O que são ficheiros Gerber e como utilizá-los para o fabrico de PCB

O que são exatamente ficheiros Gerber e porque são tão cruciais no mundo da conceção e fabrico de placas de circuitos impressos? Estes ficheiros fazem a ponte entre o design e o fabrico, actuando como o elo essencial que transforma um conceito digital num produto físico. Este artigo irá explorar os diferentes formatos de ficheiros Gerber, como são utilizados e porque são tão importantes no fabrico de placas de circuito impresso.

O que são ficheiros Gerber

Os ficheiros Gerber são a força vital do fabrico de PCB. São o formato de ficheiro padrão de facto utilizado na indústria de PCB para descrever imagens de placas de circuito impresso. Estes ficheiros de formato vetorial ASCII aberto contêm informações detalhadas sobre cada camada física da placa do seu desenho de PCB, tais como camadas de cobre, máscara de solda, legenda, dados de perfuração e muito mais.

Pense nos ficheiros Gerber como o equivalente a um PDF no mundo da eletrónica. Tal como um PDF preserva a disposição e a formatação exactas de um documento, os ficheiros Gerber preservam o desenho preciso de uma placa de circuito impresso. São tratados como ficheiros de imagem que representam cada camada de fabrico de uma placa de circuito impresso, garantindo que o fabricante pode reproduzir com precisão o seu desenho.

Cada ficheiro Gerber representa normalmente uma única camada da placa de circuito impresso. Por exemplo, um ficheiro pode conter informações sobre a camada superior de cobre, enquanto outro descreve a máscara de solda inferior. Esta abordagem por camadas permite desenhos de PCB incrivelmente detalhados e precisos.

Os fabricantes de PCB utilizam estes ficheiros para traduzir os detalhes intrincados de um desenho nas propriedades físicas da PCB. Os dados contidos nos ficheiros Gerber orientam as máquinas em todas as fases do processo de produção, desde a criação de traços de cobre até à aplicação da máscara de solda.

Os ficheiros Gerber são normalmente gerados por um software de desenho de PCB (CAD). Quando um engenheiro termina o desenho do circuito, utiliza este software para criar os ficheiros Gerber que serão enviados ao fabricante. Este processo garante que a visão do designer é comunicada com precisão à equipa de produção.

Formatos de ficheiros Gerber

O mundo dos ficheiros Gerber tem evoluído ao longo do tempo, com vários formatos desenvolvidos para satisfazer as necessidades em constante mudança da indústria de PCB.

RS-274-D

O RS-274-D, também conhecido como Gerber Standard, é um dos formatos de ficheiro Gerber mais antigos. Foi originalmente utilizado para máquinas de controlo numérico e mais tarde adaptado para plotters fotográficas. Este formato era um subconjunto da especificação RS-274-D da Associação das Indústrias Electrónicas.

O Gerber standard era um formato ASCII simples que consistia em comandos e coordenadas XY. Embora tenha servido o seu objetivo durante muitos anos, tinha limitações. Por exemplo, não incluía informações sobre a unidade de coordenadas ou definições de abertura, o que muitas vezes levava a confusão e erros.

É importante notar que o RS-274-D já não é suportado pelo seu programador UCAMCO e é considerado obsoleto. Se encontrar este formato, é melhor convertê-lo para uma versão mais moderna.

RS-274X

O RS-274X, também conhecido como Extended Gerber ou X-Gerber, foi desenvolvido para resolver as falhas do RS-274-D. Lançado em setembro de 1998, este formato melhorou significativamente o seu antecessor.

O RS-274X é um formato ASCII legível por humanos que inclui unidades incorporadas, definições de abertura e outras informações cruciais. Este formato autónomo permite estruturas de várias camadas e preenchimentos especiais de polígonos, minimizando os erros de foto-plotagem ao eliminar a introdução manual de dados.

O RS-274X contém a descrição completa de uma imagem de camada de PCB sem necessitar de quaisquer ficheiros externos. Esta natureza autónoma torna-o muito mais fiável e fácil de trabalhar do que o seu antecessor.

Gerber X2

O Gerber X2 é o mais recente formato de ficheiro Gerber, lançado em 2014. Envolve software CAM avançado e baseia-se nos pontos fortes do RS-274X, acrescentando novas funcionalidades.

A melhoria mais significativa no Gerber X2 é a adição de metadados à imagem. Isto permite que os designers atribuam atributos a caraterísticas no ficheiro Gerber, fornecendo informações ainda mais detalhadas sobre o design da placa de circuito impresso.

O Gerber X2 inclui informações como a função de camada, funções de objeto e localizações de traços controlados por impedância. Estes dados adicionais tornam o processo de fabrico ainda mais preciso e reduzem as possibilidades de interpretação incorrecta.

