In questo articolo della nostra serie sui problemi di progettazione e produzione dei circuiti stampati parleremo del keepout, uno strumento di progettazione che, se usato correttamente, può evitarci di commettere errori costosi.
I keepout (parola inglese keep out, tradotta in italiano in “tenere fuori”) sono aree della scheda in cui chiediamo al nostro strumento di progettazione di applicare alcune restrizioni su ciò che può o non può essere contenuto in quell’area. Ad esempio, i keepout possono escludere qualsiasi combinazione di tracce, versamenti di rame, componenti, vias o persino componenti di una certa altezza. I keepout contribuiscono sia alla funzionalità che alla producibilità dei PCB. Ecco alcuni esempi di come potrebbe essere utile un keepout.
- Le antenne realizzate con tracce di rame, come nel caso del Bluetooth, richiedono normalmente un’area in tutti gli altri strati priva di rame o di qualsiasi altro elemento della scheda entro una certa distanza.
- I componenti che occupano un’area “al di sopra” della scheda più grande del footprint di saldatura che occupano richiederanno un keepout che escluda i componenti. Ad esempio, non vogliamo che uno 0603 si intrufoli sotto un connettore ad angolo retto che ha i suoi pin “in bilico” sopra la scheda. Allo stesso modo, l’attuatore di un interruttore ad angolo retto deve avere lo spazio libero sotto di sé.
- Alcuni dissipatori di calore si estendono ben oltre il componente da cui dissipano il calore, quindi è possibile utilizzare un keepout per impedire che i componenti vengano posizionati in quel punto, del tutto o a una determinata altezza. Questo ha un’implicazione non solo per l’assemblaggio, ma anche per l’affidabilità: se un componente è troppo vicino a un dissipatore, può subire un rapido degrado a causa della ciclicità del calore.
- Molti componenti, in particolare quelli che richiedono alta tensione o che possono causare interferenze elettromagnetiche, necessitano di una quantità specifica di isolamento dalle tracce vicine per ridurre al minimo i guasti o la diafonia. I keepout ci permettono di farli rispettare a livello locale senza influenzare le regole globali.
- A volte è necessario impedire che le tracce passino tra le piazzole; un keepout, in particolare se può essere definito a livello di footprint del componente, può aiutarci in questo senso.
- Quando è necessario garantire lo spazio per le caratteristiche dell’involucro e per i dispositivi di fissaggio meccanici come le viti, un keepout può garantire che non venga collocato nulla in quegli spazi.
- Se lo strumento di progettazione non lo consente, un keepout può essere utilizzato per mantenere uno spazio pulito tra i contorni della scheda, come richiesto da molti produttori.
L’uso di keepout può evitare che componenti alti o di qualsiasi altro tipo vengano posizionati sotto un trasformatore o un dissipatore di calore “sporgente”.
Un connettore ad angolo retto, come questo header a 4 pin, potrebbe necessitare di un’area di keepout per evitare che componenti e altri elementi, come il rame, vengano posizionati sotto i pin che si “librano” sopra la scheda. È utile avere anche un courtyard, anche se serve solo a tenere fuori altri componenti, non altri elementi del circuito.
Usare efficacemente i keepout
Non ricordo dove l’ho vista per la prima volta, ma una citazione sullo sviluppo del software sembra rilevante per la nostra discussione:
“Un progetto software ha almeno due sviluppatori: tu e tu tra tre mesi“.
I keepout ci permettono di creare vincoli che non possiamo dimenticare in seguito, quando abbiamo già dimenticato i dettagli. È anche un modo molto utile per comunicare i vincoli agli altri membri del team che stanno lavorando al progetto. L’alternativa di contrassegnare lo schema con delle note è sicuramente utile, ma queste possono facilmente passare inosservate, essere dimenticate o essere fraintese; i vincoli vengono applicati dal software, che di solito è molto più robusto.
Ho letto altrove la raccomandazione di aggiungere un elemento visibile al keepout, ad esempio in serigrafia. Questi contrassegni non sarebbero dei keepout, ma possono fornire enfasi o istruzioni all’assemblatore o all’utente, come ad esempio “non incollare il cablaggio in quest’area”. Gli scopi di keepout e della legenda non sono gli stessi e non dobbiamo confonderli; in questo modo entrambi i meccanismi perderebbero la loro efficacia. Già che ci siamo, come discusso nell’articolo sui contorni (outline), non aggiungete mai un contrassegno “keepout”, o qualsiasi altra caratteristica, al livello del contorno!
Un keepout in KiCAD tiene fuori un riempimento di rame e forza una traccia intorno ad esso. Nella versione attuale (v5) è possibile specificare di tenere fuori solo tracce, vias e riempimenti, mentre nella prossima versione (v6) verranno aggiunti all’elenco anche piazzole (pad) e footprint.
La funzionalità dei keepout negli strumenti EDA continua a migliorare e spero che continui a essere potenziata per diventare potente e flessibile e contribuire a ridurre gli errori. In particolare, mi piacerebbe vedere maggiori sviluppi nell’applicazione delle definizioni di keepout a livello di footprint, di layer e passi fini (fine grain). Ad esempio, la distinzione tra divieto di componenti SMD o a foro passante e un migliore controllo delle restrizioni sull’asse z. Anche su questo fronte si registrano progressi con Gerber X3, che ha incluso le dimensioni dei componenti, e con un maggior numero di strumenti che supportano in modo nativo la modellazione 3D dell’intero assieme.
Come ci aiuta il nostro Visualiser
Il nostro Visualiser è uno strumento potente che consente di assicurarsi che tutto sia come dovrebbe essere prima di ordinare il PCB. In genere, però, i keepout non vengono comunicati al produttore, in quanto sono uno strumento di progettazione, ma ne viene mostrato solo l’effetto sul progetto. Tuttavia, li usiamo internamente, dove inseriamo i keepout sotto i componenti in modo da non inserire schede sotto di essi, causando i problemi che ho descritto in precedenza nell’articolo sui contorni.
