Une introduction aux fichiers Gerber étendus

Vous êtes-vous déjà penché sur un circuit imprimé en vous demandant ce qu’il faut exactement pour en fabriquer un ? Dans cet article, nous expliquons les fichiers Gerber et Gerber étendus, les plans d’un circuit imprimé, en répondant à une série de questions qui les concernent principalement. Nous pensons que tout ce que vous souhaitez savoir sur le fichier Gerber est abordé dans les mots qui suivent.

Qu’est-ce qu’un fichier Gerber ?

Un fichier Gerber, ou fichier Gerber étendu, est un format de fichier standard utilisé dans l’industrie électronique pour stocker et communiquer des plans de conception. Ils sont souvent utilisés pour transmettre des informations concernant les spécifications de fabrication des circuits imprimés. Au fond, les fichiers Gerber sont comme des PDF pour l’industrie de la fabrication électronique. Avez-vous déjà passé un examen aux rayons X à l’hôpital lorsque vous avez souffert d’une fracture osseuse ? Vous pouvez tout à fait imaginer un fichier Gerber comme une image radiographique d’un véritable circuit imprimé (PCB). Une image radiographique montre simplement comment vos os sont organisés, tandis qu’un fichier Gerber indique comment les circuits sont tracés dans un PCB.

Les caractères du code américain normalisé pour l’échange d’informations (ASCII) désignent les informations à l’intérieur des fichiers Gerber. Comme un ordinateur ne peut comprendre les informations que sous forme d’ensembles de nombres, le code ASCII fonctionne comme une représentation numérique de symboles non numériques, tels que « A » ou le signe @.

Au moment de leur création, les fichiers Gerber utilisaient des chaînes ASCII comme moyen de transmettre des instructions à une machine appelée « photoplotter », qui utilisait ces instructions pour exposer une image sur une pellicule en contrôlant une source lumineuse,qui est l’une des étapes principales du processus de fabrication de circuits imprimés.

Comment fonctionne le fichier au format Gerber ?

Fabrication de PCB et fichiers Gerber

Alors, comment les fichiers Gerber sont-ils utilisés dans la fabrication de circuits imprimés (PCB) ? Dans la méthode soustractive de fabrication de PCB, le PCB commence comme une feuille dematériau de substratenveloppé de cuivre sur un ou deux côtés. Les fichiers Gerber sont utilisés pour fournir une image indiquant où le cuivre du PCB doit rester à la fin du processus.

L’image est ensuite utilisée pour guider la création de canaux permettant de retirer le cuivre de la carte afin de ne laisser que les pistes conductrices utilisées par le circuit imprimé proprement dit. La convention standard consiste à utiliser des marquages clairs pour les zones sans cuivre et des marquages noirs pour les véritables pistes de cuivre. Mais cela ne s’arrête pas là. Une fois les pistes de cuivre définies, des couches comme le vernis épargne et la sérigraphie les recouvrent. Le fichier Gerber contiendra également des images pour ces autres couches, des représentations de l’emplacement des trous de perçage de la carte et même une indication de la taille de la carte.

Étant donné que les fichiers Gerber contiennent autant d’informations, les fabricants de circuits imprimés reçoivent jusqu’à 9 fichiers – alors qu’ils ne fabriquent qu’un circuit imprimé à deux couches. Exemples :
• Les pistes en cuivre pour le dessus du circuit imprimé
• Les pistes en cuivre pour la face inférieure du circuit imprimé
• Une image du vernis épargne pour la couche supérieure
• Une image du vernis épargne pour la couche inférieure
• Imagerie en sérigraphie pour la couche supérieure
• Imagerie en sérigraphie pour la couche inférieure
• Les coordonnées de tous les trous de forage, ainsi que leurs propriétés
• Un schéma de la carte physique avec toutes les opérations d’usinage indiquées, telles que le rainurage, les fentes et les découpes internes
• Un simple fichier README texte expliquant l’utilisation de tous les fichiers

Processus post-conception pour les fichiers Gerber

Plusieurs applications logicielles conduisent àdifférentes méthodes pour créer des fichiers Gerber, y compris Cadence et Altium Designer. Après la conception, un photoplotter transfère le Gerber vers le PCB. Le photoplotter imprime chacun des fichiers sur un morceau de film.

Chaque couche de PCB et le masque de soudure qui l’accompagne disposent de leur propre film, de sorte qu’un simple PCB à deux couches nécessite un minimum de quatre films : un pour chaque couche de pistes supérieure et inférieure, et un pour chacune des couches de masque de soudure correspondantes.

