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.

Ein Blick auf KiCad [Netzliste und BOM]

Wie im ersten Teil bereits erwähnt, gibt es in KiCad eine Trennung zwischen Schaltsymbol und physikalischem Bauteil. Alle Symbole im Schaltplan werden mit Bezeichnern angelegt, besitzen Pins mit Pinnummern und werden anschließend in einer Netzliste ausgegeben. Die Netzliste enthält die Informationen, welche Pins eines Symbols/Bauteils mit welchen anderen verbunden sind. Diese abstrakte Information wird nun mit real existierenden Bauteilen verbunden. Doch dazu muss KiCad wissen, wie die Bauelemente aussehen, die im Schaltplan lediglich Symbole mit Pinnummern sind. Dazu wird das Programm CvPcb verwendet. Hier erscheint in der mittleren Liste jedes in der Schaltung verwendete Bauteil. Links sind die Bibliotheken der Lötpads zu finden und rechts eine gefilterte Auswahl an Lötpadformen.

Erst wenn jedes Element im Schaltplan ein Footprint zugewiesen bekommen hat, kann das Layout der Leiterplatte beginnen.

Eng mit dem Zuweisen der Footprints zu den einzelnen Schaltsymbolen verbunden ist das Führen einer Stückliste; Die BOM (bill of materials). Die aktuelle Version von KiCad ist momentan im Umbau, was das Erstellen der BOM betrifft. Normalerweise wird eine BOM abhängig der verschiedenen Bauelemente sortiert. Sodass nicht alle 10k 0603 SMD Widerstände einzeln aufgeführt werden, sondern der Widerstand einmal mit Stückzahl und eine Liste alle Bezeichner.

Die aktuelle KiCad Version ermöglicht das Anlegen von Plugins zur Erstellung von Stücklisten. Die zur Zeit einfachste Lösung ist das Erzeugen der Stückliste über ein Python-Script, das mit KiCad ausgeliefert wird. Allerdings sind in dem Windows Release von kicad.nosoftware.cz die Skripte nicht mitgeliefert. Zu finden sind sie im GitHub von KiCad, oder hier zum einfach herunterladen.

Durch einfügen der Kommandozeile "C:\KiCad\bin\python.exe" "c:\kicad\share\bom-in-python\bom_csv_grouped_by_value_with_fp.py" "%I" "%O" wird das Plugin aufgerufen und erstelle eine Datei mit der Endung .bom. Die Datei ist eine Textdatei, die zum Beispiel in LibreOffice oder Excel geöffnet werden kann. Sie enthält die Bauteilbezeichner, Anzahl der Bauteile, deren Wert, Das Symbol und die Pad Geometrie für die Platine. Weiterhin gibt es noch eine Beschreibung zum Bauteil und das Verkäufer Feld.

 

Die Übersicht über alle verschiedenen Bauteile eines Projektes ist die Grundlage zur Erzeugung der BOM. Mit diesem Dokument kann jetzt das Auswählen der Bauelemente beginnen. Dazu füge ich die Spalte "Partnumber" neben dem Feld "Value" hinzu. Dort werden die Herstellernamen Bauteile eingetragen. Um Bauteile zu finden verwende ich zum Beispiel RS oder Farnell. Die Herstellerbezeichnung ist der gesuchte Wert für die Stückliste. Dieser wird für jedes Bauteil eingetragen. Nachdem alle Komponenten der BOM eine Herstellerbezeichnung haben geht es nun an das Bestellen der Bauelemente. Um eine Übersicht der Kosten für das Projekt zu erhalten kann man zum Beispiel Teilesuchmaschinen, wie Octopart verwenden.

Bei dieser Strückliste teilt mir Octopart mit, dass zwei Teile nicht verfügbar sind und dass ein Teil nur bei einem Hersteller verfügbar ist. Daher werden diese Teile in der BOM durch kompatible Bauelemente ersetzt, sodass die BOM vollständig von einem der Distributoren zu beziehen ist.

Nächste Woche schauen wir uns dann das Layouten und der Leiterplatte und erstellen der produktionsrelevanten Daten an.

