Cosa sono i file Gerber e come usarli per la fabbricazione di PCB

Cosa sono esattamente i file Gerber e perché sono così cruciali nel mondo della progettazione e produzione di circuiti stampati? Questi file colmano il divario tra progettazione e produzione, fungendo da collegamento essenziale che trasforma un concetto digitale in un prodotto fisico. Questo articolo esplorerà i diversi formati dei file Gerber, come vengono utilizzati e perché sono così importanti nella fabbricazione di PCB.

Cosa sono i file Gerber

I file Gerber sono la linfa vitale della fabbricazione di PCB. Sono il formato di file standard de facto utilizzato nel settore dei PCB per descrivere le immagini dei circuiti stampati. Questi file in formato vettoriale ASCII aperto contengono informazioni dettagliate su ogni livello fisico della scheda del progetto PCB, come strati di rame, maschera di saldatura, legenda, dati di foratura e altro.

Pensa ai file Gerber come all'equivalente nel mondo dell'elettronica di un PDF. Proprio come un PDF preserva l'esatto layout e la formattazione di un documento, i file Gerber preservano il design preciso di un PCB. Sono trattati come file immagine che rappresentano ogni strato di fabbricazione di un PCB, garantendo che il produttore possa riprodurre accuratamente il tuo design.

Ogni file Gerber rappresenta in genere un singolo strato del PCB. Ad esempio, un file potrebbe contenere informazioni sullo strato di rame superiore, mentre un altro descrive la maschera di saldatura inferiore. Questo approccio a strati consente progetti di PCB incredibilmente dettagliati e precisi.

I produttori di PCB utilizzano questi file per tradurre gli intricati dettagli di un progetto nelle proprietà fisiche del PCB. I dati nei file Gerber guidano le macchine attraverso ogni fase del processo di produzione, dalla creazione di tracce di rame all'applicazione della maschera di saldatura.

I file Gerber vengono in genere generati da software di progettazione PCB (CAD). Una volta che un ingegnere ha terminato il progetto del circuito, utilizza questo software per creare i file Gerber che verranno inviati al produttore. Questo processo garantisce che la visione del progettista sia comunicata accuratamente al team di produzione.

Formati di file Gerber

Il mondo dei file Gerber si è evoluto nel tempo, con diversi formati sviluppati per soddisfare le mutevoli esigenze dell'industria dei PCB.

RS-274-D

RS-274-D, noto anche come Gerber standard, è uno dei formati di file Gerber più vecchi. Originariamente veniva utilizzato per macchine a controllo numerico e successivamente adattato per foto-plotter. Questo formato era un sottoinsieme della specifica RS-274-D dell'Electronic Industries Association.

Gerber standard era un semplice formato ASCII costituito da comandi e coordinate XY. Sebbene abbia servito al suo scopo per molti anni, aveva dei limiti. Ad esempio, non includeva informazioni sull'unità di coordinate o sulle definizioni di apertura, il che spesso portava a confusione ed errori.

Vale la pena notare che RS-274-D non è più supportato dal suo sviluppatore UCAMCO ed è considerato obsoleto. Se incontri questo formato, è meglio convertirlo in una versione più moderna.

RS-274X

RS-274X, noto anche come Extended Gerber o X-Gerber, è stato sviluppato per risolvere i difetti di RS-274-D. Rilasciato nel settembre 1998, questo formato è migliorato significativamente rispetto al suo predecessore.

RS-274X è un formato ASCII leggibile dall'uomo che include unità incorporate, definizioni di apertura e altre informazioni cruciali. Questo formato autonomo consente strutture multistrato e riempimenti poligonali speciali, riducendo al minimo gli errori di foto-plotting eliminando l'immissione manuale dei dati.

RS-274X contiene la descrizione completa di un'immagine dello strato PCB senza richiedere file esterni. Questa natura autonoma lo rende molto più affidabile e facile da usare rispetto al suo predecessore.