Après l’impression, le phototraceur perce un « trou de repérage » à travers les films alignés. Le trou de repérage est utilisé comme guide pour aligner les morceaux de film sur les couches de cuivre et de substrat, de sorte que le film recouvre le panneau de substrat.

Un film photosensible constitué d’une couche de produits chimiques durcis aux ultraviolets recouvre ensuite le plan du circuit imprimé. Appelé « résine photosensible » (ou « résist »), ce film permet au fabricant de circuits imprimés d’obtenir une correspondance parfaite avec les images du fichier Gerber.

Une fois que la résine photosensible et la couche de substrat ont été alignées à l’aide des trous de repérage utilisés précédemment, elles reçoivent un faisceau de lumière ultraviolette qui traverse les parties translucides du film, durcissant la résine photosensible. Cela indique les zones de pistes en cuivre qui sont censées rester comme voies de conduction. En revanche, l’encre noire empêche toute lumière d’atteindre les zones qui ne doivent pas durcir afin qu’elles puissent être retirées ultérieurement.

Ce processus se répète pour chaque couche, y compris les couches de vernis épargne et les couches de sérigraphie. Lorsqu’il s’agit de concevoir un fichier Gerber et de le transférer sur un circuit imprimé, il y a deux éléments que les concepteurs doivent prendre en compte.

1. Problèmes hérités

Le format de fichier Gerber était à l’origine utilisé pour piloter des phototraceurs à commande numérique. Les imprimantes de circuits imprimés actuelles sont bien plus proches d’une imprimante laser moderne, ce pour quoi le format de fichier Gerber n’a pas été conçu, ce qui provoque des problèmes lorsque les fichiers sont utilisés avec les traceurs raster actuels pour imprimer des circuits imprimés :
• Les données de perçage peuvent être absentes parce que les photoplotters d’origine utilisés pour la fabrication des circuits imprimés ne perçaient pas de trous. Des fichiers de commande numérique Excellon peuvent être utilisés pour compléter les données Gerber, mais même ceux-ci sont incomplets : ils ne font pas la distinction entre trous traversants, borgnes ou enterrés. Les techniciens qui lisent les données ne savent pas non plus si elles sont correctement décalées ni si l’échelle utilisée est la bonne.
• Aucune définition fonctionnelle ni correspondance des fichiers. Rien dans le fichier Gerber lui-même n’indique au technicien CAM s’il s’agit d’un fichier supérieur, inférieur ou miroir. C’est pourquoi la plupart des fichiers Gerber actuels incluent un fichier README.

2. Problèmes de conception pour la fabrication (DFM)

Les fichiers Gerber ne permettent pas de lire « l’intention » du circuit imprimé. Il n’existe pas non plus de protections empêchant un concepteur de circuits imprimés de réaliser un circuit difficile, voire fonctionnellement impossible à fabriquer. L’une des erreurs les plus courantes auxquelles les techniciens en circuits imprimés doivent faire attention est l’absence de fichiers, mais d’autres erreurs incluent :
• Mettre la sérigraphie sur les pastilles du PCB
• Placer des éléments du circuit imprimé trop près du contour du PCB
• Percer les trous deux fois, les rendant inutilement grands

Tant que les concepteurs et les techniciens reconnaissent ces problèmes et d’autres encore, le format de fichier Gerber peut et sera utilisé pour la conception et la fabrication de circuits imprimés bien loin dans le futur.

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Quelle est la différence entre les formats de fichier RS-274D et RS-274X ?

Puisque les phototraceurs laser actuels traitent les fichiers Gerber ASCII un peu comme un fichier image moderne, pourquoi ne pas passer à un format actuel comme PostScript ? La réponse est un peu un cercle vicieux : les phototraceurs modernes utilisent le format de fichier Gerber parce que la plupart des logiciels de conception/CAO créent des fichiers dans ce format, et la plupart des logiciels assistés par ordinateur créent des fichiers au format Gerber parce que les phototraceurs modernes l’utilisent.

Deux formats de fichier peuvent générer des types de fichiers Gerber :
• RS-274D: La plus ancienne des deux normes de format de fichier Gerber, RS-274D répartit les informations d’une seule couche sur deux fichiers Gerber distincts.
• RS-274X: Le plus récent des deux formats de fichier, le RS-274X permet de regrouper toutes les informations d’une seule couche dans un seul fichier.