Ein Blick auf KiCAD [Schaltplan]

KiCad ist ein FOSS Softwarepaket, dass zur Entwicklung von elektronischen Schaltungen und das Design der Leiterplatte verwendet werden kann. Es ist seit 2007 in Entwicklung und mittlerweile so weit, dass es zum professionellen Einsatz angewendet werden kann. Das Projekt wird vom CERN unterstützt, die einige neue Funktionen für den Schaltplaneditor, das Backend und den Layouter zur Verfügung gestellt hat.

Für meine kleineren Projekte, habe ich bis jetzt immer nur den Schaltplaneditor verwendet. Bei einem aktuellen Projekt, möchte ich allerdings auch die Leiterplatte herstellen lassen. Dabei soll die Platte im KiCad Layouter entwickelt werden. Diese Artikelserie wird sich mit den Abläufen und Tücken von der Erstellung einer Schaltung, bis hin zur fertigen Leiterplatte befassen. Die Aufteilung der Artikel wird sich an dem Workflow orientieren, den man bei der Erstellung einer Leiterplatte durchläuft. Es wird sich dabei nicht um eine Anleitung zum erstellen von Schaltungen handeln, sondern vielmehr ein Überblick darüber, wie die Arbeit mit KiCad abläuft.
Begonnen wird beim Erstellen des Schaltplans, danach wird die Netzliste erstellt. Diese enthält alle Informationen über die verwendeten Bauteile und deren Eigenschaften (Namen, Pinbelegung und Landepads) sowie Verbindungen. Nebenbei wird die Liste der Bauteile erstellt, die daraufhin zu beschaffen sind. Mit der Netzliste kann dann im dritten Teil die Leiterplatte entworfen werden. Neben der Platzierung der Bauteile werden wir auch die fertigungstechnischen Feinheiten betrachten und den Prozess der Bestellung durchführen. Wenn die Platte dann eingetroffen ist, wird der letzte Artikel, die Bestückung der Platte und das Löten im Reflow-Prozess beschrieben.

KiCad Installieren

Ähnlich wie bei anderen FOSS Projekten, wird KiCad ständig weiterentwickelt und man kann sich die aktuellste Version als Quellcode aus dem Internet herunterladen. Für viele Betriebssysteme gibt es bereits fertige Binärpakete, die installiert werden können. Zur Zeit sind neue Builds auf http://kicad.nosoftware.cz/ zu finden. Wer sich die Mühe machen möchte, das Programm selbst zu kompilieren, kann dafür den Winbuilder verwenden.

Ich beziehe mich in dieser Artikelserie auf die Version 2015-01-17 BZR 5376 aus dem nosoftware.cz Fundus. 

KiCad Manager

Nach dem Start von KiCad wird der Projektmanager gestartet. Dieser zeigt die verwendeten Dateien, des aktuellen Projekts an und bietet eine Schnellstartleiste für die benötigten Programme, wie Schaltplan- und Symboleditor, oder Layouter. Weiterhin sind noch einige kleine Tools, wie Bitmap zu Komponenten-Konvertierung, Berechnungs-Tools und Schaltplan-Layouteditor. 

Von diesem Fenster aus wird ein Projekt verwaltet. 

Der Schaltplaneditor

Der Schaltplan wird über den Editor Eeschema erstellt. Die Abbildung zeigt den fertigen Schaltplan eines Projekts. Die Übersichtsseite des Schaltplans, also die erste Seite ist hier wie ein Blockschaltbild zu betrachten. Verschiedene Funktionen sind in einzelne Blätter (Subsheets) aufgeteilt. Das muss man nicht unbedingt machen, es macht die Schaltung ab einer gewissen Größe allerdings übersichtlicher. Ich habe meine Schaltungen eigentlich immer auf A3-Größe festgelegt und gehe von dort aus in Subsheets um die Komplexität der einzelnen Komponenten geringer zu halten. Um Signale zwischen den einzelnen Blättern austauschen zu können, werden hierarchische Labels verwendet. Zwei unterschiedliche Netze, die mit einem gleichnamigen Label verbunden werden, sind danach das gleiche Netz. Auf dem Hauptblatt sieht man dann die Verbindungen der einzelnen Untergruppen. Somit wird die Logik abstrahiert und einfacher auf den ersten Blick zu verstehen.

