Un'introduzione ai file Gerber estesi

Ti è mai capitato di guardare un circuito stampato e chiederti cosa serva esattamente per realizzarlo? In questo articolo spieghiamo i file Gerber e Gerber Extended, i progetti di un circuito stampato, rispondendo a una serie di domande che li riguardano principalmente. Crediamo che tutto ciò che vuoi sapere sui file Gerber sia stato trattato nelle parole che seguono.

Che cos'è un file Gerber?

Un file Gerber, o Gerber Extended File, è un formato di file standard utilizzato nell’industria elettronica per memorizzare e comunicare progetti di design. Viene spesso usato per trasmettere informazioni riguardanti le specifiche di produzione dei circuiti stampati. In sostanza, i file Gerber sono come i PDF per l’industria della produzione elettronica. Hai mai fatto un esame ai raggi X in ospedale quando hai subito una frattura ossea? Puoi immaginare perfettamente un file Gerber come un’immagine ai raggi X di un vero PCB. Un’immagine ai raggi X mostra semplicemente come sono organizzate le tue ossa, mentre un file Gerber indica come sono instradati i circuiti in un PCB.

I caratteri ASCII (American Standard Code for Information Interchange) designano le informazioni all'interno dei file Gerber. Poiché un computer può comprendere le informazioni solo come insiemi di numeri, il codice ASCII funziona come una rappresentazione numerica di simboli non numerici, come "A" o il simbolo @.

Al momento della sua creazione, i file Gerber utilizzavano stringhe ASCII come modo per richiamare istruzioni a una macchina chiamata "fotoplotter", che usava tali istruzioni per esporre un'immagine su un pezzo di pellicola controllando una sorgente luminosa,che è una delle fasi principali nel processo di produzione di PCB.

Come funziona il file in formato Gerber?

Produzione di PCB e file Gerber

Quindi come vengono utilizzati i file Gerber nella produzione di PCB? Nel metodo sottrattivo di produzione dei PCB, il PCB inizia come un foglio dimateriale del substratoracchiuso nel rame su uno o entrambi i lati. I file Gerber vengono utilizzati per fornire un’immagine di dove il rame del PCB deve rimanere alla fine del processo.

L'immagine viene quindi utilizzata per guidare la creazione di canali per rimuovere il rame dalla scheda, in modo da lasciare solo le piste conduttive utilizzate dal PCB vero e proprio. La convenzione standard è usare marcature chiare per le aree senza rame e marcature nere per le effettive piste di rame. Ma non finisce qui. Una volta che le piste di rame sono state definite, vengono coperte da strati come la solder mask e la serigrafia. Il file Gerber conterrà anche immagini per questi altri strati, rappresentazioni delle posizioni dei fori di foratura della scheda e persino un'indicazione delle dimensioni della scheda.

Poiché i file Gerber contengono così tante informazioni, i produttori di PCB ricevono fino a 9 file, anche se stanno realizzando solo un PCB a due strati. Esempi includono:
• Le piste di rame per la parte superiore del circuito stampato
• Le piste di rame sul lato inferiore del circuito stampato
• Un'immagine della maschera di saldatura per lo strato superiore
• Un'immagine della solder mask per lo strato inferiore
• Serigrafia per lo strato superiore
• Imaging serigrafico per lo strato inferiore
• Le coordinate di tutti i fori di perforazione, così come le loro proprietà
• Un profilo della scheda fisica con tutte le operazioni di lavorazione indicate, come incisioni, asole e ritagli interni
• Un semplice file README di testo che spiega l'uso di tutti i file

Processo post-progettazione per file Gerber

Più applicazioni software portano adiversi metodi per creare file Gerber, inclusi Cadence e Altium Designer. Dopo la progettazione, un fotoplotter trasferisce il file Gerber sul PCB. Il fotoplotter stampa ciascuno dei file su un singolo foglio di pellicola.