Qu’est-ce que cela signifie en pratique ? Par rapport aux fichiers RS-274X, les fichiers RS-274D sont beaucoup plus sujets aux erreurs en raison de la manière dont leurs fichiers d’ouverture sont empaquetés. Les fichiers d’ouverture pour la fabrication de circuits imprimés existent dans une grande variété de types, mais presque tous sont propriétaires à leur logiciel d’origine, ce qui signifie que l’ingénieur en fabrication assistée par ordinateur (CAM) responsable doit les saisir à la main. Comme les fichiers Gerber contiennent du texte ASCII que les humains ne peuvent pas facilement lire, il s’agit d’un processus long et chronophage.

D’un autre côté, il est beaucoup plus simple pour les ingénieurs d’utiliser le format de fichier RS-274X. Dans RS-274X, les fichiers d’ouverture sont intégrés dans les données du fichier, il n’y a donc pas besoin de saisie manuelle. L’utilisation d’un RS-274X permet à un concepteur de PCB de définir des blocs de code essentiels, tels que les macros, la forme des pastilles et la largeur de ligne, dans un seul fichier, tandis qu’un RS-274D exigerait que ces blocs soient dans un fichier séparé.

La genèse du RS-274X découle de la demande d’une plus grande flexibilité pour le format Gerber. Avec l’avènement des phototraceurs laser/raster, les fabricants et concepteurs de circuits imprimés ont pu rendre le format Gerber plus flexible, afin qu’il réponde mieux aux exigences de l’évolution continue de la conception de circuits imprimés. Pour aligner le format de fichier sur les avancées des phototraceurs, l’EIA a lancé le format de fichier RS-274X en 1991.

Le format de fichier RS-274X permettait au concepteur d’imager n’importe quelle forme de trois manières : sous forme de pastille pleine, de piste longue ou sur un plan ou un polygone. Comme les définitions d’ouvertures n’avaient pas besoin d’une roue physique sur le photo-imageur, les fabricants pouvaient récupérer le fichier CAO lorsque cela était nécessaire. Les définitions d’ouvertures et de macros sont désormais incluses dans le fichier Gerber comme sortie standard, alors qu’elles constituaient auparavant des fichiers séparés.

L’introduction du RS-274X en 1991 en a fait le format de fichier standard pour le transfert des données de couches de circuits imprimés (PCB). Cependant, le format de fichier RS-274D est encore utilisé par certains concepteurs de PCB, en particulier lorsqu’ils doivent concevoir ou reproduire d’anciens types de PCB. En conséquence, des ingénieurs professionnels issus de fabricants de PCB fiables sont encore en mesure de faire quelque chose pour compenser les inconvénients du RS-274D. Par exemple, lorsqu’ils sont confrontés à des formats RS-274D, les ingénieurs de PCBCart saisissent généralement manuellement le D-Code afin d’obtenir un contenu complet des fichiers de conception.

Comment traduire le code ASCII pour les phototraceurs ?

Il existe quatre types d’instructions qui peuvent être communiquées à un photoplotter dans le code ASCII d’un fichier Gerber, quel que soit le format :
• Paramètres de configuration: Commençant par des symboles % dans la norme RS-274X, il s’agit d’une commande qui contrôle diverses parties du processus de rendu, y compris le choix des couleurs.
• Définitions de macros et d’ouvertures: Utilisé pour définir la forme des différentes parties du PCB. Les macros traitent des géométries spéciales telles que les logos, les repères d’alignement ou d’autres formes complexes. Les ouvertures sont utilisées pour déterminer la forme et l’épaisseur des pastilles utilisées sur la plupart des PCB.
• Commandes de dessin: Disponible en quatre styles : éclairs, lignes, remplissages de polygones et arcs.
• Informations de coordonnées pour chaque entité: Noté au format X-Y.

Quels sont les avantages et les inconvénients du fichier Gerber ?

Tout comme pour tout autre format de fichier existant, le format de fichier Gerber a ses avantages et ses inconvénients. Les avantages incluent :
• L’un des formats de fichier les plus faciles à créer et à utiliser
• L’un des formats de fichier les plus courants utilisés aujourd’hui
• Pris en charge par un logiciel gratuit de visualisation de fichiers

Les inconvénients incluent :
• Nécessite plusieurs fichiers, selon le format
• Tous les fichiers doivent être examinés avant la fabrication

Il existe également d’autres formats de fichiers utilisés. Le principal concurrent du format de fichier Gerber est le format ODB++, qui présente l’avantage d’être un fichier unique : un seul fichier ODB++ contient tous les éléments nécessaires pour empiler les couches du PCB, percer les trous requis et effectuer tout masquage.

