Kevin bat mich, eine echte Antwort zu schreiben. Hier geht...
Mikes Footprint-Handbuch
In den meisten CAD-Systemen sollte sich ein Teileabdruck (auch als Aufkleber bezeichnet) auf genau die Dinge konzentrieren, die mit dem Teil unveränderlich sind . Dazu sollten mindestens gehören:
Kupferpads für alle lötbaren Oberflächen (Stifte, Laschen, Pads, Kugeln usw.). Auch wenn etwas nicht elektrisch angeschlossen ist, sollte es zur mechanischen Unterstützung verlötet werden. DFN / QFN-Teile sind bekannt dafür, dass sie von der Platine abspringen, wenn Sie nur die Randstifte löten und die Platine (oder was auch immer darin ist) später fallen gelassen wird. Das Wärmeleitpad, falls vorhanden, muss verlötet werden , sonst erhalten Sie nicht die erforderliche Wärmeleistung.
Öffnungen in der Lötmaske für lötbare Oberflächen. Sie sollten nicht davon ausgehen, dass dies die gleichen Abmessungen wie das Kupfer sind: In den meisten Fällen sollten sie größer sein! Dies liegt daran, dass die Lötmaske nicht perfekt auf das Kupfer ausgerichtet ist. Es kann in jeder Richtung um bis zu 0,1 mm (4 mils) versetzt sein, daher sollten Ihre Lötmaskenöffnungen an jeder Kante um so viel größer als das Kupfer sein, damit die Maske das Kupfer nicht bedeckt, selbst wenn die Maske es ist aus. Die besseren Leiterplattengeschäfte können die Lötmaske auf 0,05 mm (2 mil) ausrichten, was Teile mit einem Abstand von 0,5 mm ermöglicht. Ein Stück Lötmaske sollte niemals weniger als 0,1 mm (4 mil) breit sein, da ein so kleines Stück (als "Faserband" bezeichnet) einfach abfallen kann.(Überspringen der Diskussion über SMD-Pads für BGAs, da ich bezweifle, dass Sie diese verwenden.)
Siebdruckmuster. Dies sollte ein Umriss des Teils sein, um zu zeigen, wie es relativ zu den Pads platziert ist. Erkundigen Sie sich bei Ihrem PCB-Shop, wie eng diese Linien sein können. 0,15 mm sind keine Seltenheit. Die Siebdrucktoleranz ist schlechter als bei Lötmasken. 0,12 mm (5 mil) in jede Richtung sind üblich. Halten Sie Siebdruck daher mindestens so weit von lötbaren Oberflächen entfernt. Erwarten Sie nicht, dass der PCB-Shop Siebdruck von lötbaren Bereichen entfernt. Es gibt nichts Peinlicheres, als Ihr Board mit Ihren Polaritätsmarkierungen auf den Pads selbst zurückzubekommen, damit sie beim Löten wegschwimmen (Lötflussmittel bricht normalerweise den Siebdruck ab). Wenn das Teil polarisiert ist, platzieren Sie die Polarisationsmarkierungen im Siebdruck. Stellen Sie jedoch sicher, dass diese Markierungen nach der Installation des Teils sichtbar sind. Es gibt nichts Schöneres, als sich zu fragen, ob dieser Kondensator, diese Diode oder dieser IC richtig eingeschaltet ist, wenn die Schaltung nicht funktioniert.
Extras:
Eine Pastenmaske, die angibt, wo Lötpaste abgeschieden werden soll. Dies kann beim Handlöten weggelassen werden. Wenn Sie Reflow zum Löten von BGAs oder DFN / QFN-Teilen verwenden, wird die Einfügemaske sehr wichtig, und wie bei der Lötmaske können Sie nicht davon ausgehen, dass sie die gleichen Abmessungen wie das Kupfer hat.
Ein Innenhof, der einen Umriss um den Fußabdruck darstellt, normalerweise auf einer eigenen Zeichnungsschicht. Dies gibt den Bereich der Leiterplatte an, der für diesen Teil reserviert ist. Dies verhindert, dass Teile zu nahe beieinander liegen, was Kurzschlüsse erleichtert und die Reinigung erschwert. Einige Bibliotheken der alten Schule zeichnen große Klammern in den Siebdruck, um diesen Effekt zu erzielen. Ich hasse das, weil es Platz verschwendet, könnte man die Referenzbezeichnung oder Polaritätsmarke setzen.
Montagezeichnungsebene. Dies ist normalerweise eine vereinfachte Darstellung des Teils (ein Kästchen ist normalerweise in Ordnung) mit der Referenzbezeichnung in der Mitte und einer Polaritätsmarkierung irgendwo, falls erforderlich. Dies hilft Ihnen beim Zusammenbau des Boards, wenn Sie sich nicht auf den Siebdruck verlassen können, und kann als Referenz beim Debuggen des Boards verwendet werden.
