Una introducción a los archivos Gerber ampliados

¿Alguna vez has mirado una placa de circuito impreso y te has preguntado qué se necesita exactamente para fabricar una? En este artículo, explicamos los archivos Gerber y Gerber Extendidos, los planos de una placa de circuito impreso, respondiendo a una serie de preguntas que son principalmente de interés. Creemos que todo lo que quieras saber sobre el archivo Gerber está incluido en las siguientes palabras.

¿Qué es un archivo Gerber?

Un archivo Gerber, o Gerber Extended File, es un formato de archivo estándar utilizado en la industria electrónica para almacenar y comunicar planos de diseño. A menudo se utilizan para transmitir información relacionada con las especificaciones de fabricación de placas de circuito impreso. En esencia, los archivos Gerber son como los PDF de la industria de fabricación de productos electrónicos. ¿Alguna vez te has sometido a una inspección por rayos X en un hospital cuando sufriste una fractura de huesos? Puedes imaginar perfectamente un archivo Gerber como una imagen de rayos X de una PCB real. Una imagen de rayos X solo muestra cómo están organizados tus huesos, mientras que un archivo Gerber indica cómo se conducen los circuitos en una PCB.

Los caracteres del Código Estándar Americano para el Intercambio de Información (ASCII) designan la información dentro de los archivos Gerber. Dado que una computadora solo puede entender la información como conjuntos de números, el código ASCII funciona como una representación numérica de símbolos no numéricos, como la “A” o el signo @.

En el momento de su creación, los archivos Gerber utilizaban cadenas de ASCII como una forma de enviar instrucciones a una máquina llamada “fotoplotter”, que usaba dichas instrucciones para exponer una imagen en una pieza de película controlando una fuente de luz,que es uno de los pasos principales en el proceso de fabricación de PCB.

¿Cómo funciona el archivo en formato Gerber?

Fabricación de PCB y archivos Gerber

Entonces, ¿cómo se utilizan los archivos Gerber en la fabricación de PCB? En el método sustractivo de fabricación de PCB, la PCB comienza como una lámina dematerial del sustratorevestido de cobre en uno o en ambos lados. Los archivos Gerber se utilizan para proporcionar una imagen de dónde debe permanecer el cobre de la PCB al final del proceso.

A continuación, se utiliza la imagen para guiar la creación de canales que eliminen el cobre de la placa y dejen únicamente las pistas conductoras utilizadas por la PCB real. La convención estándar es usar marcas claras para las áreas sin cobre y marcas negras para las pistas de cobre reales. Pero no termina ahí. Una vez que las pistas de cobre están marcadas, capas como la máscara de soldadura y la serigrafía las cubren. El archivo Gerber también tendrá imágenes para estas otras capas, representaciones de las ubicaciones de los orificios de perforación de la placa e incluso una designación del tamaño de la placa.

Dado que los archivos Gerber contienen tanta información, las fábricas de PCB reciben hasta 9 archivos, aunque solo estén fabricando una PCB de dos capas. Algunos ejemplos incluyen:
• Las pistas de cobre de la parte superior de la placa de circuito
• Las pistas de cobre del lado inferior de la placa de circuito
• Una imagen de la máscara de soldadura para la capa superior
• Una imagen de la máscara de soldadura para la capa inferior
• Imagen serigráfica para la capa superior
• Imagen serigráfica para la capa inferior
• Las coordenadas de todos los pozos de perforación, así como sus propiedades
• Un esquema de la placa física con todas las operaciones de mecanizado marcadas, como ranurado, ranuras y recortes internos
• Un archivo README de texto simple que explique los usos de todos los archivos

Proceso posterior al diseño para archivos Gerber

Múltiples aplicaciones de software conducen adiferentes métodos para crear archivos Gerber, incluidos Cadence y Altium Designer. Después del diseño, un fotoplotter transfiere el archivo Gerber a la PCB. El fotoplotter imprime cada uno de los archivos en una pieza de película.

Cada capa de PCB y la máscara de soldadura correspondiente tienen su propia lámina, por lo que una PCB simple de dos capas necesita un mínimo de cuatro láminas de película: una para cada una de las capas de pistas superior e inferior y una para cada una de las capas correspondientes de máscara de soldadura.

