Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
PDF download
Neutraler, offener und globaler Standard für effizienten PCB Design Datenaustausch: Ausgabe 13/2020, 27.08.2020

Frei von herstellerabhängigen Standards und individuellen Restriktionen

Seit 60 Jahren werden Leiterplatten am Computer entworfen und die Daten für die Herstellung der gedruckten Schaltungen elektronisch übertragen. Die Datenformate zum Beschreiben der Anweisungen für Fotoplotter haben sich im Laufe der Zeit verändert. Mit fortschreitender Technologie bei den Plottern und technischen Möglichkeiten auf Leiterplatten änderten sich auch die Formate von Gerber und Extended Gerber zum offenen IPC Standard 2581.

Autor: Simon Zubler

Bilder: FlowCAD

Einer der ersten Fotoplotter wurde 1960 von der Firma Gerber Scientific Inc. auf den Markt gebracht. Ein Fotoplotter ist ein spezielles elektronisches, optisches und mechanisches Gerät, mit dem auf einem monochromatischen Film mit hohem Kontrast eine Belichtungsschablone erstellt werden kann. Dabei wird Licht durch ausgewählte Blendenöffnungen auf den Film belichtet, ähnlich der analogen Fotografie. Für die unterschiedlichen Funktionen wie beispielsweise Licht an oder aus, Auswahl einer der 8 respektive 16 Blenden sowie Bewegung in X- und Y-Richtung gab es einen kleinen Befehlssatz. Die Befehle waren eine Untermenge des RS-274-D Befehlssatzes zur Ansteuerung von numerischen (NC)- Werkzeugmaschinen.
Dieser speziell für die Beschreibung von Leitungen, Kupferflächen, Lötstoppbereichen und Legenden angepasste Befehlssatz wurde als Gerber Format exportiert, auch bekannt als Standard Gerber oder Gerber RS-274-D. Damals wurden die Daten noch per Lochkarte übertragen und die Datenmenge musste gering sein. Da dieses Format keine Informationen über die Blenden enthielt, gab es zu jedem Plotter noch eine weitere Datei mit Blendeninformationen. Durch den Fortschritt der Technik bei den Leiterplatten wie auch bei den Fotoplottern reichte das Gerber-Format nicht mehr aus, veraltete und wurde 1998 erweitert.
Die Firma Gerber Scientific Inc. wurde 1998 von Barco ETS übernommen, die das Format dann im September 1998 auf Extended Gerber erweiterte, und den RS-274X Format User Guide veröffentlichte.

Extended Gerber
Extended Gerber oder RS-274X ist ein von Menschen lesbarer Befehlssatz im ASCII-Format. Dieser enthält eine Reihe von Kommandos von grafischen Objekten mit positiver oder negativer Eigenschaft. Im Extended Gerber-Format sind die Blendeninformationen in die Datei aufgenommen worden. Aus diesen Objekten wird dann das Bild in der Auflösung des Plotters erstellt und aktuell mit Laserstrahlen belichtet. Ucamco (vormals Barco ETS) besitzt die Rechte am Gerber-Format. Im September 2014 schrieb Karel Tavernier, Managing Director von Ucamco, dass Standard Gerber technisch veraltet sei und nicht mehr verwendet werden sollte. Obwohl man es von seinem Namen ableiten könnte, ist Standard Gerber nicht ein defi nierter Standard für die PCB-Datenübertragung: Einheiten und Apertur-Defi nitionen werden nicht von einem erkennbaren Standard bestimmt, sondern befi nden sich in einem informellen Dokument, dessen Interpretation zwangsläufi g subjektiv ist. Aus diesem Grund können Standard Gerber-Dateien von Maschinen nicht auf standardisierte, zuverlässige Weise gelesen werden. Standard Gerber erfordert Apertur-Beschriftung und Kupferbeschichtungen, die beide manuelle Arbeit beim CAM erzeugen und so zu mehr Kosten, Verzögerungen und Risiken beim Leiterplatten-Herstellungsprozess führen. Extended Gerber kann von Maschinen gelesen werden und ersetzte folgerichtig Standard Gerber.