Ein Schaltplan besteht aber nicht nur aus Subsheets, sondern auch aus Komponenten, die die eigentliche Schaltung darstellen. Diese werden über das 'Bauteil hinzufügen' Menü ausgewählt und in den Schaltplan eingefügt. Das Menü erscheint, wenn man das Bauteil-Werkzeug ausgewählt hat und in den Schaltplan klickt. Hier sind alle Bauteile, die in der Bibliothek abgelegt sind zu finden. Über die Filter Eingabe kann nach eine bestimmten Teil gesucht werden, über das Auswahlmenü können die einzelnen Bibliotheken durchsucht werden. Der untere Bereich dient als Vorschau für die Komponente und gibt zusätzliche Informationen zu dem Bauteil, sofern diese bei der Erstellung hinterlegt wurden. Das gewählte Bauteil kann nach dem Drücken des OK-Buttons in den Schaltplan eingefügt werden. 

Sollte ein Bauteil nicht in der Bibliothek zu finden sein, muss es neu angelegt werden. Es sind zwar mittlerweile eine Vielzahl von Bauteilbibliotheken im Internet zu finden, doch es kann vorkommen, dass es dieses eine Bauteil mit diesem Gehäuse und diesem Pinout eben noch nicht gibt. Der Bauteil-Editor von KiCad ist allerdings einfach zu benutzen, wenn man das System hinter den Bibliotheken einmal verstanden hat. Eine Bibliothek ist eine Datei. In dieser Datei befinden sich Beschreibungen für eine oder mehrere Bauteile. Die Bibliotheksdatei muss in einem KiCad bekannten Verzeichnis liegen und zusätzlich noch als aktive Bibliothek ausgewählt werden. Erst dann ist sie in der Bauteil-Auswahl verfügbar. Die erzeugten Biblioteks-Dateien sind im Textformat gespeichert. Diese Eigenschaft machen wir uns später zu Nutze, wenn es darum geht verschiedene Versionen zu verwalten.

Das neue Bauteil bekommt einen Namen. Es wird festgelegt, welche Bezeichner für das Bauteil verwendet werden soll (R für Widerstände, L für Induktivitäten, C für Kondensatoren, V für Dioden, usw.) und die Anzahl der Komponenten pro Bauteil (bspw. für Dual-FETs oder Widerstandsarrays).

Daraufhin kann das Bauteil gezeichnet werden und die Pins eingefügt, benamt und benummert werden. Wichtig ist festzulegen, wie der Energiefluss der Pins ist. Hier sollte Jeder Versorgungspin (VCC, GND, ...) als Eingang, jeder Ausgangspin als Ausgang (Vout, ...) und jeder Controller-Pin als Bidirektional festgelegt werden. Man kann hier noch weiter ins Detail gehen, wenn man das möchte. Die grobe Festlegung des Energieflusses ist aber wichtig um spätere Fehler im Design Rule Check (DRC) zu vermeiden.

In den Eigenschaften des Bauteils, können für später wichtige Informationen hinterlegt werden. Einmal grundsätzliche Eigenschaften zur Darstellung des Symbols, ähnlich der Einstellungen beim Erstellen des neuen Symbols. Eine Beschreibung das Bauteils und das Datenblatt sollten nicht fehlen, so kann während der Schaltplaneingabe schnell auf das Datenblatt zugegriffen werden. Für viele Bauteile gibt es unterschiedliche Beschreibungen, die mit der eigentlichen Funktion des Bauteils nicht viel zu tun haben (Gehäuseform, Verpackungseinheiten, ...). Außerdem gibt es Bauteile, die von verschiedenen Herstellern geliefert werden, aber die gleiche Beschaltung und Funktion aufweisen. So können dem Bauteil Aliase vergeben werden, um es unter diesen Namen in der Liste der Komponenten zu finden. Obwohl im Schaltplaneditor keine fixe Verbindung von Schaltplakomponente und physikalischem Bauteil besteht, kann dem Bauteil eine Reihe von Landungspads (Footprints) für die Leiterplatte mitgegeben werden. Das erleichtert später die Zuweisung von Bauteilform zu Bauteil. 