Die relevante Norm ist IPC-7351B , die umfangreiche Richtlinien und Gleichungen zur Bestimmung der Padgröße basierend auf den mechanischen Abmessungen und Toleranzen der lötbaren Oberfläche enthält, um eine optimale Lötverbindung zu bilden. Für diejenigen, die nicht rechnen wollen (dh die meisten von uns), haben sie einen Landmusterrechner bereitgestellt , der bei fast all dem hilft. Beachten Sie jedoch, dass es sich nur um einen Taschenrechner handelt: Sie müssen für die Version, die Bibliotheksteile exportiert, extra bezahlen, und ich glaube nicht, dass sie sowieso nach KiCAD exportiert werden kann. Persönlich bin ich mit der kostenlosen Version in Ordnung; Ich bin sowieso für den Footprint verantwortlich, also kann ich ihn genauso gut zeichnen und überprüfen, und das gibt mir alle Zahlen.
(Randnotiz: Ich verwende PADS von Mentor Graphics bei der Arbeit und es hat ein ASCII-Import / Export-Format für Footprints und andere Bibliothekselemente. Deshalb habe ich eine Python-Bibliothek geschrieben, mit der ich Skripte schreiben kann, um alle meine Footprints zu erstellen. Ich weiß nicht, ob KiCAD ein solches Austauschformat oder besser noch integriertes Scripting hat, aber es sollte.)
Der Fußabdruck ist jedoch nicht die ganze Geschichte.
Wärmemanagement
Manchmal hat ein Teil ein Wärmeleitpad. Diese sind für Bastler schwierig, da sie mit einem Lötkolben nicht erreicht werden können und an ein Netz wie Masse angeschlossen werden müssen. So werden Lötpaste und Reflow (für Bastler kann eine Pfanne zum Arbeiten gebracht werden) verwendet. Das Pad selbst ist jedoch möglicherweise nicht groß genug, um die Wärme vom Teil abzuleiten (Glasfaser ist ein Isolator, der manchmal auf Dachböden verwendet wird).
Es gibt zwei wichtige thermische Spezifikationen für ein Teil, die im Datenblatt enthalten sind: theta_JA ("thermische Impedanz, Übergang zur Umgebung") und theta_JC ("thermische Impedanz, Übergang zum Gehäuse"). Beide sind in Grad Celsius pro Watt angegeben (sollte eigentlich Kelvin pro Watt sein, aber na ja).
Theta_JA ist das, was das Paket alleine kann. Um zu sehen, ob es ausreicht, müssen Sie zunächst herausfinden, wie viele Watt Leistung Ihr Chip verbraucht (dies kann auf verschiedene Weise erfolgen), diese mit theta_JA multiplizieren und zu Ihrer höchsten Umgebungstemperatur addieren (45 ° C sind möglicherweise gut genug für den Außenbereich). 60 ° C für den Mut eines PCs und noch mehr für einen Motorraum für Kraftfahrzeuge). Dies gibt Ihnen die höchste Sperrschichttemperatur (Chip); Vergleichen Sie dies mit der Grenzwerttemperatur des Datenblatts (normalerweise 125 oder 150 ° C), um festzustellen, ob Sie darunter liegen. Wenn nicht, benötigen Sie einen Kühlkörper.
Es gibt einige Möglichkeiten, wie Sie einen Kühlkörper herstellen können, aber alle beabsichtigen, dieselbe Gleichung zu lösen. Erinnerst du dich an theta_JC? Das zeigt uns, wie gut das Paket Wärme in das Gehäuse (dh das Wärmeleitpad) bringt. Es ist normalerweise weit, weit niedriger als theta_JA, da keine Wärme durch die Glasfaserplatine oder das Kunststoffteilepaket geleitet wird. Es gibt jedoch eine andere Spezifikation, theta_CA (yep, "case to ambient"), die von Ihrem Kühlkörper festgelegt wird.
Das Theta_CA eines Kühlkörpers zu finden ist jedoch nicht einfach. Bei diskreten Kühlkörpern (z. B. Aluminium- oder Kupferstücken) und einigen Materialien wie Spaltkissen wird im Datenblatt normalerweise die Impedanz angegeben. Für Kupfergüsse habe ich keinen guten Taschenrechner gefunden (irgendjemand?). Wenn ich also verzweifelt bin, würde ich den IPC-2152- Standard zur Bestimmung der aktuellen Tragfähigkeit im Leiterplatten-Design lesen . Es wird geschrieben, wie viel Strom Sie aufgrund seiner Abmessungen und Position im Platinenstapel durch eine Spur leiten können, aber hier könnte man es nur verwenden, wenn man nur so tut, als würde "Strom" Wärme im Kupfer erzeugen (ein gewisser spezifischer Widerstand der Kupfermathematik sollte funktionieren Hier wird jede im Kupfer verlorene Energie als Wärme abgeführt und es wird angezeigt, wie groß die "Spur" (Ihr Kupferguss) sein muss.