ODB++ a aussi ses propres avantages et inconvénients. Comme le fichier Gerber, le fichier ODB++ est courant, contrôlé pour la qualité et inclut une vérification DFM dans le cadre de la procédure de fabrication. Cependant, l’un des éléments qui peut amener un fabricant à choisir ODB++ plutôt que Gerber est la facilité d’importation chez le fabricant choisi, en particulier si on la compare à la sortie ASCII de Gerber.

Le principal problème avec ODB++, c’est qu’il est plus complexe que Gerber, ce qui le rend potentiellement plus sujet aux erreurs lors de l’encodage. De plus, il est conçu comme un format d’image différent, ce qui signifie que certains fabricants capables d’utiliser le fichier Gerber .gbr peuvent ne pas être en mesure d’utiliser le format de fichier ODB++.

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Nous avons constaté que les fichiers Gerber sont l’une des meilleures options pour la fabrication de circuits imprimés et nous espérons que ce guide vous a été utile !Consultez notre liste de contrôle de précommande pour plus d’informationssur la manière de préparer une commande,contactez-nous pour un devisaujourd’hui.

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Dans les paragraphes précédents, nous avons abordé l’importance des fichiers Gerber et leurs usages courants. Si vous souhaitez en savoir plus sur le format Gerber, notamment l’origine du nom Gerber, le principe de fonctionnement du photoplotter et la manière dont le fichier Gerber a évolué pour devenir ce qu’il est aujourd’hui, veuillez poursuivre votre lecture.

En savoir plus sur le format de fichier Gerber

Éclairage différent pour les images

Les premiers phototraceurs utilisaient une lampe flash au xénon pour projeter une image depuis une roue d’ouverture rotative sur un film photosensible ou une plaque de verre photosensible. La lampe d’imagerie se déplaçait au-dessus du verre ou du film sans les toucher, ce qui produisait deux types d’illumination différents en fonction de la durée et du mouvement de la tête d’imagerie. Les deux types d’illumination sont :
• Tracés, qui sont des vecteurs créés par l’illumination continue du matériau photosensible au fur et à mesure que la tête d’imagerie se déplace dessus
• Flashs, qui sont des graphiques singuliers et simples créés en un seul endroit en faisant passer une lumière à travers une ouverture de forme appropriée à un emplacement spécifique

Contrairement à ces premiers dispositifs alimentés par lampe utilisant du texte ASCII, les phototraceurs modernes balayent des graphiques ou des bitmaps rastérisés, puis utilisent un laser, une diode laser ou une diode électroluminescente (LED) focalisée en plusieurs points sur le matériau photosensible pour former l’image en question.

Comment Gerber a-t-il trouvé « Gerber » ?

Le fichier Gerber était l’idée originale de l’Autrichien-Américain H. Joseph Gerber, qui a étudié l’ingénierie au Rensselaer Polytechnic Institute à New York. Alors qu’il préparait un diplôme en génie aéronautique, Gerber a inventé une échelle variable pour l’aider dans un devoir.

La première échelle de mesure utilisait la ceinture du pantalon de pyjama de Gerber, qui était amovible, à la manière européenne de l’époque. Gerber traça une échelle sur la ceinture et l’utilisa pour l’aider dans les fastidieuses opérations de mesure, de calcul et de report nécessaires pour terminer son devoir.

Les professeurs de Gerber l’encouragèrent à faire breveter son idée. Après l’obtention de son diplôme, il fonda la Gerber Scientific Instrument Company pour vendre les appareils qu’il avait conçus. À mesure que la Gerber Scientific Instruments Company gagnait en succès, Gerber parcourait les États-Unis, discutant avec ses clients et apprenant les problèmes qu’ils rencontraient dans leur travail quotidien.

Toutes ces interactions avec d’autres ingénieurs ont éveillé chez Gerber un intérêt pour le traçage. Il s’est rendu compte que les traceurs analogiques de l’époque n’étaient pas assez précis pour les informations à représenter, ce qui l’a conduit à développer le premier traceur numérique. Au cours des années 1950, il a créé une table de coordonnées numériques X/Y, qu’il a ensuite utilisée comme base pour la première machine de dessin numérique.

Comment le fichier étendu Gerber a-t-il été généré et où a-t-il initialement fonctionné ?