Os ficheiros X2 utilizam normalmente a extensão .GBR para todos os ficheiros, eliminando a necessidade de extensões de ficheiros intuitivas. A localização real no empilhamento da PCB pode ser codificada como parte dos dados nos ficheiros .GBR, permitindo que os utilitários de visualização Gerber reconstruam o empilhamento com precisão.

ODB++

Embora não seja estritamente um formato Gerber, vale a pena mencionar o ODB++, uma vez que é por vezes utilizado juntamente ou em vez de ficheiros Gerber. O ODB++ é um formato de ficheiro auto-extraível com um formato de entrada normalizado e abrangente.

Desenvolvido para resolver algumas das limitações dos ficheiros Gerber, o ODB++ ajuda a automatizar o empilhamento, a colocação de furos e a etiquetagem. Foi concebido para reduzir os erros humanos através da automatização da maioria dos processos.

No entanto, o ODB++ não é tão amplamente utilizado como os formatos Gerber. Embora ofereça algumas vantagens, especialmente para desenhos complexos, muitos fabricantes continuam a preferir a simplicidade e a universalidade dos ficheiros Gerber.

Extensões de ficheiros Gerber

Compreender as extensões dos ficheiros Gerber é crucial para uma conceção e fabrico eficazes de PCB. Estas extensões indicam a camada ou função que cada ficheiro representa, ajudando tanto os designers como os fabricantes no fabrico de PCB.

A extensão de ficheiro padrão para ficheiros Gerber é .GBR ou .gbr, embora também possa encontrar extensões como .GB, .geb ou .gerber. No entanto, são as extensões específicas que fornecem informações mais detalhadas sobre o conteúdo de cada ficheiro.

As extensões mais comuns incluem:

• .GTL (Camada superior)
• .GBL (Camada inferior)
• .GTO (serigrafia superior)
• .GBO (serigrafia inferior)
• .GTS (Máscara de soldadura superior)
• .GBS (Máscara de solda inferior)
• .GKO (esboço do quadro)

Cada uma destas extensões corresponde a uma camada ou função específica no desenho da PCB. Por exemplo, um ficheiro com a extensão .GTL contém informações sobre a camada superior de cobre da placa de circuito impresso.

No formato Gerber X2 mais recente, o atributo .FileFunction tornou-se o método normalizado para ligar cada camada da placa de circuito impresso ao ficheiro Gerber correspondente nos dados de fabrico. Este atributo fornece informações ainda mais precisas sobre o conteúdo e o objetivo do ficheiro.

Os ficheiros RS-274-X utilizam extensões no formato "GXY" para denotar funções específicas e atribuições de camadas. Por outro lado, os ficheiros X2 utilizam normalmente a extensão .GBR para todos os ficheiros, baseando-se em metadados incorporados para distinguir entre camadas.

Geração de ficheiros Gerber a partir de software CAD

Agora que já sabemos o que são ficheiros Gerber e os seus vários formatos, qual é o processo de geração destes ficheiros cruciais a partir de um software CAD? Embora os passos exactos possam variar em função do seu software específico, o processo geral é semelhante em todas as plataformas.

Passo 1: Concluir o desenho da placa de circuito impresso

Antes de gerar ficheiros Gerber, certifique-se de que o design da sua placa de circuito impresso está completo e que não existem erros. Isto inclui a verificação de todas as ligações, colocação de componentes e verificação das regras de conceção.

Passo 2: Aceder à ferramenta de geração de ficheiros Gerber

Na maioria dos softwares de design de PCB, encontrará uma opção para gerar ou exportar ficheiros Gerber. Esta opção pode estar num item de menu como "Ficheiro", "Exportar" ou "Saídas de fabrico".

Passo 3: Selecionar as camadas a exportar

Terá de exportar ficheiros Gerber para cada camada da sua placa de circuito impresso. Isto normalmente inclui:

• Camadas de cobre superior e inferior
• Máscara de solda superior e inferior
• Serigrafia superior e inferior
• Descrição do quadro
• Ficheiros de perfuração (frequentemente em formato Excellon)

Certifique-se de que seleciona todas as camadas necessárias para o seu desenho.

Passo 4: Escolher o formato Gerber

Selecione o formato Gerber adequado. Embora deva verificar com o seu fabricante, RS-274X ou Gerber X2 são geralmente recomendados para o fabrico moderno de PCB.

Passo 5: Definir as unidades e a precisão

Escolha as unidades (polegadas ou milímetros) e defina a precisão. Uma definição comum é 2:4 ou 2:5, ou seja, 2 dígitos antes do ponto decimal e 4 ou 5 depois.