Después de la impresión, el fotoplotter perfora un “orificio de registro” a través de las películas alineadas. El orificio de registro se utiliza como guía para alinear las piezas de película con las capas de cobre y sustrato, de modo que la película cubra el panel del sustrato.

Una película fotosensible que consiste en una capa de productos químicos endurecidos por luz ultravioleta cubre entonces el plano de la PCB. Conocida como “resistencia”, esta película permite al fabricante de PCB obtener una coincidencia perfecta con las imágenes del archivo Gerber.

Una vez que la resina fotosensible y la capa del sustrato se han alineado utilizando los orificios de registro anteriores, reciben una ráfaga de luz ultravioleta que pasa a través de las partes translúcidas de la película, endureciendo la resina fotosensible. Esto indica las áreas de las pistas de cobre que deben permanecer como rutas de conducción. En cambio, la tinta negra impide que la luz llegue a las áreas que no deben endurecerse para que luego puedan eliminarse.

Este proceso se repite para cada capa, incluidas las capas de máscara de soldadura y las capas de serigrafía. Cuando se trata de diseñar un archivo Gerber y transferirlo a una PCB, hay dos aspectos que los diseñadores deben tener en cuenta.

1. Problemas heredados

El formato de archivo Gerber se utilizaba originalmente para controlar fotoplotters numéricamente controlados. Las impresoras de PCB actuales se parecen mucho más a una impresora láser moderna, algo para lo que el formato de archivo Gerber no fue diseñado, lo que provoca problemas cuando los archivos se utilizan con trazadores ráster actuales para imprimir PCB:
• Los datos de taladros pueden estar ausentes porque los fotoplotters originales utilizados para la fabricación de PCB no perforaban agujeros. Los archivos de control numérico Excellon pueden utilizarse para complementar los datos Gerber, pero incluso esto es incompleto: no diferencia entre agujeros pasantes, ciegos o enterrados. Los técnicos que leen los datos tampoco tienen idea de si están correctamente desfasados o si se está utilizando la escala correcta.
• No hay una definición funcional ni una asignación de los archivos. Nada en el propio archivo Gerber le indica al técnico de CAM si se trata de un archivo de cara superior, inferior o espejado. Por eso la mayoría de los archivos Gerber actuales incluyen un README.

2. Problemas de Diseño para la Manufactura (DFM)

Los archivos Gerber no contienen ninguna forma de leer la "intención" de la PCB. Tampoco existen protecciones contra que un diseñador de PCB construya una PCB que sea difícil o incluso funcionalmente imposible de fabricar. Uno de los errores más comunes que los técnicos de PCB deben vigilar es la falta de archivos, pero otros errores incluyen:
• Colocar serigrafía sobre las almohadillas de la PCB
• Colocar características de la PCB demasiado cerca del contorno de la PCB
• Perforar los agujeros dos veces, haciéndolos innecesariamente grandes

Mientras los diseñadores y técnicos reconozcan estos y otros problemas, el formato de archivo Gerber puede y seguirá utilizándose para el diseño y la fabricación de PCB durante mucho tiempo en el futuro.

PCBCart presenta una inteligenteSistema de verificación DFMque es capaz de implementar automáticamente la verificación DFM en diseños estándar siempre que se introduzca el archivo de diseño de PCB, lo que desempeña un papel crucial en la mejora de la eficiencia y la precisión. ¡Además, la verificación DFM que ofrecemos es totalmente gratuita!

¿Cuál es la diferencia entre los formatos de archivo RS-274D y RS-274X?

Dado que los fotoplotters láser actuales tratan los archivos Gerber ASCII más como un archivo de imagen moderno, ¿por qué no cambiamos a un formato actual como PostScript? La respuesta es un poco una situación de círculo vicioso: los fotoplotters modernos usan el formato de archivo Gerber porque la mayoría del software de diseño/asistido por computadora crea archivos en ese formato, y la mayoría del software asistido por computadora crea archivos en formato Gerber porque los fotoplotters modernos lo utilizan.

Dos formatos de archivo pueden generar tipos de archivos Gerber:
• RS-274DEl más antiguo de los dos estándares de formato de archivo Gerber, RS-274D distribuye la información de una sola capa en dos archivos Gerber separados.
• RS-274XEl más reciente de los dos formatos de archivo, RS-274X permite que toda la información de una sola capa esté en un solo archivo.

