier sind drei Situationen, in denen Kupferflächen eine gute Option für Ihr Design sein könnten.

Polygone

Manuell - Beim Bau eines Erstmusters sollten Sie Ihre Zeit nicht mit einem schön aussehenden Design verschwenden, vor allem dann nicht, wenn sich das Layout garantiert noch ändert. Das Erstellen einer herkömmlichen geschlossenen Kupferfläche ist schnell und einfach, aber wenn es sich um ungewöhnliche Polygone handelt, kann es zeitaufwändig werden. Schneller, wenn auch weniger sauber ist es, überlappende Quadrate, Dreiecke und Trapeze neben- und übereinander zu platzieren, um die von Ihnen gewünschte Form zu erhalten. Während das für kurzfristige Lösungen praktisch ist, müssen Sie irgendwann einige Teile der Umrandung bearbeiten, um Ihrem Design den Feinschliff zu geben. Das aber kann mühsam sein.

Automatisch – Der Einsatz einer einzigen Kupferfläche für diesen Prozess ist automatisch in dem Sinne, dass Sie Polygone überhaupt nicht verwalten müssen. Durch die Definition nur eines Kupferpolygons vermeiden Sie die Erzeugung von zu vielen Objekten, die später bei eventuellen Änderungen angepasst werden müssen.

Vollkupferlagen

Manuell - Beim PCB-Design ist eine Vollkupferlage (Plane) ein großer Kupferbereich, in dem alle Anschlüsse ein gemeinsames Signal bilden. Wenn Sie eine Leiterplatte mit separaten Flächen fertigen und oft Bauteile hinzufügen und ändern, ist es aber kurzfristig die einfachere Lösung, Leiterbahnen von Punkt zu Punkt zu legen.

Automatisch - Wenn in Ihrem Design eine Massefläche (Ground Plane) vorkommt, mit der sich hervorragend mehrere zu einem Punkt führende Leiterbahnen vermeiden lassen, ist eine Vollkupferlage besonders effektiv. Die Nutzung einer Vollkupferlage im Lagenaufbau verbindet alle zu einem Signal gehörenden Anschlüsse automatisch.

Wärmeabführung

Manuell - Eine schnelle Möglichkeit um Wärme abzuleiten von einem heißen Bauteil ist das Hinzufügen einer großen quadratischen Kupferfläche unterhalb des Bauteils. Das funktioniert am besten, wenn man viel Platz dafür hat (was allerdings oft nicht der Fall ist).

Automatisch - Sie können die potenzielle Wärmeableitung einfach optimieren, indem Sie Kupferfläche um Ihre besonders kritischen Bauteile festlegen und diesen somit eine Priorität geben. Zusätzlich führen Stiching-Vias zu einer größeren Kupferoberfläche und somit zu einer besseren Wärmeableitung.

Durch die Definition der Anbindungsregeln für Wärmefallen von Pads und Vias sowie Abständen zu anderen Objekten in einer Vorlage für das PCB-Dokument führt dazu, dass zukünftige Designs ohne Zeitverzug mit Kupferflächen ausgestattet werden können. Somit können Sie sich voll und ganz auf die Funktionalität ihres Designs konzentrieren.

Eine intelligente Bearbeitung von Kupferflächen macht es zudem einfach, auf sinnvolle Art und Weise Polygone zu bearbeiten und gemäß spezifischen Anforderungen zu verändern. Die Funktionalität der intelligenten Kupferbearbeitung ist nicht auf Kupferflächen begrenzt und lässt sich auch bei anderen polygonalen Objekten, wie beispielsweise die Leiterplattenkontur, anwenden.

Ein wirkungsvolles Werkzeug wie die intelligente Bearbeitung von Kupferflächen hilft Ihnen enorm bei der Erstellung und  Modifikation von unregelmäßigen Polygonen, die ansonsten viel mehr Zeit in Anspruch nehmen als sie sollten. Sparen Sie Zeit, indem Sie Ihr Design schnell an die zu erfüllenden Anforderungen anpassen und wenden Sie sich an Altium für weitere Informationen über ihre Designsoftware und darüber, wie Ihnen dieses Werkzeug helfen kann.