Passo 6: Configurar outras definições

Dependendo do seu software, pode ser necessário configurar definições adicionais, como aberturas, formatos de perfuração e polaridades de camadas. Em caso de dúvida, consulte a documentação do seu software ou as diretrizes do fabricante.

Passo 7: Gerar os ficheiros

Quando todas as definições estiverem configuradas, gere os ficheiros Gerber. O seu software criará um conjunto de ficheiros, cada um representando uma camada ou aspeto diferente do seu design de PCB.

Passo 8: Verificar a saída

Antes de enviar os ficheiros ao seu fabricante, é crucial verificá-los. Este processo será abordado na secção seguinte.

Lembre-se de que, embora este processo possa parecer complexo, é bastante simples quando compreende os principais passos. Verifique sempre as suas definições de exportação antes de gerar ficheiros Gerber para garantir a precisão e evitar problemas de fabrico.

Visualização e verificação de ficheiros Gerber

Verificar os seus ficheiros Gerber antes de os enviar aos fabricantes não é opcional - é essencial. Este passo pode reduzir significativamente os erros e atrasos no fabrico. Mas como é que se faz exatamente a visualização e a verificação destes ficheiros?

Passo 1: Escolher um visualizador Gerber

Estão disponíveis vários visualizadores Gerber, quer como software local quer como ferramentas online. Algumas opções populares incluem:

• Gerbv (código aberto, multiplataforma)
• FlatCAM (código aberto, multiplataforma)
• ViewMate (gratuito, Windows)
• GerberLogix (gratuito, Windows)
• Visualizadores em linha como o fornecido pela JLCPCB

Escolha um visualizador que seja compatível com o seu sistema operativo e com o formato Gerber que está a utilizar.

Passo 2: Carregar os ficheiros Gerber

Abra o visualizador Gerber que escolheu e carregue os seus ficheiros Gerber. A maioria dos visualizadores permite-lhe arrastar e largar os ficheiros ou utilizar uma caixa de diálogo de seleção de ficheiros.

Etapa 3: Verificar a ordem das camadas

Certifique-se de que todas as camadas estão presentes e na ordem correta. Se o visualizador Gerber não compreender a extensão do formato Gerber e não conseguir determinar a localização na pilha de camadas, poderá apresentar as camadas fora de ordem (normalmente por ordem alfabética). Neste caso, pode ser necessário organizar manualmente as camadas.

Passo 4: Verificar as dimensões da placa

Verifique se o contorno do quadro está correto e se todas as camadas estão alinhadas corretamente com este contorno.

Passo 5: Inspecionar cada camada

Examinar cuidadosamente cada camada:

• Camadas de cobre: Verificar se existem traços partidos, ligações não intencionais ou almofadas em falta.
• Máscara de soldadura: Assegurar que todas as almofadas que têm de ser expostas estão efetivamente expostas.
• Serigrafia: Verificar se todo o texto é legível e não se sobrepõe a almofadas ou vias.
• Camada de perfuração: Confirmar se todos os furos estão presentes e corretamente dimensionados.

Passo 6: Verificar se existem violações das regras de conceção

Alguns visualizadores Gerber podem efetuar verificações básicas das regras de desenho. Utilize esta funcionalidade, se disponível, para detetar quaisquer violações da largura mínima do traço, da folga, etc.

Passo 7: Comparar com o seu desenho original

Se possível, compare a vista Gerber com o seu desenho CAD original. Isto pode ajudar a detetar quaisquer discrepâncias que possam ter ocorrido durante o processo de exportação.

Etapa 8: Resolver eventuais problemas

Se encontrar algum problema, regresse ao seu software de design de PCB, faça as correcções necessárias e gere novos ficheiros Gerber. Em seguida, repita o processo de verificação.

Utilização de ficheiros Gerber no fabrico de PCB

Já alguma vez se perguntou como é que um desenho digital se transforma numa PCB física? É aqui que os ficheiros Gerber brilham verdadeiramente. São a ligação crucial entre o desenho da sua placa de circuito impresso e o processo de fabrico, orientando cada passo do fabrico.

Quando envia ficheiros Gerber a um fabricante de PCB, está a fornecer-lhe uma planta detalhada da sua placa. Cada ficheiro Gerber representa uma camada na placa física, tal como camadas de cobre, máscara de solda, legenda ou seda. Em conjunto, estes ficheiros fornecem uma imagem completa do seu design de PCB.

