Rund um die Leiterplatte
Rund um die Leiterplatte Neutraler, offener und globaler Standard für effizienten PCB-Design-Datenaustausch nommen, die das Format dann im September 1998 auf Extended Gerber erweiterte und den RS-274X Format User Guide veröffentlichte. Vom ersten Fotoplotter der Firma Gerber bis zum aktuellen offenen Standard IPC-2581 spannt dieser Beitrag einen Bogen. Autor: Dirk Müller FlowCAD EDA-Software Vertriebs GmbH www.flowcad.de 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 geändert. 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. Im Rückblick 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 acht bzw. 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 Werkzeugmaschinen. Dieser speziell für die Beschreibung von Leitungen, Kupferflächen, Lötstoppbereichen und Legenden angepasste Befehlssatz wurde ist das Gerber-Format, auch bekannt als Standard Gerber oder Gerber RS-274-D, exportiert. 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 über- Extended Gerber Extended Gerber oder RS-274X ist ein von Menschen lesbarer Befehlssatz im ASCII-Format. Es 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 ist und nicht mehr verwendet werden sollte. Obwohl man es von seinem Namen ableiten könnte, ist Standard Gerber nicht ein definierter Standard für die PCB- Datenübertragung: Einheiten und Apertur-Definitionen werden nicht von einem erkennbaren Standard bestimmt, sondern befinden sich in einem informellen Dokument, dessen Interpretation zwangsläufig subjektiv ist. Aus diesem Grund können Standard- Gerber-Dateien von Maschinen nicht auf standardisierte, zuverlässige Weise gelesen werden. Standard Gerber erfordert Aperturbeschriftung 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 14 3/2020
Rund um die Leiterplatte Standard-Gerber-Daten für erste Fotoplotter auf Lochkarten mehr unterschiedliche Informationen in einem gezippten Daten-Container aus diversen Dateien gespeichert werden konnten. Die Dateien umfassen z.B. die Netzliste, Bauteilinformationen als Stückliste oder Texte. Valor wurde im Jahr 2010 von Mentor Graphics übernommen, Mentor mittlerweile 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 Gerber-Daten, meist klar, was ein Pad und was eine Leiterbahn ist. Durch ein Attributsystem können Passermarken und Testpunkte definiert werden. 3/2020 IPC-2581 Die Technologiesprünge in der Leiterplattentechnik zeigten die Problematik, wenn sogenannte Standards für die Datenübertragung einzelnen Firmen gehören und von diesen Firmen definiert werden, klar auf. Extended Gerber gehört einem Fotoplotterhersteller und ODB++ einen PCB-Layout-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 Kriterien zur Bewertung verschiedener Güter im Bereich der Elektro- und Elektronikindustrie. Am Standard arbeiten nicht nur wie bisher zwei einzelne Firmen, das IPC-2581-Konsortium umfasst Lesbare IPC-2581-Informationen im XML-Format 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 allen 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 voll auf den Standard IPC-2581 umgestellt und übermitteln ihre Daten ausschließlich in diesem Format. Der Grund ist nicht nur, dass alle Daten in einem Daten-Container übertragen werden können. Es haben sich auch schon interessante Anwendungen etabliert. Vorteile IPC-2581 Die wesentlichen Unterschiede zwischen ODB++ und IPC-2581 sind, dass das IPC-Format nicht von einer Firma, sondern von einem Konsortium mit über 100 Firmen definiert und gepflegt wird. Damit ist sichergestellt, dass es ein offener und herstellerunabhängiger Standard ist und Anforderungen an neue Technologien angepasst werden können. Kommerzielle Vorteile oder Lizenzrechte gibt es bei diesem Standard nicht. Jeder Hersteller von Software kann seine IPC-Schnittstelle lizenzfrei selbst programmieren, pflegen und ist nicht auf Mithilfe anderer angewiesen. Das bietet Sicherheit für die CAD Flows. Alle Daten sind in einer lesbaren XML-Datei enthalten, somit kann es nicht zu Verwechslungen kommen. Die Datei kann je nach Anwender unterschiedlich befüllt werden, so dass nur die Informationen ausgetauscht werden, die der Empfänger auch sehen darf. 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 den Lagenaufbau zusammengestellt. Hier sind die 15