Gerber X2

Gerber X2 è l'ultimo formato di file Gerber, rilasciato nel 2014. Coinvolge software CAM avanzato e si basa sui punti di forza di RS-274X aggiungendo nuove funzionalità.

Il miglioramento più significativo in Gerber X2 è l'aggiunta di metadati all'immagine. Ciò consente ai progettisti di assegnare attributi alle funzionalità all'interno del file Gerber, fornendo informazioni ancora più dettagliate sulla progettazione del PCB.

Gerber X2 include informazioni come la funzione dello strato, le funzioni dell'oggetto e le posizioni delle tracce a impedenza controllata. Questi dati aggiuntivi rendono il processo di produzione ancora più preciso e riducono le possibilità di interpretazione errata.

I file X2 utilizzano in genere l'estensione .GBR per tutti i file, eliminando la necessità di estensioni di file intuitive. La posizione effettiva nello stackup PCB può essere codificata come parte dei dati nei file .GBR, consentendo alle utility di visualizzazione Gerber di ricostruire accuratamente lo stackup.

ODB++

Sebbene non sia strettamente un formato Gerber, vale la pena menzionare ODB++ poiché a volte viene utilizzato insieme o al posto dei file Gerber. ODB++ è un formato di file autoestraente con un formato di input standardizzato e onnicomprensivo.

Sviluppato per risolvere alcune delle limitazioni dei file Gerber, ODB++ aiuta ad automatizzare l'impilamento, i posizionamenti dei fori e l'etichettatura. È progettato per ridurre gli errori umani automatizzando la maggior parte dei processi.

Tuttavia, ODB++ non è così ampiamente utilizzato come i formati Gerber. Sebbene offra alcuni vantaggi, in particolare per i progetti complessi, molti produttori preferiscono ancora la semplicità e l'universalità dei file Gerber.

Estensioni dei file Gerber

Comprendere le estensioni dei file Gerber è fondamentale per una progettazione e produzione di PCB efficaci. Queste estensioni indicano il livello o la funzione che ogni file rappresenta, aiutando sia i progettisti che i produttori nella fabbricazione di PCB.

L'estensione standard per i file Gerber è .GBR o .gbr, anche se potresti incontrare anche estensioni come .GB, .geb o .gerber. Tuttavia, sono le estensioni specifiche a fornire informazioni più dettagliate sul contenuto di ciascun file.

Le estensioni comuni includono:

• .GTL (Strato superiore)
• .GBL (Strato inferiore)
• .GTO (Serigrafia superiore)
• .GBO (Serigrafia inferiore)
• .GTS (Maschera di saldatura superiore)
• .GBS (Maschera di saldatura inferiore)
• .GKO (Contorno scheda)

Ciascuna di queste estensioni corrisponde a uno strato o funzione specifica nella progettazione del PCB. Ad esempio, un file con l'estensione .GTL contiene informazioni sullo strato di rame superiore del PCB.

Nel formato Gerber X2 più recente, l'attributo .FileFunction è diventato il metodo standardizzato per collegare ogni strato nel PCB con il suo corrispondente file Gerber nei dati di fabbricazione. Questo attributo fornisce informazioni ancora più precise sul contenuto e sullo scopo del file.

I file RS-274-X utilizzano estensioni nel formato “GXY” per indicare funzioni specifiche e assegnazioni di strati. D'altra parte, i file X2 utilizzano in genere l'estensione .GBR per tutti i file, affidandosi ai metadati incorporati per distinguere tra gli strati.

Generazione di file Gerber da software CAD

Ora che abbiamo capito cosa sono i file Gerber e i loro vari formati, qual è il processo di generazione di questi file cruciali dal software CAD? Sebbene i passaggi esatti possano variare a seconda del software specifico, il processo generale rimane simile tra le piattaforme.

Passaggio 1: completa la progettazione del PCB

Prima di generare i file Gerber, assicurati che la progettazione del PCB sia completa e accuratamente controllata per eventuali errori. Ciò include la verifica di tutte le connessioni, i posizionamenti dei componenti e i controlli delle regole di progettazione.

