プリント基板を見て、「これを作るには一体何が必要なのだろう」と考えたことはありますか？この記事では、一連の主要な疑問に答えることで、プリント基板の設計図である Gerber ファイルおよび拡張 Gerber ファイルについて説明します。Gerber ファイルについて知りたいことは、以下の文章の中にすべて含まれていると考えています。
PCB がショッピングカートに正常に追加されました
ガーバー拡張ファイル入門
ガーバーファイルとは何か？
Gerber、または Gerber 拡張ファイルは、電子業界で設計図面を保存および伝達するために使用される標準的なファイル形式です。これらはしばしば、プリント基板の製造仕様に関する情報を伝えるために用いられます。根本的には、Gerber ファイルは電子機器製造業界における PDF のようなものです。骨折したときに病院で X 線検査を受けたことはありますか？Gerber ファイルは、実際の PCB の X 線画像だと完全にイメージすることができます。X 線画像が骨の配置を示すのと同じように、Gerber ファイルは PCB 上で回路がどのように導かれているかを示しているのです。
American Standard Code for Information Interchange (ASCII) 文字は、Gerber ファイル内の情報を表します。コンピュータは情報を数値の集合としてしか理解できないため、ASCII コードは「A」や @ 記号のような非数値シンボルを数値で表現する役割を果たします。
作成当時、ガーバーファイルは ASCII 文字列を用いて「フォトプロッタ」と呼ばれる機械への指示を行っていました。この機械は、その指示に従って光源を制御し、フィルム上に画像を露光する手段として利用していました。これは、PCB製造プロセスにおける主要な工程の一つです。
ガーバーフォーマットファイルはどのように機能しますか？
PCB製造とガーバーデータ
では、PCB 製造においてガーバーデータはどのように使用されるのでしょうか？PCB 製造のサブトラクティブ方式では、PCB は一枚のシートの状態から始まります。基板材料片面または両面の銅で覆われています。ガーバーデータは、製造工程の最終段階で基板上の銅をどこに残すべきかを示す図面として使用されます。
その画像は、実際のプリント基板で使用される導電パターンだけを残し、基板から銅を除去するための経路を作成する際のガイドとして使用されます。標準的な慣例として、銅が存在しない領域にはクリアなマーキングを、実際の銅配線には黒いマーキングを用います。しかし、それだけでは終わりません。銅配線がマーキングされた後には、ソルダーマスクやシルクスクリーンといった層がその上を覆います。Gerberファイルには、これら他の層の画像に加え、基板のドリル穴の位置の表現や、基板サイズの指定までも含まれています。
Gerberファイルには非常に多くの情報が含まれているため、PCBメーカーは2層PCBを作るだけであっても、最大9つのファイルを受け取ることがあります。例としては、
・回路基板上面の銅配線
・回路基板の裏面用の銅配線
・トップレイヤー用ソルダーマスクの画像
・ボトム層のソルダーマスクの画像
・トップ層のシルクスクリーン印刷
・ボトム層のシルクスクリーン印刷
・すべてのボーリング孔の座標およびそれらの特性
・スコアリング、スロット、内部カットアウトなど、すべての加工工程が示された基板の物理的な外形図
・すべてのファイルの用途を説明する、簡潔なテキスト形式の README ファイル
ガーバーデータのポストデザインプロセス
複数のソフトウェアアプリケーションは～につながるGerberファイルを作成するさまざまな方法Cadence や Altium Designer を含みます。設計後、フォトプロッタがガーバーデータを PCB に転写します。フォトプロッタは各ファイルを 1 枚のフィルム上にプリントアウトします。
各 PCB 層とそれに対応するソルダーマスクにはそれぞれ専用のシートが必要となるため、単純な 2 層 PCB でも、最低 4 枚のフィルムシートが必要になります。これは、表面と裏面の配線層用にそれぞれ 1 枚ずつ、さらにそれぞれに対応するソルダーマスク層用に 1 枚ずつ必要になるためです。
印刷後、フォトプロッタは整列させたフィルムに「レジストレーションホール」を打ち抜きます。レジストレーションホールは、フィルム片を銅箔および基板層上に位置合わせし、フィルムが基板パネル全体を覆うようにするためのガイドとして使用されます。
紫外線で硬化する薬品の層から成る感光フィルムが、PCB の設計図を覆います。「レジスト」として知られるこのフィルムにより、PCB メーカーはガーバーファイル上の画像と完全に一致するパターンを得ることができます。
