KiCad Tutorial – Pcbnew – Kupferflächen erstellen

Getestet mit der Version 4022 (2013-07-07)

Diese Artikel-Reihe beschäftigt sich mit dem Programm KiCad, einem Tool zu Erstellung von Schaltplänen und dem Entwurf von Leiterplatten. Diese Software ist kostenlos, völlig ohne Beschränkungen und sie wird ständig weiterentwickelt.

Hier geht es zur Übersichtsseite mit allen Artikeln der KiCad-Tutorial-Reihe.

Mittlerweile sind die Bauteile durch Leiterbahnen miteinander verbunden (siehe Teil 1 und Teil 2). Damit ist die Schaltung funktionsfähig und könnte geätzt werden. KiCad bietet aber die Möglichkeit die freien Bereiche mit Kupferflächen zu versehen. Diese Flächen können außerdem bestimmten Netzen zugeordnet werden, sodass es z.B. möglich ist, eine Massefläche zu erzeugen. In der folgenden Beschreibung werde ich eine Massefläche auf der Lötseite und eine Vcc-Fläche auf der Bestückungsseite erzeugen.

Bevor ich beginne, zeige ich mit dem folgenden Bild auf, wie die Ausgangssituation sein sollte. Im letzten Artikel, mit dem Thema Leiterbahnen und Vias, habe ich nur einige wenige Leiterbahnen gezeichnet und etliche offen gelassen. Zum Nachmachen dieser „Übung“ sollte die Leiterplatte aber wie folgt aussehen:

Pcbnew - Ausgangssituation

Pcbnew – Ausgangssituation

Wer genau hinschaut, wird sehen, dass ich unten rechts in der Ecke eine Leiterbahn vergessen habe. Leider fiel mir das zu spät auf und alle Bilder waren schon erstellt. Bitte ergänzt diese Verbindung bevor ihr hier weitermacht.

Rastereinstellung

Die meisten meiner Module haben Standardmaße, damit sie besser zu stapeln sind. Diese entsprechen aber nicht dem üblichen Rastermaß von elektronischen Bauteilen von 2,54mm, da diese auf Inches basieren. Daher muss ich das Raster in KiCad auf ein metrisches Maß umstellen. Ich verwende ein Raster von 1mm, damit das Modul von 40mm x 50mm genau reinpasst. Für andere Leiterplatten sind vielleicht andere Rastereinstellungen nötig – kommt ganz auf das Projekt an.

Pcbnew - Raster einstellen

Pcbnew – Raster einstellen

 

Aber warum ist das Raster wichtig? Die Kupferfläche muss doch nur innerhalb der Platinenbegrenzung liegen? Stimmt, das ist völlig richtig und es würde auch funktionieren. Ich finde es aber besser, wenn die Kupferfläche bündig mit der Platine abschließt und nicht „Pi mal Daumen“. Das ist zum Einen Geschmackssache, zum Anderen anhängig vom Platinenhersteller, der manchmal einen Abstand vorschreibt.

Zeichnen der zu füllenden Fläche

Nun gehe ich zum Zeichnen der Fläche über und betätige hierfür die entsprechende Schaltfläche in der rechten Werkzeugleiste.

Pcbnew - Schaltfläche "Gefüllte Flächen"

Pcbnew – Schaltfläche „Gefüllte Flächen“

Mit dem Zeichnungs-Werkzeug, bzw. dem Mauszeiger, klicke ich an den obersten rechten Punkt, wo die Fläche beginnen soll (oben rechts anzufangen ist dabei nicht zwingend notwendig). Prompt öffnet sich ein Fenster für die Einstellungen der Flächeneingenschaften, das mich erstmal daran hindert weiter zu zeichnen.

Die Einstellungen

Pcbnew – Die Eigenschaften der Kupferflächen einstellen

Pcbnew – Die Eigenschaften der Kupferflächen einstellen

Zu erst möchte KiCad von mir wissen, welche Seite (Lage) und welches Netz für die Kupferfläche verwenden werden soll. Ich wähle B.Cu (1) und GND (2) für eine Massefläche auf der Lötseite aus, damit dort alle GND-Pins automatisch miteinander verbunden werden. Es kann natürlich jedes andere Netz ausgewählt werden. KiCad wird dann dessen gemeinsamen Pins miteinander verbinden. Wird <no net> gewählt, erzeugt KiCad eine Kupferfläche die mit keinem Netz verbunden ist.