Passaggio 2: accedi allo strumento di generazione dei file Gerber

Nella maggior parte dei software di progettazione PCB, troverai un'opzione per generare o esportare file Gerber. Questo potrebbe essere sotto una voce di menu come “File”, “Esporta” o “Output di produzione”.

Passaggio 3: seleziona i livelli da esportare

Dovrai esportare i file Gerber per ogni livello del tuo PCB. Questo include in genere:

• Strati di rame superiore e inferiore
• Maschera di saldatura superiore e inferiore
• Serigrafia superiore e inferiore
• Contorno scheda
• File di foratura (spesso in formato Excellon)

Assicurati di selezionare tutti i livelli necessari per la tua progettazione.

Passaggio 4: scegli il formato Gerber

Seleziona il formato Gerber appropriato. Anche se dovresti verificare con il tuo produttore, RS-274X o Gerber X2 sono generalmente raccomandati per la fabbricazione di PCB moderni.

Passaggio 5: imposta le unità e la precisione

Scegliere le unità (pollici o millimetri) e impostare la precisione. Un'impostazione comune è 2:4 o 2:5, ovvero 2 cifre prima della virgola e 4 o 5 dopo.

Passaggio 6: Configurare altre impostazioni

A seconda del software, potrebbe essere necessario configurare impostazioni aggiuntive come aperture, formati di foratura e polarità dei livelli. In caso di dubbi, consultare la documentazione del software o le linee guida del produttore.

Passaggio 7: Generare i file

Una volta configurate tutte le impostazioni, generare i file Gerber. Il software creerà una serie di file, ognuno dei quali rappresenta un livello o un aspetto diverso del progetto PCB.

Passaggio 8: Verificare l'output

Prima di inviare i file al produttore, è fondamentale verificarli. Tratteremo questo processo nella prossima sezione.

Ricorda, anche se questo processo può sembrare complesso, in realtà è abbastanza semplice una volta compresi i passaggi chiave. Controllare sempre le impostazioni di esportazione prima di generare i file Gerber per garantire la precisione ed evitare problemi di produzione.

Visualizzazione e verifica dei file Gerber

Verificare i file Gerber prima di inviarli ai produttori non è facoltativo, è essenziale. Questo passaggio può ridurre significativamente gli errori e i ritardi di produzione. Ma come si fa esattamente a visualizzare e verificare questi file?

Passaggio 1: Scegliere un visualizzatore Gerber

Sono disponibili diversi visualizzatori Gerber, sia come software locale che come strumenti online. Alcune opzioni popolari includono:

• Gerbv (open-source, multi-piattaforma)
• FlatCAM (open-source, multi-piattaforma)
• ViewMate (gratuito, Windows)
• GerberLogix (gratuito, Windows)
• Visualizzatori online come quello fornito da JLCPCB

Scegliere un visualizzatore compatibile con il sistema operativo e il formato Gerber in uso.

Passaggio 2: Caricare i file Gerber

Aprire il visualizzatore Gerber scelto e caricare i file Gerber. La maggior parte dei visualizzatori consente di trascinare e rilasciare i file o di utilizzare una finestra di dialogo di selezione dei file.

Passaggio 3: Controllare l'ordine dei livelli

Assicurarsi che tutti i livelli siano presenti e nell'ordine corretto. Se il visualizzatore Gerber non comprende l'estensione del formato Gerber e non è in grado di determinare la posizione nello stack dei livelli, potrebbe accodare i livelli fuori ordine (di solito in ordine alfabetico). In questo caso, potrebbe essere necessario disporre manualmente i livelli.

Passaggio 4: Verificare le dimensioni della scheda

Verificare che il contorno della scheda sia corretto e che tutti i livelli siano allineati correttamente a questo contorno.

Passaggio 5: Ispezionare ogni livello

Esaminare attentamente ogni livello:

• Livelli di rame: verificare la presenza di tracce interrotte, connessioni indesiderate o piazzole mancanti.
• Maschera di saldatura: assicurarsi che tutte le piazzole che devono essere esposte siano effettivamente esposte.
• Serigrafia: verificare che tutto il testo sia leggibile e non si sovrapponga a piazzole o vias.
• Livello di foratura: verificare che tutti i fori siano presenti e dimensionati correttamente.