¿Qué significa esto en la práctica? En comparación con los archivos RS-274X, los archivos RS-274D son mucho más propensos a errores debido al empaquetado de sus archivos de apertura. Los archivos de apertura para la fabricación de PCB vienen en una gran variedad de tipos, pero casi todos son propietarios de su software original, lo que significa que el ingeniero de fabricación asistida por computadora (CAM) a cargo debe escribirlos a mano. Debido a que los archivos Gerber contienen texto ASCII que los humanos no pueden leer fácilmente, este es un proceso largo y que consume mucho tiempo.

Por otro lado, para los ingenieros es mucho más sencillo emplear el formato de archivo RS-274X. En RS-274X, los archivos de apertura se incrustan como parte de los datos del archivo, por lo que no hay necesidad de introducirlos manualmente. Usar un RS-274X permite a un diseñador de PCB definir bloques esenciales de código, como macros, forma de las almohadillas y ancho de línea, en un solo archivo, mientras que un RS-274D requeriría que estos bloques estuvieran en un archivo separado.

El origen de RS-274X proviene de la demanda de una mayor flexibilidad para el formato Gerber. Con la llegada de los fotoplotters láser/raster, los fabricantes y diseñadores de PCB pudieron hacer que el formato Gerber fuera más flexible, de modo que se adaptara mejor a los requisitos del diseño continuo de PCB. Para alinear el formato de archivo con los avances en los fotoplotters, la EIA lanzó el formato de archivo RS-274X en 1991.

El formato de archivo RS-274X permitió al diseñador representar cualquier forma de tres maneras: como una almohadilla completa, una pista larga o en un plano o polígono. Dado que las definiciones de aperturas no necesitaban una rueda física en la fotoimagen, los fabricantes podían extraer el archivo CAD cuando fuera necesario. Las definiciones de aperturas y macros ahora se incluyen en el archivo Gerber como una salida estándar, mientras que antes eran archivos separados.

La introducción de RS-274X en 1991 lo convirtió en el formato de archivo estándar para la transferencia de datos de capas de PCB. Sin embargo, el formato de archivo RS-274D todavía es utilizado por algunos diseñadores de PCB, especialmente cuando deben diseñar o copiar estilos antiguos de PCB. En consecuencia, los ingenieros profesionales de fabricantes de PCB confiables aún pueden hacer algo para compensar las desventajas de RS-274D. Por ejemplo, cuando se enfrentan a formatos RS-274D, los ingenieros de PCBCart suelen introducir manualmente el código D para obtener un contenido completo de los archivos de diseño.

¿Cómo traducir el código ASCII para fotoplotters?

Independientemente del formato, existen cuatro tipos de instrucciones que pueden comunicarse a un fotoplotter en código ASCII de un archivo Gerber:
• Parámetros de configuración: Comenzando con símbolos % en el estándar RS-274X, este es un comando que controla varias partes del proceso de renderizado, incluida la elección de color.
• Definiciones de macro y apertura: Se utiliza para definir la forma de las diferentes piezas de la PCB. Las macros abordan geometrías especiales como logotipos, marcas de registro u otras formas complejas. Las aberturas se utilizan para determinar la forma y el grosor de las almohadillas empleadas en la mayoría de las PCBs.
• Comandos de dibujo: Viene en cuatro estilos: destellos, líneas, rellenos de polígonos y arcos.
• Información de coordenadas para cada elemento: Anotado en formato X-Y.

¿Cuáles son las ventajas y desventajas del archivo Gerber?

Al igual que cualquier otro formato de archivo existente, el formato de archivo Gerber tiene sus pros y sus contras. Los pros incluyen:
• Uno de los formatos de archivo más fáciles de crear y usar
• Uno de los formatos de archivo más comunes en uso hoy en día
• Compatible con software gratuito de visualización de archivos

Los inconvenientes incluyen:
• Requiere varios archivos, dependiendo del formato
• Todos los archivos deben examinarse antes de la fabricación

También se utilizan otros formatos de archivo. El principal competidor del formato de archivo Gerber es el formato ODB++, que tiene la ventaja de ser de un solo archivo: un único archivo ODB++ contiene todos los elementos necesarios para apilar las capas de la PCB, perforar los orificios requeridos y realizar cualquier enmascarado.