Lors d’un voyage au siège de RCA à la fin des années 1960, Gerber découvrit une autre utilisation de la table de coordonnées X/Y qu’il avait développée quelques années plus tôt : créer les photographies qui serviraient de plan pour un circuit imprimé. Le brevet du premier photoplotter, baptisé « Dispositif d’exposition photographique à ouverture variable » dans la documentation du brevet, fut déposé en septembre 1970 et accordé en octobre 1972.

Le premier photocomposeur fonctionnait en déplaçant la tête de lampe au xénon jusqu’à l’endroit approprié au-dessus du film. Il faisait ensuite tourner la roue afin que l’ouverture correcte soit alignée sous la lampe.

Bien que l’invention du premier phototraceur ait été incroyablement cruciale pour l’industrie des circuits imprimés, l’équipe de Gerber Scientific a été tout aussi essentielle dans le domaine de la conception assistée par ordinateur. Sous la direction de l’ingénieur principal Ron Webster et de l’ingénieur en chef David Logan, Gerber Scientific a commencé à développer un système complet de fabrication de circuits imprimés. Le système initial comprenait :
• Certaines fonctionnalités de CAO
• Systèmes d’inspection optique automatisée
• Capacités de mise en réseau

Le format de fichier propriétaire (.gbr) de Gerber Scientific est dérivé d’un format de fichier déjà existant, le RS-274D, dont il est ensuite devenu une partie. En 1980, l’Electronic Industries Association (EIA) a approuvé le RS-274D et l’a utilisé pour piloter des traceurs à commande numérique, y compris ceux fabriqués par Gerber Scientific.

Comment les fichiers Gerber sont-ils utilisés aujourd’hui ?

Avec l’introduction du RS-274D comme format de fichier standardisé en 1980, la CAO en tant que système est devenue plus répandue et a commencé à remplacer les plans tracés à la main au rapport deux pour un qui étaient auparavant utilisés. Assisté par un logiciel de CAO, un phototraceur pouvait être utilisé pour générer les plans photographiques en envoyant directement les données de commande au traceur lui-même.

Au moment où la norme RS-274D a été établie, d’autres fabricants de phototraceurs avaient commencé à entrer sur le marché. Cependant, la variante Gerber du format RS-274D s’est imposée, car Gerber a publié les spécifications complètes du format lors de sa sortie en 1980.

Le format de fichier RS-274D présente une limitation majeure lorsqu’il s’agit de transférer les différentes images de couches pour les circuits imprimés. L’espace disponible sur la roue d’ouvertures limitait la taille, la forme et le nombre d’ouvertures qu’un RS-274D pouvait utiliser simultanément.

Bien que cela puisse fonctionner pour des conceptions utilisant des composants traversants classiques, l’utilisation d’une roue d’ouverture faisait que le traceur ne pouvait pas gérer les nouveaux composants montés en surface. Ces nouveaux systèmes utilisaient plusieurs types de pastilles rectangulaires de différentes tailles, qu’il était difficile pour les phototraceurs de dessiner.

Trouver les meilleures applications pour le format

Avec le format RS-274D, la seule option de l’ingénieur CAO était d’utiliser une série de tracés pour réaliser de petites lignes, en « peignant » sur les pastilles. De même, le traceur pouvait dessiner des couches de plan simples en négatif — les trous utilisés pour les dégagements dans le plan étaient noirs pour le tracé, et le fabricant inversait ensuite la polarité en blanc à l’aide du système CAM frontal ou de l’impression par contact.

Cependant, cela ne fonctionnait pas pour les couches de plans mixtes ou les plans de couches de signal ; à la place, ces couches devaient être remplies en utilisant des tracés comme des pastilles. Ce processus pouvait prendre plus d’une journée pour une grande image.

Le long processus d’élaboration de plans du RS-274D posait problème, c’est pourquoi un nouveau phototraceur a été conçu en même temps qu’un nouveau format de fichier. Il en est résulté le phototraceur raster, qui utilisait une source lumineuse, comme une diode laser ou une LED, pour balayer le film selon un motif continu. Les lasers des traceurs raster recevaient une série de commandes marche/arrêt afin de construire séquentiellement l’image du plan du circuit imprimé.

En utilisant des pixels rasterisés, les fabricants pouvaient réaliser n’importe quelle forme de circuit imprimé. Aujourd’hui, le phototraceur raster est devenu l’outil standard pour la création d’images destinées aux PCB. Les phototraceurs actuels utilisent plus de 40 faisceaux, tous commandés indépendamment et fonctionnant simultanément. Cela permet aux concepteurs de PCB de tracer leurs plans à des résolutions pouvant atteindre 50 000 points par pouce ou plus.

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