Passaggio 6: Verificare la presenza di violazioni delle regole di progettazione

Alcuni visualizzatori Gerber possono eseguire controlli di base sulle regole di progettazione. Utilizzare questa funzione, se disponibile, per individuare eventuali violazioni della larghezza minima della traccia, della distanza, ecc.

Passo 7: Confronta con il tuo progetto originale

Se possibile, confronta la vista Gerber con il tuo progetto CAD originale. Questo può aiutare a individuare eventuali discrepanze che potrebbero essersi verificate durante il processo di esportazione.

Passo 8: Risolvi eventuali problemi

Se riscontri problemi, torna al tuo software di progettazione PCB, apporta le correzioni necessarie e genera nuovi file Gerber. Quindi ripeti il processo di verifica.

Utilizzo dei file Gerber nella fabbricazione di PCB

Ti sei mai chiesto come un progetto digitale diventa un PCB fisico? È qui che i file Gerber brillano davvero. Sono il collegamento cruciale tra il tuo progetto PCB e il processo di produzione, guidando ogni fase della fabbricazione.

Quando invii i file Gerber a un produttore di PCB, gli stai fornendo un progetto dettagliato della tua scheda. Ogni file Gerber rappresenta uno strato nella scheda fisica, come strati di rame, maschera di saldatura, legenda o serigrafia. Insieme, questi file forniscono un quadro completo del tuo progetto PCB.

Il processo si svolge in genere come segue:

1. Ricezione e verifica dei file: Il produttore riceve e verifica innanzitutto i tuoi file Gerber. Controlleranno eventuali errori evidenti o informazioni mancanti.
2. Generazione di immagini: I file Gerber vengono utilizzati per creare pellicole fotografiche o immagini digitali dirette per ogni strato del PCB. Queste immagini guidano la creazione di ogni strato fisico.
3. Creazione dello strato: Utilizzando le immagini generate dai file Gerber, il produttore crea ogni strato del PCB. Per gli strati di rame, questo comporta l'incisione del rame indesiderato, lasciando solo le tracce e i pad definiti nel tuo progetto.
4. Foratura: Sebbene non faccia strettamente parte dei file Gerber (i dati di foratura sono solitamente in formato Excellon), il processo di foratura è guidato da dati spesso inviati insieme ai file Gerber.
5. Allineamento e pressatura degli strati: I singoli strati vengono accuratamente allineati e pressati insieme per formare il PCB completo.
6. Applicazione di maschera di saldatura e serigrafia: Gli strati di maschera di saldatura e serigrafia, definiti dai rispettivi file Gerber, vengono applicati alla scheda.
7. Ispezione finale: La scheda completata viene ispezionata per garantire che corrisponda alle specifiche fornite nei file Gerber.

I file Gerber sono straordinariamente versatili nel guidare il processo di fabbricazione del PCB. Forniscono istruzioni precise per la creazione di ogni aspetto della scheda, dalla larghezza e posizione delle tracce alle dimensioni e alla forma dei pad.

I file Gerber possono fornire le informazioni più necessarie, ma i produttori potrebbero aver bisogno di ulteriori dettagli per determinate specifiche. Ad esempio, i file Gerber in genere non includono informazioni sul colore della maschera di saldatura e della serigrafia, sui requisiti per la pannellizzazione, sulla finitura dei pad, sul peso del rame e sullo spessore della scheda. Questi dettagli vengono solitamente forniti separatamente o discussi con il produttore.

Risoluzione dei problemi comuni relativi ai file Gerber

Hai mai riscontrato un misterioso errore del file Gerber? Non sei solo. Nonostante il loro ruolo cruciale nella fabbricazione di PCB, i file Gerber possono talvolta essere fonte di frustrazione. Esploriamo alcuni problemi comuni e come risolverli.