Ogni strato del PCB e la relativa maschera di saldatura hanno il proprio foglio, quindi un semplice PCB a due strati richiede un minimo di quattro fogli di pellicola: uno per ciascuno degli strati di piste superiore e inferiore e uno per ciascuno dei relativi strati di maschera di saldatura.

Dopo la stampa, il fotoplotter pratica un “foro di registrazione” attraverso i film allineati. Il foro di registrazione viene utilizzato come guida per allineare i pezzi di pellicola sugli strati di rame e di substrato, in modo che la pellicola copra il pannello di substrato.

Una pellicola fotosensibile costituita da uno strato di sostanze chimiche indurite ai raggi ultravioletti ricopre quindi il progetto del PCB. Conosciuta come “resist”, questa pellicola consente al produttore di PCB di ottenere una corrispondenza perfetta con le immagini presenti nel file Gerber.

Una volta che il resist e lo strato di substrato sono stati allineati utilizzando i fori di registrazione precedenti, ricevono un’esposizione a luce ultravioletta che passa attraverso le parti traslucide del film, indurendo il fotoresist. Questo indica le aree delle piste di rame che devono rimanere come percorsi. Al contrario, l’inchiostro nero impedisce a qualsiasi luce di raggiungere le aree che non devono indurirsi, in modo che possano essere rimosse in seguito.

Questo processo si ripete per ogni strato, inclusi gli strati della solder mask e gli strati della serigrafia. Quando si tratta di progettare un file Gerber e trasferirlo su un PCB, ci sono due aspetti che i progettisti devono prendere in considerazione.

1. Problemi ereditati

Il formato di file Gerber era originariamente utilizzato per pilotare fotoplotter a controllo numerico. Le attuali stampanti per PCB sono molto più simili a una moderna stampante laser, qualcosa per cui il formato di file Gerber non è stato progettato, il che causa problemi quando i file vengono utilizzati con gli attuali plotter raster per stampare PCB:
• I dati dei fori possono essere assenti perché i fotoplotter originali utilizzati per la produzione dei PCB non eseguivano la foratura. I file di controllo numerico Excellon possono essere utilizzati per integrare i dati Gerber, ma anche questi sono incompleti: non distinguono tra fori passanti, ciechi o interrati. I tecnici che leggono i dati inoltre non hanno modo di sapere se sono correttamente allineati o se stanno usando la scala corretta.
• Nessuna definizione funzionale o mappatura dei file. Nulla nel file Gerber stesso indica al tecnico CAM se si tratta di un file top, bottom o specchiato. Per questo motivo la maggior parte dei file Gerber attuali include un README.

2. Problemi di progettazione per la produzione (DFM)

I file Gerber non contengono alcun modo per leggere le “intenzioni” del PCB. Inoltre, non esistono protezioni che impediscano a un progettista di PCB di realizzare un PCB difficile o persino funzionalmente impossibile da produrre. Uno degli errori più comuni a cui i tecnici PCB devono prestare attenzione è la mancanza di file, ma altri errori includono:
• Applicare la serigrafia sui pad del PCB
• Posizionare le caratteristiche del PCB troppo vicino al contorno del PCB
• Forare i fori due volte, rendendoli inutilmente grandi

Finché i progettisti e i tecnici riconosceranno questi e altri problemi, il formato di file Gerber potrà e sarà utilizzato per la progettazione e la produzione di PCB ancora per molto tempo in futuro.

PCBCart presenta una intelligenteSistema di controllo DFMche è in grado di eseguire automaticamente il controllo DFM su progetti standard non appena viene inserito il file di progettazione PCB, il che svolge un ruolo cruciale nel miglioramento dell’efficienza e dell’accuratezza. Inoltre, il controllo DFM che offriamo è completamente gratuito!

Qual è la differenza tra i formati di file RS-274D e RS-274X?