Valor odB++
Da in der Leiterplattenherstellung nicht nur Filme für die Lagen erstellt werden, gab es neben den (Extended) Gerber Dateien immer viele beschreibende Informationen zur Fertigung oder Bestückung. Valor Computerized Systems Ltd. entwickelte das ODB++ Format, mit dem mehr unterschiedliche Informationen in einem gezippten Datencontainer aus diversen Dateien gespeichert werden konnten. Die Dateien umfassen zum Beispiel die Netzliste, Bauteilinformationen als Stückliste oder Texte. Valor wurde im Jahr 2010 von Mentor Graphics übernommen, Mentor mittlerweile wiederum von Siemens «geschluckt». Das Ziel von ODB++ ist alle Design-Daten für die Fertigung, die Bestückung und den Test in einer einzigen Datei zusammen auszugeben und zu übertragen. ODB++ enthält eine vollständige Lagentabelle, die die ursprünglichen Lagenbezeichnungen, die Lagenart sowie die Reihenfolge der Lagen beschreibt. Bei ODB++ ist, im Gegensatz zu Gerberdaten, meist klar, was ein Pad und was eine Leiterbahn ist Durch ein Attributsystem können Passermarken und Testpunkte defi niert werden.

IPC-2581
Die Technologiesprünge in der Leiterplattentechnik zeigten die Problematik klar auf, wenn sogenannte Standards für die Datenübertragung einzelnen Firmen gehören und von diesen Firmen defi niert werden. Extended Gerber gehört einem Fotoplotterhersteller und ODB++ einem PCBLayout- Anbieter. Gerade wenn innovative Technologien entwickelt werden, sind neue Parameter vom Entwicklungswerkzeug an CAM-Software, Belichter oder Bestückungsautomaten zu übertragen.
Die beiden Verwalter des Standards kamen nicht den Wünschen der Industrie nach, den Standard auf neue Technologien zu erweitern, die sie selbst nicht in ihren Produkten unterstützten. Daher schlossen sich viele Firmen zusammen und einigten sich darauf, einen neutralen, offenen Standard für die Leiterplattenentwicklung zu etablieren, der den vielfältigen Anforderungen gerecht wird. Als Dachorganisation wurde die IPC – Association Connecting Electronics Industries gewählt. IPC ist eine weltweite Handels- und Standardisierungsorganisation mit Sitz in Illinois, USA, die sich mit den Belangen der Elektronikfertigung befasst. Das Tätigkeitsumfeld umfasst unter anderem das Veröffentlichen von Industriestandards und von Kriterien zur Bewertung verschiedener Güter im Bereich der Elektro- und Elektronikindustrie.
Am Standard arbeiten nicht nur wie bislang zwei einzelne Firmen – das IPC-2581 Konsortium umfasst mehr als 100 Mitglieder. Die beteiligten Firmen kommen aus den Bereichen EDA-CAD, CAM, Bestückung (EMS), Leiterplattenfertigung und Test sowie Anwendern aus der ganzen Welt. Dabei haben alle ein gemeinsames Ziel: ein moderner Datenübertragungs-Standard für alle, aus so unterschiedlichen Branchen wie Automobil, Luft- und Raumfahrt, Medizin, Telekom, Industrie und Consumer.
Das Format ist frei von Lizenzen sowie Nutzungsvereinbarungen und wird von allen wichtigen Marktteilnehmern unterstützt. Diverse Firmen in den USA und Asien haben bereits ganz auf den Standard IPC-2581 umgestellt und übermitteln ihre Daten ausschliesslich in diesem Format.
Der Grund ist nicht nur, dass alle Daten in einem Datencontainer übertragen werden können. Es haben sich auch schon interessante Anwendungen etabliert.