Strati duplicati

Un problema frequente è la comparsa di "strati duplicati" quando si inviano file Gerber a un produttore. Ciò può verificarsi se si invia il file zip alla stessa directory dei Gerber o a causa di impostazioni errate nel software CAD.

Soluzione: Controlla sempre il contenuto del tuo file zip prima dell'invio. Assicurati che non ci siano file duplicati e che le assegnazioni degli strati siano corrette. Se utilizzi KiCad, fai attenzione a non spuntare nessuna casella sotto "Traccia su tutti gli strati" a meno che non sia necessario.

Formati di file errati

L'utilizzo di un formato di file obsoleto come Gerber 274D può causare problemi con i moderni processi di produzione.

Soluzione: Utilizza Gerber X2 o almeno Gerber 274X. Verifica con il tuo produttore per confermare il formato preferito.

Profili scheda mancanti

L'assenza di un profilo scheda definito può essere un problema significativo durante la produzione del PCB.

Soluzione: Assicurarsi di includere un profilo scheda nei file Gerber. Questo può essere un file indipendente o incluso in ogni livello nel set di dati.

Etichette file confuse

Una denominazione dei file poco chiara o incoerente può portare a errori nel processo di produzione.

Soluzione: Utilizzare convenzioni di denominazione chiare e coerenti per i file Gerber. Ogni nome file deve riflettere il livello della scheda che rappresenta ed essere facilmente interpretabile.

Formati file di foratura errati

Problemi con i formati dei file di foratura possono causare problemi durante l'importazione del file per la produzione.

Soluzione: Utilizzare il formato file NC Drill, che è lo standard del settore. Assicurarsi che l'intestazione nel file indichi chiaramente il formato.

Disallineamento dei livelli

Quando i livelli non sono correttamente allineati, può essere necessario l'allineamento manuale da parte del produttore, introducendo potenziali errori.

Soluzione: Quando possibile, registrare i file Gerber su un punto dati comune. Questo aiuta a garantire il corretto allineamento di tutti i livelli.

Riempimenti vettoriali per i livelli piano

L'utilizzo di riempimenti vettoriali per i livelli piano o i livelli con aree di schermatura può comportare file Gerber di grandi dimensioni e richiedere un'elaborazione aggiuntiva.

Soluzione: Per le aree da riempire, utilizzare dati “raster” o “contour” invece di riempimenti vettoriali.

Livelli compositi

Alcuni software di progettazione PCB utilizzano livelli compositi per creare un livello, il che può causare confusione.

Soluzione: Combinare tutti i livelli compositi e output come un singolo livello Gerber.

Pad vettorializzati

I pad composti da molti piccoli vettori possono richiedere tempi di elaborazione aggiuntivi.

Soluzione: Utilizzare flash pad invece di pad vettorializzati quando possibile.

Dati Gerber vuoti o danneggiati

Questo può derivare da impostazioni errate nel software CAD.

Soluzione: Verificare sempre i file Gerber utilizzando un visualizzatore Gerber prima dell'invio. Controllare attentamente le impostazioni del software CAD.

File Gerber rispetto ad altri formati di file PCB

Con così tanti formati di file PCB disponibili, perché i file Gerber rimangono lo standard del settore? Per rispondere a questa domanda, confrontiamo i file Gerber con altri formati di file PCB e comprendiamo i loro relativi punti di forza e di debolezza.

Gerber vs. ODB++

ODB++ è uno dei principali concorrenti del formato Gerber. Sviluppato nel 1992, ODB++ mira ad affrontare alcune delle limitazioni di Gerber.

Gerber:

• Ampiamente accettato e supportato
• Semplice e facile da interpretare
• Contiene solo dati immagine

ODB++:

• Contiene informazioni più complete (dati elettrici, specifiche dei materiali)
• Supporta l'automazione nel processo di produzione
• Può ridurre il numero di file necessari

Sebbene ODB++ offra alcuni vantaggi, in particolare per i progetti complessi, i file Gerber rimangono più ampiamente utilizzati grazie alla loro semplicità e accettazione universale.