先ほどの位置合わせ用のレジストレーションホールを使ってレジストと基板層を整列させたら、半透明部分を通過する紫外線を照射し、フォトレジストを硬化させます。これは、導体パターンとして残すべき銅配線の領域を示しています。対照的に、黒インクは光を遮断し、硬化させたくない領域に光が届かないようにすることで、後でそれらを除去できるようにします。
このプロセスは、ソルダーマスク層やシルクスクリーン層を含む各層について繰り返されます。ガーバーデータを設計してPCBに転送する際には、設計者が考慮すべき点が2つあります。
1. レガシー問題
Gerberファイル形式は、もともと数値制御フォトプロッタを動作させるために使用されていました。現在のPCBプリンタは、最新のレーザープリンタにかなり近い仕組みになっており、これはGerberファイル形式が想定していなかったものであるため、現在のラスタープロッタでPCBを印刷する際にファイルを使用すると問題が発生します。
・PCB 製造に使用された元のフォトプロッタが穴あけを行わなかったため、ホールデータが存在しない場合があります。Excellon 数値制御ファイルを使用して Gerber データを補完することはできますが、これでも不完全です。スルーホール、ブラインドホール、埋め込みホールの区別ができないためです。データを読む技術者も、オフセットが正しいかどうか、あるいは正しいスケールを使用しているかどうかを把握できません。
・ファイルの機能的な定義や対応付けがない。Gerber ファイル自体には、それがトップ層なのかボトム層なのか、あるいはミラーされたファイルなのかを CAM 技術者に示す情報が一切含まれていない。そのため、現在のほとんどの Gerber ファイルには README が含まれている。
2. 製造容易化（DFM）に関する問題
Gerberファイルには、PCBの「意図」を読み取る手段がまったくありません。また、PCB設計者が、製造が困難あるいは機能的に不可能なPCBを設計してしまうことを防ぐ仕組みもありません。PCB技術者が注意しなければならない最も一般的なエラーのひとつはファイルの欠落ですが、その他のエラーとしては次のようなものがあります。
・PCBパッド上へのシルクスクリーンの印刷
・PCB の外形にあまりにも近い位置に PCB のフィーチャを配置すること
・穴を二度開けてしまい、不必要に大きくしてしまう
設計者や技術者がこれらおよびその他の問題を認識している限り、Gerberファイル形式は今後も長期にわたって、PCBの設計と製造に使用され続けるでしょう。
PCBCart はスマートなDFMチェックシステムPCB設計ファイルを入力するだけで、標準的な設計に対して自動的にDFMチェックを実行でき、効率と精度の向上において重要な役割を果たします。さらに、当社が提供するDFMチェックは完全に無料です。
RS-274D ファイル形式と RS-274X ファイル形式の違いは何ですか？
今日のレーザーフォトプロッタは ASCII Gerber ファイルを、現代の画像ファイルのように扱っているのだから、なぜ PostScript のような現在のフォーマットに切り替えないのでしょうか？ その答えは一種のジレンマです。現代のフォトプロッタが Gerber ファイル形式を使用しているのは、ほとんどのコンピュータ支援設計／製図ソフトウェアがその形式でファイルを作成するからであり、そしてほとんどのコンピュータ支援ソフトウェアが Gerber 形式でファイルを作成するのは、現代のフォトプロッタがそれを使用しているからです。
2つのファイル形式でGerberファイルタイプを作成できます。
・RS-274D2つのGerberファイル形式規格のうち古い方であるRS-274Dでは、1つの層に関する情報が2つの別々のGerberファイルに分散して格納されます。
・RS-274X2つのファイル形式のうち新しい方である RS-274X では、1つのレイヤーに関するすべての情報を1つのファイルにまとめることができます。
実際にはこれはどういう意味でしょうか？RS-274X ファイルと比べると、RS-274D ファイルはアパーチャファイルの取り扱い方法のために、はるかにエラーが発生しやすくなります。PCB 製造用のアパーチャファイルにはさまざまな種類がありますが、そのほとんどは元のソフトウェアに固有の独自形式であるため、担当するコンピュータ支援製造（CAM）エンジニアが手作業で入力しなければなりません。Gerber ファイルには人間が容易には読めない ASCII テキストが含まれているため、この作業は長時間を要する手間のかかるプロセスとなります。