ODB++ también tiene sus propias ventajas y desventajas. Al igual que el archivo Gerber, el archivo ODB++ es común, se verifica su calidad y cuenta con una revisión DFM como parte de la rutina de fabricación. Sin embargo, uno de los factores que podría hacer que un fabricante elija ODB++ en lugar de Gerber es la facilidad de importación para el fabricante seleccionado, especialmente en comparación con la salida ASCII de Gerber.

El principal problema de ODB++ es que es más complicado que Gerber, lo que posiblemente lo hace más propenso a errores al codificar. Además, está diseñado como un formato de imagen diferente, lo que significa que algunos fabricantes que pueden usar el archivo Gerber .gbr pueden no ser capaces de usar el formato de archivo ODB++.

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Hemos descubierto que los archivos Gerber son una de las mejores opciones para la producción de PCB y esperamos que esta guía te haya sido de ayuda.Consulta nuestra lista de verificación de preventa para obtener más informaciónsobre cómo preparar un pedido, ycontáctanos para solicitar un presupuestohoy.

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En los párrafos anteriores, hemos tratado la importancia de los archivos Gerber y su uso común. Si estás interesado en aprender más sobre el formato Gerber, incluyendo el origen del nombre Gerber, el principio de funcionamiento del fotoplotter y cómo el archivo Gerber ha evolucionado hasta lo que es hoy, sigue leyendo.

Obtenga más información sobre el formato de archivo Gerber

Iluminación diferente para imágenes

Los primeros fotoplotters utilizaban una lámpara de destellos de xenón para proyectar una imagen desde una rueda de diafragmas giratoria sobre una pieza de película fotosensible o una placa de vidrio fotosensible. La lámpara de imagen se desplazaba sobre el vidrio o la película sin tocarlos, lo que producía dos tipos diferentes de iluminación según la duración y la forma en que se movía el cabezal de imagen. Los dos tipos de iluminación son:
• Dibujos, que son vectores creados mediante la iluminación continua del material fotosensible a medida que la cabeza de imagen se desplaza sobre él
• Destellos, que son gráficos singulares y simples creados en un lugar determinado al hacer brillar una luz a través de una abertura de la forma adecuada en una ubicación específica

A diferencia de aquellos primeros dispositivos alimentados por lámparas que utilizaban texto ASCII, los fotoplotters modernos escanean gráficos rasterizados o mapas de bits y luego utilizan un láser, un diodo láser o un diodo emisor de luz (LED) enfocado en múltiples puntos sobre el material fotosensible para formar la imagen en cuestión.

¿Cómo encontró Gerber a "Gerber"?

El archivo Gerber fue la creación del austríaco-estadounidense H. Joseph Gerber, quien estudió ingeniería en el Instituto Politécnico Rensselaer en Nueva York. Mientras cursaba un título en ingeniería aeronáutica, Gerber inventó una escala variable para ayudar con una tarea.

La primera escala de variables utilizó la pretina del pantalón de pijama de Gerber, que era desmontable al estilo europeo de la época. Gerber marcó una escala en la banda y la usó para ayudarlo con las tediosas tareas de medir, calcular y volver a trazar que se requerían para terminar su trabajo.

Los profesores de Gerber lo animaron a patentar la idea. Después de graduarse, constituyó la empresa Gerber Scientific Instrument Company para vender los dispositivos que diseñaba. A medida que Gerber Scientific Instruments Company crecía en éxito, Gerber viajó por todo Estados Unidos, hablando con sus clientes y aprendiendo sobre los problemas laborales a los que se enfrentaban.

Toda esta interacción con otros ingenieros despertó en Gerber un interés por el trazado. Se dio cuenta de que los trazadores analógicos actuales no eran lo suficientemente precisos para la información, lo que lo llevó a desarrollar el primer trazador digital. Durante la década de 1950, creó una mesa de coordenadas digitales X/Y, que más tarde utilizó como base para la primera máquina de dibujo digital.

¿Cómo se generó el archivo Gerber extendido y dónde funcionó inicialmente?