Dal momento che i fotoplotter laser odierni trattano i file Gerber ASCII più come un moderno file di immagine, perché non passiamo a un formato attuale come PostScript? La risposta è un po’ un cane che si morde la coda: i fotoplotter moderni usano il formato di file Gerber perché la maggior parte dei software di progettazione/disegno assistiti dal computer crea file in quel formato, e la maggior parte dei software assistiti dal computer crea file nel formato Gerber perché i fotoplotter moderni lo utilizzano.

Due formati di file possono generare tipi di file Gerber:
• RS-274DLo standard più vecchio tra i due formati di file Gerber, RS-274D distribuisce le informazioni per un singolo strato su due file Gerber separati.
• RS-274X: Il più recente dei due formati di file, RS-274X consente di includere tutte le informazioni per un singolo strato in un unico file.

Cosa significa questo in pratica? Rispetto ai file RS-274X, i file RS-274D sono molto più soggetti a errori a causa del modo in cui vengono confezionati i loro file di apertura. I file di apertura per la produzione di PCB esistono in un’ampia varietà di tipi, ma quasi tutti sono proprietari del loro software originale, il che significa che l’ingegnere di produzione assistita dal computer (CAM) responsabile deve digitarli a mano. Poiché i file Gerber contengono testo ASCII che gli esseri umani non possono leggere facilmente, questo è un processo lungo e che richiede molto tempo.

D'altra parte, per gli ingegneri è molto più semplice utilizzare il formato di file RS-274X. In RS-274X, i file di apertura sono incorporati come parte dei dati del file, quindi non è necessario alcun inserimento manuale. L'uso di un RS-274X consente a un progettista PCB di definire blocchi di codice essenziali, come macro, forma dei pad e larghezza delle linee, in un unico file, mentre un RS-274D richiederebbe che questi blocchi fossero in un file separato.

La genesi di RS-274X deriva dalla richiesta di una maggiore flessibilità per il formato Gerber. Con l’avvento dei fotoplotter laser/raster, i produttori e i progettisti di PCB hanno potuto rendere il formato Gerber più flessibile, in modo che potesse adattarsi meglio alle esigenze del continuo sviluppo della progettazione di PCB. Per allineare il formato di file ai progressi nei fotoplotter, l’EIA ha introdotto il formato di file RS-274X nel 1991.

Il formato di file RS-274X ha consentito al progettista di rappresentare qualsiasi forma in uno di tre modi: come piazzola piena, come pista lunga o su un piano o poligono. Poiché le definizioni delle aperture non richiedevano una ruota fisica sull’immagine fotografica, i produttori potevano richiamare il file CAD quando necessario. Le definizioni di aperture e macro sono ora incluse nel file Gerber come output standard, mentre in precedenza erano file separati.

L’introduzione dell’RS-274X nel 1991 lo ha reso il formato di file standard per il trasferimento dei dati degli strati PCB. Tuttavia, il formato di file RS-274D è ancora utilizzato da alcuni progettisti di PCB, soprattutto quando devono progettare o copiare stili più vecchi di PCB. Di conseguenza, gli ingegneri professionisti di produttori di PCB affidabili sono ancora in grado di fare qualcosa per compensare gli svantaggi dell’RS-274D. Ad esempio, quando si trovano di fronte a formati RS-274D, gli ingegneri di PCBCart di solito inseriscono manualmente il D-Code per ottenere un contenuto completo dei file di progettazione.

Come tradurre il codice ASCII per i fotoplotter?

Indipendentemente dal formato, esistono quattro tipi di istruzioni che possono essere comunicate a un fotoplotter nel codice ASCII di un file Gerber:
• Parametri di configurazione: A partire dai simboli % nello standard RS-274X, questo è un comando che controlla varie parti del processo di rendering, inclusa la scelta del colore.
• Definizioni di macro e apertura: Utilizzato per definire la forma dei diversi elementi del PCB. Le macro riguardano geometrie speciali come loghi, marche di registrazione o altre forme complesse. Le aperture vengono utilizzate per determinare la forma e lo spessore dei pad usati sulla maggior parte dei PCB.
• Comandi di disegno: Disponibile in quattro stili: flash, linee, riempimenti poligonali e archi.
• Informazioni sulle coordinate per ciascuna funzionalità: Notato nel formato X-Y.