Der Netzfilter (3) kann dafür verwendet werden um bestimmte Netz auszublenden. Im Bild würden alle Netze, die mit „N-“ beginnen ausgeblendet, wenn der Knopf „Filter hinzufügen“ ausgewählt wird. Würde das Feld „Versteckte Netzfilter“ leer sein und im Feld „Sichtbare Netzfilter“ „N-*“ stehen, wären Netze die NICHT mit „N-“ beginnen ausgeblendet.

Unter dem Punkt 4 verbergen sich zwei Maße, die einen großen Einfluss auf die Kupferfläche haben können – das Abstandsmaß und die Mindestbreite. Ersteres ist dafür verantwortlich, wie weit die Fläche von Pad, Leiterbahnen und der Leiterplattenbegrenzung entfernt sein muss. Der Abstand zwischen Pads und Leiterbahnen ist aber bereits in den Design-Regeln definiert und wird hier nicht benötigt, daher setze ich ihn auf 0. Die Mindestbreite ist gewissermassen die Strichstärke, mit der KiCad die Fläche ausmalt. Je dünner der Strich, in umso mehr Ecken und Winkel kann die Fläche gelangen. Hier ein Beispiel:

Pcbnew - Flächeneinstellungen - Mindestbreite 0.254mm

Pcbnew – Flächeneinstellungen – Mindestbreite 0.254mm

Pcbnew - Flächeneinstellungen - Mindestbreite 0.100mm

Pcbnew – Flächeneinstellungen – Mindestbreite 0.100mm

 

 

 

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Die Padverbindung (5) ist für die Pads interessant, die über die Kupferfläche verbunden werden. Hier gibt es die Möglichkeit, dass die Verbindungen eine thermische Abführung erhalten. Das ist wichtig beim Löten eines Pads, dass in z.B. einer Massefläche sitzt. Würde ich auf einem soliden Pad (linkes Bild) die Lötspitze aufsetzten, dann verteilt sich die Wärme sofort in alle Richtungen auf der Kupferfläche. Da Kupfer ein sehr guter Wäremleiter ist, bliebe nicht mehr viel Wärme an der gewünschten Stelle übrig und der Lötzinn kann nicht richtig schmelzen. Das erzeugt ganz gerne kalte Lötstellen. Die thermische Abführung (rechtes Bild) hat nur an vier kleinen Stellen eine Verbindung mit der Massefläche. Dadurch kann sich die Hitze der Lötspitze nicht direkt in alle Richtungen verteilen und das Pad erhält eine Temperatur, die für das Lötzinn ausreichend ist. Kalte Lötstellen oder Bauteilbeschädigungen (durch zu langes Aufheizen) sind hierdurch deutlich unwahrscheinlicher.

Das Feld „Antipad Abstandsfläche (mm)“ verändert den Abstand der Kupferfläche zum Pad. Dabei wird der Abstandswert der Design-Regeln überschrieben. Wenn ich ier also 0 eingebe, dann wird der Abstand auch auf 0 reduziert, egal was die Design-Regeln vorgeben!

Mit der Speichenbreite (mm) wiederum lässt sich die Breite der Verbindungen zwischen Pad und Kupferfläche einstellen – also die diagonal angeordneten Stege. Dieser Wert darf aber nicht kleiner als die Mindestbreite sein!

Pcbnew - Padfüllung mit thermischer Abführung

Pcbnew – Padfüllung mit thermischer Abführung

Pcbnew - Solide Padfüllung

Pcbnew – Solide Padfüllung

 

 

 

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Nachdem die Kupferfläche eingezeichnet wurde, wird diese mit einem schraffierten Rand dargestellt. Das Auswahlfeld „Flächendarstellung“ (6) verändert die Darstellung der Schraffur. Probiert es mal aus 😉

Schlussendlich lässt sich mit „Glättung von Ecken“ (7) das Aussehen der Leiterplattenecken anpassen. Die Auswahl „Keine“ erzeugt ganz normale Ecken. Mit der Option „Abschrägung“ wird die Ecke im 45° Winkel abgeschrägt. Die „Auskehlung“ erzeugt abgerundete Kanten. Auf dem Bild ist eine Auskehlung mit 16 Segmenten/360° zu erkennen. Soll die Abrundung nicht ganz so kantig sein, kann dieser Wert auf 32 erhöht werden.