Lagenaufbau mit IPC-2581
Wenn Leiterplatten technisch anspruchsvoll, besonders zuverlässig oder günstig sein sollen, ist eine genaue Spezifikation des Lagenaufbaus erforderlich. Dazu fragen die Entwickler bei den Leiterplattenherstellern einen Lagenaufbau an und bekommen dann für die angefragte Spezifikation diesen zusammengestellt. Hier sind die Materialien, Lagenstärken und weitere Parameter definiert.
Wenn es eine impedanzkontrollierte Leiterplatte sein soll, dann passt der Leiterplattenhersteller die Materialien so an, dass er beispielsweise mit den anlagenspezifischen Unterätzungen eine Impedanz von 50 Ohm zwischen zwei Lagen mit vorgegebenen Leiterbahnbreiten garantieren kann. Viele Leiterplattenhersteller verwenden dazu eine Software von Polar und können den Lagenaufbau als IPC-2581 ausgeben.
Wenn der Designer die Datei im IPC-2581 Format zum Beispiel in seinem OrCAD oder Allegro PCB Design Tool einliest, ist der Lagenaufbau bereits definiert. Das Routing auf den einzelnen Lagen kann jetzt für die Signalintegrität optimal mit dem 50 Ohm Lagenaufbau simuliert und verifiziert werden. Der schnelle Wechsel eines Lagenaufbaus zeigt auch, ob unterschiedliche Lieferanten mit unterschiedlichen Materialien die gleichen elektrischen Eigenschaften haben und somit eine Second Source darstellen.

Sichere Ausgabe für Fertigung, Bestückung und Test
Die Ausgabe von Fertigungsdaten ist ein zweischneidiges Schwert. Auf der einen Seite möchte man alle Informationen übermitteln, die für die Fertigung notwendig sind. Auf der anderen Seite möchte man Know-how zurückhalten und nur das Nötigste an fremde Firmen weitergeben. Gerade wenn die Leiterplatten bei unterschiedlichen Firmen im In- und Ausland produziert werden, soll die Menge an Daten kontrolliert werden, um das IP zu schützen. Das IPC-2581 Format ist ein ‹XML› basiertes Datenformat, das alle möglichen Werte definiert. Beim Export in OrCAD oder Allegro können Ausgabeprofile definiert werden, beispielsweise Leiterplattenfertiger, Bestücker, Test und intern. Für jedes Ausgabeprofil kann festgelegt werden, welche Daten für diesen Fertigungsschritt erforderlich sind. So bekommt der Leiterplattenhersteller keine Bauteilinformationen und der Bestücker keine Materialien des Lagenaufbaus.
Beim Export können standardisiert vier Dateien für unterschiedliche Verwendungen ausgegeben und im PLM System abgelegt werden. Dann kann der Einkauf die entsprechenden Fertigungsdaten mit jeweils einer Datei an die Zulieferer verschicken, und jeder Zulieferer hat alle benötigten Informationen in einer Datei. Verwechslungen von einzelnen Gerber-Folien oder zeitaufwendige technische Rückfragen des Zulieferers an den Designer werden so minimiert. Bei der Ausgabe kann das IPC-2581 Format auch komprimiert werden.

Uneingeschränkte Verwendung J
etzt nach sechs Jahrzehnten ist es die richtige Zeit, sich durch die Vorteile von IPC-2581 einen Marktvorsprung zu verschaffen. IPC2581 verkörpert, was die Elektronikindustrie schon immer nachgefragt hat: Einen herstellerunabhängigen Standard, der nicht von den Restriktionen Einzelner eingeengt ist, und der von der gesamten Elektronikindustrie uneingeschränkt verwendet werden kann.

Infoservice
FlowCAD Schweiz AG
Hintermättlistrasse 1, 5506 Mägenwil
Tel. 056 485 91 91, Fax 056 485 91 95
info@flowcad.ch, www.flowcad.ch



Die Datenformate zum Beschreiben der Anweisungen für Fotoplotter haben sich im Laufe der Zeit verändert.


Standard Gerber-Daten für erste Fotoplotter auf Lochkarten.


Lesbare IPC-2581 Informationen im XML-Format.


Importierter Lagenaufbau mit Materialien und elektrischen Eigenschaften


Export-Dialog mit vordefinierter Konfiguration
für verschiedene Empfänger.