Quali sono i pro e i contro del file Gerber?

Proprio come qualsiasi altro formato di file esistente, il formato di file Gerber ha i suoi pro e contro. I vantaggi includono:
• Uno dei formati di file più facili da creare e utilizzare
• Uno dei formati di file più comuni in uso oggi
• Supportato da software gratuito per la visualizzazione di file

Gli svantaggi includono:
• Richiede più file, a seconda del formato
• Tutti i file devono essere esaminati prima della fabbricazione

Esistono anche altri formati di file in uso. Il principale concorrente del formato di file Gerber è il formato ODB++, che ha il vantaggio di essere costituito da un unico file: un singolo file ODB++ contiene tutti gli elementi necessari per impilare gli strati del PCB, praticare i fori richiesti ed eseguire qualsiasi mascheratura.

ODB++ ha anch’esso i suoi pro e contro. Come il file Gerber, il file ODB++ è comune, viene controllato per la qualità e include un controllo DFM come parte della procedura di fabbricazione. Tuttavia, uno degli aspetti che potrebbe spingere un produttore a scegliere ODB++ invece di Gerber è la facilità di importazione presso il fabbricante scelto, soprattutto se confrontata con l’output ASCII di Gerber.

Il principale problema di ODB++ è che è più complicato del Gerber, il che lo rende potenzialmente più soggetto a errori in fase di codifica. Inoltre, è progettato come un formato di immagine diverso, il che significa che alcuni produttori che possono utilizzare il file Gerber .gbr potrebbero non essere in grado di utilizzare il formato di file ODB++.

PCBCart: Il tuo produttore di PCB di fiducia

PCBCart è specializzata nel fornire ai nostri clienti in tutto il mondo una gamma di servizi di fabbricazione e assemblaggio di PCB di alta qualità a un prezzo accessibile. Da oltre due decenni, aiutiamo ingegneri, educatori e aziende a sviluppare applicazioni innovative affinché possano trasformare i settori in cui operano. I nostri clienti sono la nostra forza trainante, quindi aderiamo agli standard di qualità più rigorosi per quanto riguarda i nostri servizi. Le esigenze e la soddisfazione dei clienti sono al centro della nostra attività. Offriamo una gamma di opzioni per la produzione di PCB, tra cui:
•Prototipazione rapida di PCB
•Produzione di PCB su larga scala
•Approvvigionamento dei componenti
•Assemblaggio PCB chiavi in mano completo

Abbiamo scoperto che i file Gerber sono una delle migliori opzioni per la produzione di PCB e speriamo che questa guida ti sia stata utile!Consulta la nostra checklist per il pre-ordine per maggiori informazionisu come preparare un ordine, econtattaci per un preventivooggi.

Ottieni un preventivo immediato per i tuoi PCB in FR4

Nei paragrafi precedenti, abbiamo trattato l'importanza dei file Gerber e i loro usi comuni. Se sei interessato a saperne di più sul formato Gerber, inclusa l'origine del nome Gerber, il principio di funzionamento del fotoplotter e come il file Gerber si è evoluto fino a diventare ciò che è oggi, continua a leggere.