一方で、エンジニアが RS-274X ファイル形式を使用する方がはるかに簡単です。RS-274X では、アパーチャファイルがファイルデータの一部として埋め込まれるため、手動入力の必要がありません。RS-274X を使用すると、PCB 設計者はマクロ、パッド形状、ライン幅などの重要なコードブロックを 1 つのファイル内で定義できますが、RS-274D ではこれらのブロックを別ファイルにする必要があります。
RS-274X の誕生は、ガーバーフォーマットに対するより高い柔軟性の要求に由来しています。レーザー／ラスターフォトプロッタの登場により、PCB メーカーや設計者はガーバーフォーマットをより柔軟に扱えるようになり、継続的に進化する PCB 設計の要件により適合させることが可能になりました。フォトプロッタの進歩にファイルフォーマットを対応させるため、EIA は 1991 年に RS-274X ファイルフォーマットを発表しました。
RS-274X ファイル形式では、設計者は任意の形状を、フルパッド、ロングトラック、またはプレーン／ポリゴン上のいずれか 3 つの方法でイメージ化することができた。アパーチャ定義はフォトイメージ上の物理的なホイールを必要としなかったため、メーカーは必要に応じて CAD ファイルを呼び出すことができた。アパーチャおよびマクロ定義は、現在では標準出力として Gerber ファイル内に含まれているが、以前は別ファイルであった。
1991年にRS-274Xが導入されたことで、PCBレイヤーデータ転送用の標準ファイル形式となりました。しかし、RS-274Dファイル形式は、特に古いスタイルのPCBを設計またはコピーしなければならない場合など、一部のPCB設計者によって依然として使用されています。そのため、信頼できるPCBメーカーのプロのエンジニアは、RS-274Dの欠点を補うための対応を今でも行うことができます。例えば、RS-274D形式に直面した場合、PCBCartのエンジニアは通常、設計ファイルの完全な内容を得るためにDコードを手動で入力します。
フォトプロッタ用のASCIIコードをどのように変換するか？
フォトプロッタに対して、フォーマットに関係なく Gerber ファイルの ASCII コードで伝達できる命令には、4 種類があります。
・構成パラメータRS-274X規格において % 記号で始まるものであり、色の選択を含む描画処理のさまざまな部分を制御するコマンドです。
・マクロおよび絞りの定義: PCB のさまざまな部分の形状を定義するために使用されます。マクロは、ロゴ、レジストレーションマーク、その他の複雑な形状などの特殊なジオメトリを扱います。アパーチャは、ほとんどの PCB で使用されるパッドの形状と厚さを決定するために使用されます。
・描画コマンド4つのスタイルのいずれかで表示されます：フラッシュ、ライン、多角形塗りつぶし、アーク。
・各フィーチャーごとの座標情報: X-Y 形式で表記されます。
ガーバーデータの長所と短所は何ですか？
他のあらゆる既存のファイル形式と同様に、Gerber ファイル形式にも長所と短所があります。長所には次のような点が含まれます。
・最も作成と利用が簡単なファイル形式の一つ
・現在最も一般的に使用されているファイル形式の一つ
• 無料のファイル閲覧ソフトウェアに対応
短所には次のようなものがあります。
・形式によっては複数のファイルが必要になる
・製作の前にすべてのファイルを検査する必要があります
他にも使用されているファイル形式があります。Gerberファイル形式の主な競合相手は ODB++ 形式であり、単一ファイルであるという点に利点があります。1 つの ODB++ ファイルに、PCB の層を積み重ね、必要な穴を開け、あらゆるマスキングを行うために必要なすべての要素が含まれています。
ODB++ にも長所と短所があります。Gerber ファイルと同様に、ODB++ ファイルも一般的で、品質チェックが行われ、製造工程の一部として DFM チェックが含まれています。しかし、メーカーが Gerber よりも ODB++ を選択する理由の一つとして、特に Gerber の ASCII 出力と比較した場合に、選択した製造業者へのインポートが容易であることが挙げられます。
ODB++ の主な問題点は、Gerber よりも複雑であるため、エンコード時にエラーが発生しやすくなる可能性があることです。さらに、別の画像フォーマットとして設計されているため、Gerber の .gbr ファイルを使用できる一部の製造業者が、ODB++ ファイルフォーマットを使用できない場合があります。