Pcbnew - Abschrägung und Auskehlung

Pcbnew – Abschrägung und Auskehlung

Die Einstellungen „Prioritätsebene“, „Flächenneigung“ und „Füllmodus“ haben bei mir keine Unterschiede im Ergebnis aufzeigen können, egal mit welcher Einstellungs-Kombination. Wer weiß welchen Einfluss diese Einstellungen auf die erzeugt Fläche hat, kann mir das sehr gerne per Kommentar (siehe unten) mitteilen. Über sachdienliche Hinweise würde ich mich sehr freuen 😉

Die Flächenränder einzeichnen

Durch einen Klick auf OK im Einstellungs-Fenster erscheint wieder der Mauszeiger. Mit diesem Klicke ich in die obere rechte Ecke der Leiterbahn-Begrenzung und ziehe die Linie zur unteren rechten Ecke. Dort drücke ich wieder auf die linke Maustaste.

Pcbnew - Den Rahmen der Kupferfläche zeichnen

Pcbnew – Den Rahmen der Kupferfläche zeichnen (Bild 1)

Daraufhin bildet KiCad eine dreieckige Fläche, bei der die beiden zuvor angefahrenen Punkten fixiert sind. Im nächsten Bild kann man super erkennen, wie sich die angehängte Fläche verhält, wenn man mit ihr über die Platine fährt. Die dritte Ecke platziere ich unten links (siehe Markierung).

Pcbnew - Den Rahmen der Kupferfläche zeichnen (Bild 2)

Pcbnew – Den Rahmen der Kupferfläche zeichnen (Bild 2)

Um die Zeichnung abzuschließen fahre ich mit dem Mauszeiger in die obere linke Ecke und mache dort einen Doppelklick. KiCad erkennt den Doppelklick als Abschluss der Zeichnung. Natürlich können so auch andere Formen für die Kupferfläche entstehen.

Pcbnew - Der fertige Rahmen der Kupferfläche

Pcbnew – Der fertige Rahmen der Kupferfläche

Die Fläche ausfüllen

Nun weiß KiCad wo sich die Kupferfläche befinden soll. Die Software wartet nun auf den Befehl die Fläche auch tatsächlich zu füllen. Dies ist auf zwei Arten machbar:

Per Flächen-Menü

In der rechten Werkzeugleiste befindet sich die Schaltfläche für die Erstellung von Flächen. ist dieses Werkzeug aktiviert, genügt ein Klick mit der rechten Maustaste auf die Zeichnungsfläche. Der Klick muss nicht innerhalb der Fläche stattfinden. Der Ort des Klicks ist egal.

Pcbnew - Schaltfläche für Gefüllte Flächen

Pcbnew – Schaltfläche für gefüllte Flächen

Es öffnet sich ein Menü mit den beiden Befehlen zum Füllen und Entfernen der Flächen.

Pcbnew - Flächen ausfüllen und entfernen

Pcbnew – Flächen ausfüllen und entfernen

Per Design Rule Check

Eine weitere Möglichkeit bietet der sogenannte „Design Rule Check“, dass mit der folgenden Schaltfläche, in der oberen Werkzeugleiste, geöffnet wird.

Pcbnew - Design Rule Check

Pcbnew – Design Rule Check

Oben rechts befindet sich der Knopf zum start des Design Rule Checks. Damit wird die erstellte Leiterplatte gegen die eingestellten Abstände, Größen, etc. getestet. Probleme werden dann auf der Leiterplatte mit Pfeilen markiert und im Fenster der „DRC Steuerung“ aufgelistet. Dabei wird aber auch die Fläche gefüllt. Nur löschen ist von diesem Fenster aus nicht möglich. Das geht dann nur mit der Möglichkeit „Per Flächen-Menü“.

Pcbnew - Design Rule Checker ausführen

Pcbnew – Design Rule Checker ausführen

Die erzeugte Fläche verändern

Mit aktiviertem Flächen-Werkzeug und einem Linksklick auf den Rand der gezeichneten Fläche öffnet sich ein Menü. Ganz oben wähle ich den Punkt „Flächen“ aus und es öffnet sich ein Untermenü. Im Folgenden werde ich die einzelnen Punkte erklären, die hier ausgewählt werden können. Da ich „Flächen füllen und „Flächen entfernen“  gerade erklärt habe, lasse ich diese beiden jedoch aus.

Pcbnew - Das Flächen-Menü

Pcbnew – Das Flächen-Menü

1 – Ecke erstellen

Sollte es notwendig werden, eine weitere Ecke der Fläche hinzuzufügen, z.b. weil sich die Form der Platine geändert hat, ist diese Funktion sehr hilfreich. Wie auf dem Bild zu erkennen ist, hängt sich die neue Ecke an den Mauszeiger und kann an einer beliebigen Position abgelegt werden.