Scopri di più sul formato di file Gerber

Illuminazione diversa per le immagini

I primi fotoplotter utilizzavano una lampada flash a base di xeno per proiettare un’immagine da una ruota di diaframmi rotante su una pellicola fotosensibile o su una lastra di vetro fotosensibile. La lampada di esposizione si spostava sopra il vetro o la pellicola senza toccarli, producendo così due diversi tipi di illuminazione in base alla durata e al modo in cui si muoveva la testa di esposizione. I due tipi di illuminazione sono:
• Disegni, che sono vettori creati dall’illuminazione continua del materiale fotosensibile mentre la testa di imaging si sposta su di esso
• Flash, che sono elementi grafici singoli e semplici creati in un punto specifico facendo passare una luce attraverso un'apertura della forma appropriata in una posizione specifica

In contrasto con quei primi dispositivi alimentati da lampade che utilizzavano testo ASCII, i fotoplotter moderni eseguono la scansione di grafica rasterizzata o bitmap e poi utilizzano un laser, un diodo laser o un diodo a emissione luminosa (LED) messo a fuoco in più punti sul materiale fotosensibile per formare l’immagine in questione.

Come ha trovato Gerber “Gerber”?

Il file Gerber fu l’idea dell’austro-americano H. Joseph Gerber, che studiò ingegneria al Rensselaer Polytechnic Institute di New York. Mentre lavorava alla laurea in ingegneria aeronautica, Gerber inventò una scala variabile per aiutarlo con un compito.

La prima scala variabile utilizzava la cintura dei pantaloni del pigiama di Gerber, che era staccabile nello stile europeo dell’epoca. Gerber tracciò una scala sulla cintura e la usò per aiutarlo con le noiose operazioni di misurazione, calcolo e riprogettazione necessarie per portare a termine il suo compito.

I professori di Gerber lo incoraggiarono a brevettare l’idea. Dopo la laurea, fondò la Gerber Scientific Instrument Company per vendere i dispositivi che aveva progettato. Man mano che la Gerber Scientific Instruments Company cresceva in successo, Gerber viaggiò in tutto gli Stati Uniti, parlando con i suoi clienti e imparando a conoscere i problemi che affrontavano sul lavoro.

Tutta questa interazione con altri ingegneri suscitò in Gerber un interesse per la tracciatura. Si rese conto che i tracciatori analogici dell’epoca non erano abbastanza precisi per le informazioni da rappresentare, il che lo portò a sviluppare il primo tracciatore digitale. Nel corso degli anni ’50, creò una tavola digitale a coordinate X/Y, che in seguito utilizzò come base per la prima macchina da disegno digitale.

Come è stato generato il file Gerber esteso e dove ha funzionato inizialmente?

Durante un viaggio alla sede centrale della RCA alla fine degli anni Sessanta, Gerber scoprì un altro utilizzo per il tavolo a coordinate X/Y che aveva sviluppato anni prima: creare le fotografie che sarebbero state il progetto per un circuito stampato. Il brevetto per il primo fotoplotter, denominato “Dispositivo di esposizione fotografica ad apertura variabile” nella documentazione del brevetto, fu depositato nel settembre 1970 e concesso nell’ottobre 1972.

Il primo fotoplotter funzionava spostando la testa della lampada a base di xeno nel punto giusto sopra la pellicola. Poi faceva ruotare la ruota in modo che l’apertura corretta si allineasse sotto la lampada.

Sebbene l'invenzione del primo fotoplotter sia stata incredibilmente cruciale per l'industria dei PCB, il team della Gerber Scientific è stato altrettanto essenziale nel campo della progettazione assistita da computer. Guidata dall’ingegnere senior Ron Webster e dal capo ingegnere David Logan, la Gerber Scientific iniziò a sviluppare un intero sistema per la fabbricazione di circuiti stampati. Il sistema iniziale includeva:
• Alcune funzionalità CAD
• Sistemi di ispezione ottica automatizzata
• Capacità di rete

Il formato di file proprietario di Gerber Scientific (.gbr) è derivato da un formato di file già esistente, RS-274D, di cui in seguito è diventato parte. Nel 1980, l’Electronic Industries Association (EIA) approvò l’RS-274D e lo utilizzò per pilotare macchine da tracciatura a controllo numerico, incluse quelle costruite da Gerber Scientific.