PCBCart：信頼できるPCBメーカー
PCBCart は、世界中のお客様に対し、高品質なプリント基板（PCB）の製造および実装サービスを手頃な価格で提供することを専門としています。20年以上にわたり、私たちはエンジニア、教育関係者、そして企業が革新的なアプリケーションを開発し、彼らが属する業界を変革できるよう支援してきました。お客様こそが私たちを動かす原動力であるため、サービスにおいては最も厳格な品質基準を順守しています。お客様のニーズと満足こそが、私たちの事業の中心です。私たちは、次のような各種 PCB 生産オプションを提供しています。
•クイックターンPCB試作
•大量PCB生産
•部品調達
•フルターンキーPCBアセンブリ
私たちは、ガーバーデータがPCB製造において最良の選択肢の一つであることを確認しており、このガイドが皆さまのお役に立てば幸いです。詳しくは、当社の予約チェックリストをご覧ください注文を準備する方法について、およびお見積もりはお問い合わせください今日。
前の段落では、Gerberファイルの重要性と一般的な用途について説明しました。Gerberフォーマットについてさらに詳しく知りたい場合は、Gerberという名称の由来、フォトプロッタの動作原理、そしてGerberファイルがどのように発展して現在の形になったのかを含めて解説しますので、このまま読み進めてください。
ガーバーファイル形式について詳しく知る
画像の異なる照明
初期のフォトプロッタは、キセノンベースのフラッシュランプを用いて、回転するアパーチャホイールから感光フィルムまたは感光ガラス板上に画像を投影していた。イメージングランプはガラスやフィルムに触れることなくその上を移動し、その結果、露光時間とイメージヘッドの動き方に基づいて2種類の異なる照射方式が生じた。この2種類の照射方式は次のとおりである。
・描画：イメージングヘッドが感光材料上を移動する際に、その材料を連続的に露光することで生成されるベクター
・フラッシュ：特定の位置で、適切な形状の開口部を通して光を照射することにより、1か所で作成される単一でシンプルなグラフィック
ASCIIテキストを使用した初期のランプ式装置とは対照的に、現代のフォトプロッタはラスタライズされたグラフィックスやビットマップを走査し、その後、レーザー、レーザーダイオード、または発光ダイオード（LED）を用いて感光材料上の複数の点に焦点を合わせ、問題の画像を形成する。
ガーバーはどのようにして「ガーバー」を見つけたのか？
ガーバーファイルは、オーストリア系アメリカ人の H・ジョセフ・ガーバーによって考案されたものであり、彼はニューヨークのレンセラー工科大学で工学を学んだ。航空工学の学位取得のために勉強していた際、ガーバーは課題に取り組む中で可変スケールを発明した。
最初の可変スケールには、当時のヨーロッパ風で取り外し可能だったガーバーのパジャマのウエストバンドが使われた。ガーバーはそのバンドに目盛りを付け、課題を仕上げるために必要だった、面倒な計測・計算・再作図を行う際の助けとしてそれを用いた。
ガーバーの教授たちは、彼にそのアイデアを特許出願するよう勧めた。卒業後、彼は自ら設計した装置を販売するために、ガーバー・サイエンティフィック・インストゥルメント・カンパニーを設立した。ガーバー・サイエンティフィック・インストゥルメンツ・カンパニーの成功が大きくなるにつれ、ガーバーはアメリカ各地を回り、顧客と話をし、彼らが現場で直面している問題について学んでいった。
他のエンジニアたちとのこうした交流により、ガーバーはプロッティングに興味を抱くようになった。彼は、当時のアナログプロッタでは必要とされる情報に対して十分な精度が得られないことに気づき、その結果、世界初のデジタルプロッタを開発するに至った。1950年代には、彼はデジタル式のX/Y座標テーブルを作り上げ、後にそれを初のデジタル製図機の基盤として用いた。
Gerber拡張ファイルはどのように生成され、最初はどこで動作していたのか？
1960年代後半にRCA本社を訪れた際、ガーバーは数年前に開発したX/Y座標テーブルの別の用途を発見した――プリント基板の設計図となる写真を作成することである。最初のフォトプロッタに関する特許は、特許書類の中で「可変開口部写真露光装置」と名付けられ、1970年9月に出願され、1972年10月に認可された。
最初のフォトプロッタは、キセノンランプを搭載したヘッドをフィルム上の所定の位置まで移動させて動作した。その後、ホイールを回転させて、正しい開口部がランプの下に来るように位置合わせした。