Pcbnew - Ecke erstellen

Pcbnew – Ecke erstellen

2 – Umriss-Segment ziehen

Um ein ganzes Segment (also eine Linie zwischen zwei Ecken) zu verschieben nutze ich diese Funktion. Die angrenzenden Linien werden einfach mitgezogen.

Pcbnew - Rahmensegment verschieben

Pcbnew – Rahmensegment verschieben

3 – Ähnliche Fläche hinzufügen

Hierdurch kann eine weitere Fläche dem ausgewählten Layer hinzugefügt werden. Diese Fläche hat die gleichen Einstellungen, wie die zuvor ausgewählte Fläche, sodass kein Einstellfenster erscheint.

4 – Fläche für Ausschnitt hinzufügen

Soll ein Bereich der Leiterplatte keine Kupferfläche erhalten, ist es Möglich diese auszusparen. Nach der Auswahl dieser Funktion wird die auszusparende Fläche in die vorhandene, zu füllende Fläche eingezeichnet. Auf dem Bild zu gut zu erkennen, das der Ausschnitt die Schraffur nach „außen“ liegen hat.

Pcbnew - Flächenausschnitt erstellen

Pcbnew – Flächenausschnitt erstellen

Pcbnew - Flächenausschnitt erstellen (Bild 2)

Pcbnew – Flächenausschnitt erstellen (Bild 2)

 

5 – Fläche duplizieren

Da eine Leiterplatte auch schon mal zweiseitig ausgeführt wird (wie in diesem Beispiel), ist diese Funktion dafür da, die zuvor gezeichnete Fläche zu kopieren. Dazu einfach die neue Lage (hier F.Cu = Bestückungsseite) und das entsprechende Netz (hier VCC) auswählen und auf OK klicken.

Pcbnew - Fläche duplizieren

Pcbnew – Fläche duplizieren

Die grün-gelbe Fläche zeigt die Bereiche an, auf der sich die Kupferflächen der Bestückungsseite (rot) und der Lötseite (grün) überlappen.

Pcbnew - Flächen auf Löt- und Bestückungsseite

Pcbnew – Flächen auf Löt- und Bestückungsseite

 

6 – Fläche verschieben

Um die gesamte Fläche zu verschieben, ohne die Geometrie zu verändern, nutze ich diesen Befehl.

Pcbnew - Fläche verschieben

Pcbnew – Fläche verschieben

7 – Fläche editieren

Dieser Menüpunkt öffnet einfach das Eigenschaftsfenster der Fläche.

Pcbnew – Die Eigenschaften der Kupferflächen einstellen

Pcbnew – Die Eigenschaften der Kupferflächen einstellen

8 – Entferne Flächenumrisse

Ich denke, diese Funktion bedarf keiner Erklärung 😉

Fazit

Um das Ätzbad schonen zu behandeln, werden Kupferflächen erzeugt. Denn je weniger Kupfer entfernt werden muss, desto länger hält die Ätzflüssigkeit. Ich persönlich kann es gar nicht leiden, wenn zu große Bereiche entstehen, die keinen Kupfer enthalten. Das passiert schon mal bei komplizierten Schaltplänen, bei denen häufig zwischen zwei Pads hindurch geroutet wird. Aber irgendwie ergibt sich immer eine Möglichkeit diese freien Stellen zu beseitigen.

In diesem Artikel habe ich die Möglichkeiten zu Erstellung, Veränderung und Entfernung von Kupferflächen auf Leiterplatten beschrieben. Damit neigt sich das Tutorial dem Ende entgegen. Im nächsten Artikel werde ich noch die Beschriftung und Textelemente beleuchten. Damit ist die Leiterplatte fertig für den Ausdruck zum Selberätzen oder um die Dateien zum Platinenätzer zu schicken. Während des Schreibens fällt mir jedoch auf, dass die Erstellung von Gerber- und Drill-Dateien fehlt. Dieses Kapitel füge ich in Kürze ein!

Über Kommentare freue ich mich natürlich sehr  😉

Alles Gute, Timo

Ein Gedanke zu „KiCad Tutorial – Pcbnew – Kupferflächen erstellen

  1. Hallo,
    Ich habe auf der oberen Seite meiner Platine eine +5V Fläche.
    Die möchte ich elektrisch mit dem Pin eines SMD-Bauteils auf der Rückseite der Platine verbinden. Wenn ich dafür ein Via setze hat das aber keine thermische Abführung.
    Gibt es für so etwas die Möglichkeit Thermische Abführungen für Durchkontaktierungen einzustellen?

    Gruß, Jan

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