Gerber vs. IPC-2581

IPC-2581 è uno standard open source che, come ODB++, mira a fornire dati PCB più completi.

Gerber:

• Standard industriale con ampio supporto
• Formato più semplice
• Richiede file separati per diversi aspetti del progetto

IPC-2581:

• Formato di file singolo contenente tutti i dati PCB
• Include informazioni sullo stackup e proprietà dei materiali
• Standard aperto, non controllato da una singola azienda

Sebbene IPC-2581 offra alcune funzionalità interessanti, non ha ancora raggiunto l'adozione diffusa dei file Gerber.

Altri Formati

Altri formati PCB includono:

• IPC-D-350 C
• DXF
• PDF
• EDIF
• GenCAM (IPC-2511A e IPC-2511B)
• STEP AP210

Ciascuno di questi formati ha i suoi punti di forza e casi d'uso, ma nessuno ha soppiantato Gerber come standard de facto per la produzione di PCB.

Perché Gerber rimane dominante

I file Gerber sono straordinariamente resilienti di fronte a formati più nuovi e complessi. Ciò è dovuto a diversi fattori:

1. Supporto Universale: Praticamente tutti i produttori di PCB supportano i file Gerber, rendendoli una scelta sicura per i progettisti.
2. Semplicità: La relativa semplicità dei file Gerber li rende facili da generare, leggere e risolvere.
3. Storia: Essendo lo standard industriale di lunga data, esiste una vasta gamma di conoscenze e strumenti disponibili per lavorare con i file Gerber.
4. Miglioramento continuo: Il formato Gerber non è rimasto fermo. Aggiornamenti come Gerber X2 hanno aggiunto funzionalità per affrontare alcune delle limitazioni del formato.

Una buona regola pratica è quella di seguire i formati supportati dal tuo produttore preferito. Se accettano file Gerber (come fanno la maggior parte), spesso c'è poca ragione per complicare il processo utilizzando un formato diverso.

File Excellon per la foratura di PCB

Ti sei mai chiesto come fanno i produttori di PCB a sapere esattamente dove praticare i fori nella tua scheda? File Excellon. Pur non facendo strettamente parte del formato Gerber, i file Excellon sono compagni cruciali dei file Gerber nel processo di fabbricazione dei PCB.

I file Excellon sono comunemente usati per descrivere i fori su un PCB, fornendo istruzioni CNC (Computer Numerical Control) per le macchine di foratura. Vengono in genere forniti ai produttori di PCB insieme a un set di file Gerber, completando le informazioni necessarie per la fabbricazione della scheda.

Il formato più comunemente usato è Enhanced Excellon (o Excellon Version 2). Questo formato è progettato per guidare in modo efficiente e accurato le macchine CNC di foratura e routing.

I componenti chiave dei file Excellon includono:

1. Definizioni degli utensili: Questi specificano le dimensioni delle punte da trapano da utilizzare.
2. Coordinate dei fori: Coordinate X e Y precise per ogni foro da praticare.
3. Fori placcati vs. non placcati: Informazioni su quali fori devono essere placcati e quali no.

Quando si generano file Excellon, le impostazioni chiave da considerare includono:

• Livelli: Specificare quali livelli contengono informazioni sui fori (ad es. Fori, Fori, Vias placcati, Vias non placcati).
• Dimensioni degli utensili: Assicurarsi che siano incluse tutte le dimensioni degli utensili necessarie.
• Soppressione dello zero: Questo dovrebbe essere tipicamente impostato su "off".
• Origine: Solitamente impostato su "assoluto" per coerenza con i file Gerber.

I file Excellon garantiscono una foratura accurata del PCB. Funzionano in tandem con i file Gerber per fornire un set completo di istruzioni per la fabbricazione del PCB. Mentre i file Gerber definiscono le tracce di rame, la maschera di saldatura e altre informazioni sui livelli, i file Excellon assicurano che i fori per i vias, i componenti through-hole e il montaggio siano posizionati esattamente dove sono necessari.