最初のフォトプロッタの発明はPCB業界にとって非常に重要でしたが、Gerber Scientificのチームもコンピューター支援設計の分野において同様に不可欠な存在でした。上級エンジニアのロン・ウェブスターと主任エンジニアのデイビッド・ローガンの指揮の下、Gerber Scientificはプリント基板を製造するためのシステム全体の開発を開始しました。初期のシステムには次のものが含まれていました。
・一部のCAD機能
・自動光学検査システム
・ネットワーク機能
Gerber Scientific の独自ファイル形式（.gbr）は、既存のファイル形式である RS-274D から派生したものであり、後にその一部となった。1980 年、電子工業会（EIA）は RS-274D を承認し、Gerber Scientific 製を含む数値制御プロッタ機を駆動するためにそれを使用した。
今日ではガーバーデータはどのように使われているのか？
1980年に標準化されたファイル形式として RS-274D が導入されると、システムとしての CAD はより普及し、従来使用されていた 2 倍スケールの手貼りブループリントに取って代わり始めた。CAD ソフトウェアの支援により、フォトプロッタはドライブデータを直接プロッタ本体に出力することで、写真製版用のブループリントを生成できるようになった。
RS-274D が標準となった頃には、他のフォトプロッターメーカーも市場に参入し始めていた。しかし、RS-274D フォーマットの Gerber 変種は、1980 年に登場した際に Gerber 社がそのフォーマットの完全な仕様を公開したため、優位な存在となった。
RS-274Dファイル形式には、PCBのさまざまなレイヤー画像を転送する際に大きな制約が1つあります。アパーチャホイール上の利用可能なスペースによって、RS-274Dが同時に使用できるアパーチャのサイズ、形状、および数が制限されていました。
これは、通常のスルーホール部品を使用する設計には有効でしたが、アパーチャーホイールを使用していたため、プロッタは新しい表面実装部品を扱うことができませんでした。これらの新しいシステムでは、さまざまなサイズの複数種類の長方形パッドが使用されており、フォトプロッタで描画するのは困難でした。
フォーマットに最適な用途を見つける
RS-274D フォーマットでは、CAD エンジニアに与えられた唯一の選択肢は、一連の描画コマンドを使って細かい線を引き、パッドの上に「ペイント」することでした。同様に、プロッタは単純なプレーン層を反転して描画することができました――プレーン内でクリアランスとして使用される穴は、プロット時には黒で表され、メーカーはフロントエンドの CAM システムまたはコンタクトプリンティングを用いて、その極性を反転させて白にしていました。
しかし、この方法は混合プレーンの層やシグナル層プレーンには機能せず、その代わりに、それらの層はパッドのような描画要素を使って塗りつぶさなければなりませんでした。大きな画像の場合、この作業には 1 日以上かかることもありました。
RS-274D による長時間を要するブループリント作成プロセスは問題となったため、新しいフォトプロッタが新しいファイル形式とともに設計された。その結果として、レーザーダイオードや LED のような光源を用いて、フィルムを連続的なパターンで走査するラスターフォトプロッタが生まれた。ラスタープロッタ上のレーザーには、一連のオン／オフコマンドが与えられ、それにより PCB ブループリントの画像が順次構築された。
ラスター化されたピクセルを使用することで、メーカーはあらゆる形状のプリント基板を作成できるようになった。現在では、ラスター・フォトプロッタは、PCB 用の画像を作成する際の標準的なツールとなっている。最新のフォトプロッタは 40 本以上のビームを使用しており、それぞれが独立してオン／オフ制御され、同時に動作する。この仕組みにより、PCB 設計者は 1 インチあたり 50,000 ドット以上という高い解像度で設計図をプロットすることができる。
今すぐPCBCartにお問い合わせください！
PCBCartは、当社が信頼を寄せるプリント基板製造および実装のプロバイダーです。今すぐお問い合わせください当社の短納期PCB対応力および競争力のある価格について、さらに詳しい情報をご希望の場合は、以下のボタンをクリックしてPCB製造の無料お見積りをご依頼ください。
こちらにもご興味があるかもしれません：
•複数の付加価値オプションを備えたカスタム多層PCB製造サービス
•さまざまなPCB設計ソフトウェアに基づいてGerberファイルを生成する方法
•PCB製造前にDFMチェックを行うメーカーと協力する
•効率的なPCB製造のためのファイル要件
•
数秒でプリント基板の製造価格を取得し、注文を確定