Sobald Sie Ihr theta_CA haben, fügen Sie es zu theta_JC hinzu, um theta_JA zu erhalten, und rechnen Sie dann wie oben beschrieben, um festzustellen, ob Ihr Teil überhitzt. Oder Sie können rückwärts arbeiten, um zu sehen, wie hoch das maximale theta_CA ist, das Ihren Teil leben lässt.
Kupferguss-Kühlkörper
Dies ist, was Sie jetzt tun: Sie fügen dem Wärmeleitpad des Teils Kupfer hinzu, um Wärme vom Teil abzuleiten. Grundsätzlich fügen Sie einfach Kupfer unter das Teil ein, überlappen das Wärmeleitpad und strecken die offenen Kanten des Teils aus. Sie werden durch die verfügbare Oberfläche begrenzt (dh Plattengröße und Fläche, die von anderen Teilen eingenommen wird). Dies ist der Grund, warum es nicht Teil des Footprints ist: Sie wissen nicht, was es sein muss, bis Sie das Board auslegen. Möglicherweise müssen Sie es während des Layouts ändern und Sie möchten den Footprint nicht für jeden neu zeichnen Design. Stellen Sie sicher, dass die Software keine Thermik zwischen Kupfer und Wärmeleitpad hinzufügt. Dadurch wird Ihr Kühlkörper unbrauchbar.
Das Stück des Kühlkörpers unter dem Teil sollte mit einer Lötmaske abgedeckt werden. Dies liegt daran, dass Sie nicht möchten, dass das Lot des Wärmeleitpads von diesem abweicht und möglicherweise eine schwache oder ausgefallene Verbindung aufweist. Außerdem kann ein Lötklumpen unter dem falschen Teil des Chips dieses Ende von der Platine abheben, wodurch es für die anderen Stifte schwierig wird, eine Verbindung herzustellen.
Sobald Sie den Kühlkörper unter dem Chip hervor haben, können Sie das Metall entweder freilegen oder mit einer Lötmaske abdecken. Wenn Sie es abdecken, wird das theta_CA gesenkt und es ist erwünscht, wenn dies der gesamte Kühlkörper ist, den Sie ausführen werden. Dann müssen Sie nur noch sicherstellen, dass genügend Kupfer vorhanden ist, um theta_CA niedrig zu halten (dies wird im Datenblatt Ihres Teils empfohlen).
Aufgelötete diskrete Kühlkörper
Wenn Sie jedoch keinen solchen Raum haben, können Sie so viel Kupfer freilegen, dass Sie einen diskreten Kühlkörper direkt auf die Platine löten können. Dieser Kühlkörper muss das Teil nicht direkt kontaktieren, da der primäre Wärmeweg durch das PCB-Kupfer verläuft. Das dickere Metall und die größere Oberfläche des Kühlkörpers sollten einen sehr niedrigen Theta_CA-Wert ergeben. (Beachten Sie auch, dass das Theta (Impedanz), das das Kupfer zwischen dem Wärmeleitpad und dem diskreten Kühlkörper liefert, viel niedriger ist als theta_CA für den Nur-Kupfer-Kühlkörper, da es Wärme vollständig durch Wärmeleitung und nicht durch Strahlung transportiert.)
Bodenwaschbecken
Eine andere in der Industrie übliche Technik (die von einigen Datenblättern empfohlen wird) besteht darin, mehrere Durchkontaktierungen in das Wärmeleitpad einzubauen, die alle mit der Erdungsebene (in einer Mehrschichtplatine) verbunden sind. Auf diese Weise ist die Grundplatte Ihr Kühlkörper! (Hinweis: Diese Durchkontaktierungen müssen an der Stelle überflutet werden, an der sie mit dem Wärmeleitpad und der Masseebene verbunden sind. Wenn die PCB-Software dort Thermik einfügt, stirbt die Magie.) Wenn diese Durchkontaktierungen jedoch nicht gefüllt sind, fließt das Lot des Wärmeleitpads nach unten sie durch Kapillarwirkung vom Pad weg, wodurch es geschwächt wird (wie oben beschrieben). Um dies zu vermeiden, füllen Sie entweder die Löcher (teuer) oder gießen Sie wie oben beschrieben Kupfer unter den Chip und setzen Sie alle thermischen Durchkontaktierungen in das lötmaskierte Kupfer ein (meine Empfehlung).
Beachten Sie, dass, wenn der Kupfergusskühlkörper nicht geerdet ist, Regelfehler auftreten, weil Kupfer und Pad nicht dasselbe Netz haben (sie haben kein Netz, weil es nur einen "Stift" hätte) und sie sich überlappen. Deshalb fügen wir der Zeichnung eine Notiz hinzu, in der der Mensch aufgefordert wird, diese Fehler zu ignorieren.
Ich hoffe, dies hilft Ihnen dabei, Ihre Pommes nicht zu braten!