Come vengono utilizzati oggi i file Gerber?

Con l’introduzione di RS-274D come formato di file standard nel 1980, il CAD come sistema stava diventando più diffuso e iniziò a sostituire i blueprint realizzati a mano in scala due a uno precedentemente in uso. Con l’ausilio del software CAD, si poteva utilizzare un fotoplotter per generare i blueprint fotografici inviando direttamente i dati di comando al plotter stesso.

Quando l'RS-274D divenne uno standard, altri produttori di fotoplotter avevano iniziato a entrare nel mercato. Tuttavia, la variante Gerber del formato RS-274D divenne superiore perché Gerber pubblicò le specifiche complete del formato quando uscì nel 1980.

Il formato di file RS-274D presenta una limitazione principale per quanto riguarda il trasferimento delle diverse immagini dei layer per i PCB. Lo spazio disponibile sulla ruota delle aperture limitava la dimensione, la forma e il numero di aperture che un RS-274D poteva utilizzare contemporaneamente.

Sebbene questo potesse funzionare per progetti che utilizzano normali componenti a foro passante, l’uso di una ruota di diaframmi faceva sì che il plotter non potesse gestire i più recenti componenti a montaggio superficiale. Questi nuovi sistemi utilizzavano diversi tipi di piazzole rettangolari di varie dimensioni, che erano difficili da tracciare per i fotoplotter.

Trovare le migliori applicazioni per il formato

Con il formato RS-274D, l'unica opzione per l'ingegnere CAD era usare una serie di tracciati per realizzare linee minuscole, “dipingendo” sui pad. Allo stesso modo, il plotter poteva disegnare semplici piani in negativo: i fori usati per lo sbroglio nel piano erano neri per la plottatura e il produttore ne invertiva la polarità in bianco usando il sistema CAM di front-end o la stampa a contatto.

Tuttavia, questo non funzionava per gli strati di piani misti o per i piani degli strati di segnale: per questi strati, infatti, era necessario “dipingere” le aree utilizzando tracciati come pad. Questo processo poteva richiedere più di un giorno per un’immagine di grandi dimensioni.

Il lungo processo di creazione dei progetti dell’RS-274D rappresentava un problema, quindi vennero progettati un nuovo fotoplotter e un nuovo formato di file. Il risultato fu il fotoplotter raster, che utilizzava una sorgente luminosa, come un diodo laser o un LED, per scandire la pellicola con un pattern continuo. I laser dei plotter raster ricevevano una serie di comandi di accensione/spegnimento per costruire in sequenza l’immagine del progetto del PCB.

Utilizzando pixel rasterizzati, i produttori potevano realizzare qualsiasi forma di circuito stampato. Oggi, il fotoplotter raster è diventato lo strumento standard per la realizzazione delle immagini dei PCB. I fotoplotter attuali utilizzano più di 40 fasci, tutti commutati in modo indipendente e funzionanti simultaneamente. Ciò consente ai progettisti di PCB di tracciare i loro progetti a risoluzioni fino a 50.000 punti per pollice o più.

Contatta PCBCart oggi per iniziare!

PCBCart è il nostro fornitore di fiducia per la produzione e l’assemblaggio di PCB.Contattaci oggiper ottenere maggiori informazioni sulle nostre capacità di produzione rapida di PCB e sui nostri prezzi competitivi. In alternativa, puoi richiedere un preventivo gratuito per la fabbricazione di PCB cliccando sul pulsante seguente!

Potresti anche essere interessato a:
•Servizio personalizzato di produzione di PCB multistrato con molteplici opzioni a valore aggiunto
•Come generare file Gerber in base a diversi software di progettazione PCB
•Collabora con produttori di PCB che eseguono il controllo DFM sui tuoi file prima della produzione di PCB
•Requisiti dei file per una produzione efficiente di PCB
•Ottieni il prezzo di fabbricazione dei circuiti stampati e effettua ordini in pochi secondi