Bauteile-Bezeichner

Nachdem der Schaltplan in den Editor eingegeben wurde, oder schon währenddessen kann der Komponente ein Bezeichner zugewiesen werden. Beim Erstellen des Symbols haben wir gesehen, dass jedes Symbol einen Prefix besitzt, der die Art des Bausteins beschreibt (R, L, C, V, ...). Dazu kommt dann meistens noch eine Nummer, die das Bauteil eindeutig kennzeichnet. So entsteht dann der Widerstand R100 oder der Kondensator C371. Die Bezeichnung kann manuell beim Hinzufügen des Symbols erfolgen, oder automatisch mit dem Annotation-Tool. Dieses Tool erlaubt es uns entweder alle, oder alle noch nicht benannten Bauteile mit den nächsten freien Nummern zu benennen. Dabei kann der aktuelle Schaltplan, oder alle Schaltpläne des Projekts beachtet werden. Die nächstmögliche freie Zahl ist aber auf das ganze Projekt bezogen, denn jeder Bezeichner darf nur einmal vorkommen.
Das Annotationstool besitzt die Möglichkeit, die zu benennenden Bauteile entweder waagerecht, oder senkrecht zu ermitteln und zu bezeichnen. Ich habe eigentlich immer die senkrechte Reihenfolge gewählt. Der nächste Punkt, die Annotationsauswahl, lässt es zu, dass wir Blatt abhängig die Bezeichnung der Bauteile erhöhen. So wird der erste Widerstand auf Blatt 3 mit 300 bezeichnet, der zweite mir R301 usw. Später hilft das den Widerstand von der Leiterplatte wieder in den Subsheets zu finden. Das ist vor allem im Fehlerfall praktisch.

DRC

Der Design Rules Check ist ein sehr hilfreiches Tool beim verifizieren der Schaltung. Er schaut sich den kompletten Schaltplan an und bestimmt anhand von gegebenen Bedingungen, ob der Schaltplan so regelkonform ist. Diese Regeln werden in den Optionen festgelegt. Das Bild zeigt einen typischen Fehler; Ein Pin eines Bauteils ist nicht angeschlossen und der Pin wurde nicht explizit, als nicht verbunden gekennzeichnet. Im Schaltplan wurde die Stelle markiert und wird beim Klick auf den Fehler in der Fehlerliste hervorgehoben. Allerdings ist das nur ein Warnhinweis und kann ignoriert werden. In den Optionen des DRC kann festgelegt werden, wie mit verschiedenen Bedingungen umgegangen werden soll. Beispielsweise ist es OK zwei Eingangspins oder Tri-State-Pins miteinander zu verbinden, aber wenn zwei Ausgangspins verbunden werden, wird ein Fehler erzeugt. Diese Regeln sind nicht verpflichtend, können aber helfen, dass beim eingeben des Schaltplans keine Fehler gemacht wurden.

Zusammenfassung

Der Schaltplan wird in EEschema eingegeben. Dabei werden Symbole aus einer Bibliothek verwendet. Diese Symbole sind nicht zwangsweise an ein Physikalisches Bauteil gebunden. Die Bibliothek ist eine Textdatei in der alle zu dieser Bibliothek gehörenden Symbole hinterlegt sind.

Komplexe Schaltungen können auf Subsheets ausgelagert werden. Diese können Signale mit hierarchischen Labels austauschen. Das Bezeichnen von Komponenten kann manuell oder mit dem Annotationstool gemacht werden. Am Ende kann mit dem DRC ermittelt werden, ob noch grobe Fehler im Schaltplan zu finden sind.

Wie die virtuellen Komponenten im Schaltplan zu ihren physikalischen Gegenstücken umgewandelt werden, warum ein Widerstand auch ein wichtiges Bauteil ist, warum es sinnvoll ist Schaltplansymbol und physikalisches Bauteil zu trennen und was die Netzliste macht, betrachten wir dann im nächsten Beitrag.