Durante un viaje a la sede de RCA a finales de la década de 1960, Gerber descubrió otro uso para la mesa de coordenadas X/Y que había desarrollado años antes: crear las fotografías que servirían como plano para una placa de circuito impreso. La patente del primer fotoplotter, denominado “Dispositivo de Exposición Fotográfica de Apertura Variable” en la documentación de la patente, se presentó en septiembre de 1970 y fue concedida en octubre de 1972.

El primer fotoplotter funcionaba moviendo el cabezal de la lámpara de xenón hasta la posición correcta sobre la película. Luego giraba la rueda para que la abertura adecuada quedara alineada debajo de la lámpara.

Si bien la invención del primer fotoplotter fue increíblemente crucial para la industria de las PCB, el equipo de Gerber Scientific fue igualmente esencial para el campo del diseño asistido por computadora. Dirigida por el ingeniero sénior Ron Webster y el ingeniero jefe David Logan, Gerber Scientific comenzó a desarrollar todo un sistema para la fabricación de placas de circuitos impresos. El sistema inicial incluía:
• Algunas funciones de CAD
• Sistemas de inspección óptica automatizada
• Capacidades de redes

El formato de archivo propietario (.gbr) de Gerber Scientific se derivó de un formato de archivo ya existente, RS-274D, del cual posteriormente pasó a formar parte. En 1980, la Electronic Industries Association (EIA) aprobó RS-274D y lo utilizó para controlar máquinas de trazado de control numérico, incluidas aquellas fabricadas por Gerber Scientific.

¿Cómo se utilizan hoy en día los archivos Gerber?

Con la introducción de RS-274D como formato de archivo estandarizado en 1980, el CAD como sistema se volvió más frecuente y comenzó a reemplazar los planos trazados a mano a escala dos a uno que se utilizaban anteriormente. Con la ayuda del software CAD, se podía utilizar un fotoplotter para generar los planos fotográficos al enviar directamente los datos de control al propio trazador.

Para cuando RS-274D se convirtió en un estándar, otros fabricantes de fotoplotters ya habían comenzado a entrar en el mercado. Sin embargo, la variante Gerber del formato RS-274D se volvió superior porque Gerber publicó las especificaciones completas del formato cuando salió en 1980.

El formato de archivo RS-274D tiene una limitación importante a la hora de transferir las diferentes imágenes de capas para PCB. El espacio disponible en la rueda de aperturas limitaba el tamaño, la forma y el número de aperturas que un RS-274D podía usar al mismo tiempo.

Si bien esto podía funcionar para diseños que usan componentes convencionales de orificio pasante, el uso de una rueda de diafragmas significaba que el trazador no podía manejar los componentes más nuevos de montaje en superficie. Estos nuevos sistemas utilizaban varios tipos de almohadillas rectangulares de distintos tamaños, que eran difíciles de dibujar para los fotoplotters.

Encontrar las mejores aplicaciones para el formato

Con el formato RS-274D, la única opción del ingeniero de CAD era usar una serie de trazos para hacer líneas diminutas, “pintando” sobre las almohadillas. De manera similar, el trazador podía dibujar capas de plano simples en negativo: los orificios usados para el despeje en el plano eran negros para el trazado, y el fabricante invertía la polaridad a blanco usando el sistema CAM de front-end o la impresión por contacto.

Sin embargo, esto no funcionaba para capas de planos mixtos o planos de capas de señal; en su lugar, esas capas tenían que rellenarse utilizando trazos como pads. Este proceso podía llevar más de un día para una imagen grande.

El largo proceso de elaboración de planos del RS-274D representaba un problema, por lo que se diseñó un nuevo fotoplotter junto con un nuevo formato de archivo. El resultado fue el fotoplotter ráster, que utilizaba una luz, como un diodo láser o un LED, para escanear la película en un patrón continuo. Los láseres de los trazadores ráster recibían una serie de comandos de encendido/apagado para construir secuencialmente la imagen del plano de la PCB.

Al utilizar píxeles rasterizados, los fabricantes podían crear cualquier forma de placa de circuito impreso. Hoy en día, el fotoplotter raster se ha convertido en la herramienta estándar para la creación de imágenes para PCB. Los fotoplotters actuales utilizan más de 40 haces, todos conmutados de forma independiente y funcionando simultáneamente. Esto permite a los diseñadores de PCB trazar sus planos con resoluciones de hasta 50.000 puntos por pulgada o más.

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