O processo desenrola-se normalmente da seguinte forma:

1. Receção e verificação de ficheiros: O fabricante começa por receber e verificar os seus ficheiros Gerber. Verificam se existem erros óbvios ou informações em falta.
2. Geração de imagens: Os ficheiros Gerber são utilizados para criar filmes fotográficos ou imagens digitais diretas para cada camada da placa de circuito impresso. Estas imagens orientam a criação de cada camada física.
3. Criação de camadas: Utilizando as imagens geradas a partir dos ficheiros Gerber, o fabricante cria cada camada da placa de circuito impresso. Para as camadas de cobre, isto envolve a remoção do cobre indesejado, deixando apenas os traços e as almofadas definidas no seu projeto.
4. Perfuração: Embora não faça estritamente parte dos ficheiros Gerber (os dados de perfuração estão geralmente em formato Excellon), o processo de perfuração é orientado por dados frequentemente apresentados juntamente com os ficheiros Gerber.
5. Alinhamento e prensagem de camadas: As camadas individuais são cuidadosamente alinhadas e pressionadas em conjunto para formar a placa de circuito impresso completa.
6. Máscara de solda e aplicação de serigrafia: As camadas de máscara de solda e de serigrafia, definidas pelos respectivos ficheiros Gerber, são aplicadas à placa.
7. Inspeção final: A placa concluída é inspeccionada para garantir que corresponde às especificações fornecidas nos ficheiros Gerber.

Os ficheiros Gerber são extremamente versáteis na orientação do processo de fabrico de PCB. Fornecem instruções precisas para a criação de cada aspeto da placa, desde a largura e localização dos traços até ao tamanho e forma das almofadas.

Os ficheiros Gerber podem fornecer as informações mais necessárias, mas os fabricantes podem necessitar de detalhes adicionais para determinadas especificações. Por exemplo, os ficheiros Gerber normalmente não incluem informações sobre a cor da máscara de solda e da serigrafia, requisitos para painelização, acabamento da almofada, peso do cobre e espessura da placa. Estes pormenores são normalmente fornecidos em separado ou discutidos com o fabricante.

Resolução de problemas comuns com ficheiros Gerber

Alguma vez se deparou com um misterioso erro no ficheiro Gerber? Não é o único. Apesar do seu papel crucial no fabrico de PCB, os ficheiros Gerber podem, por vezes, ser uma fonte de frustração. Vamos explorar alguns problemas comuns e como os resolver.

Camadas duplicadas

Um problema frequente é o aparecimento de "camadas duplicadas" ao submeter ficheiros Gerber a um fabricante. Isto pode ocorrer se o ficheiro zip for enviado para o mesmo diretório que os Gerbers, ou devido a definições incorrectas no seu software CAD.

Solução: Verifique sempre o conteúdo do seu ficheiro zip antes de o enviar. Certifique-se de que não existem ficheiros duplicados e que as atribuições de camadas estão corretas. Se estiver a utilizar o KiCad, tenha cuidado para não assinalar nenhuma caixa em "Plotar em todas as camadas", a menos que seja necessário.

Formatos de ficheiro incorrectos

A utilização de um formato de ficheiro obsoleto como o Gerber 274D pode causar problemas com os processos de fabrico modernos.

Solução: Utilizar Gerber X2 ou, pelo menos, Gerber 274X. Consulte o seu fabricante para confirmar o formato preferido.

Linhas gerais do quadro em falta

A ausência de um esquema de placa definido pode ser um problema significativo no fabrico da sua placa de circuito impresso.

Solução: Certifique-se de que inclui um esboço da placa nos seus ficheiros Gerber. Este pode ser o seu próprio ficheiro independente ou incluído em cada camada do conjunto de dados.

Etiquetas de ficheiros confusas

A atribuição de nomes de ficheiros pouco claros ou inconsistentes pode levar a erros no processo de fabrico.

Solução: Utilize convenções de nomenclatura claras e coerentes para os seus ficheiros Gerber. Cada nome de ficheiro deve refletir a camada de placa que representa e ser facilmente interpretável.

Formatos incorrectos de ficheiros de perfuração

Os problemas com os formatos de ficheiros de perfuração podem causar problemas ao importar o ficheiro para o fabrico.

Solução: Utilizar o formato de ficheiro NC Drill, que é o padrão da indústria. Assegurar que o cabeçalho do ficheiro indica claramente o formato.

Desalinhamento de camadas

Quando as camadas não estão corretamente alinhadas, pode ser necessário o alinhamento manual pelo fabricante, introduzindo potenciais erros.

Solução: Sempre que possível, os seus ficheiros Gerber devem ser registados num ponto de dados comum. Isto ajuda a garantir o alinhamento correto de todas as camadas.

Preenchimentos vectoriais para camadas de plano

A utilização de preenchimentos vectoriais para camadas planas ou camadas com áreas de proteção pode resultar em ficheiros Gerber de grandes dimensões e exigir processamento adicional.

Solução: Para as áreas a preencher, utilize dados "raster" ou "de contorno" em vez de preenchimentos vectoriais.

Camadas compostas

Alguns softwares de desenho de PCB utilizam camadas compostas para criar uma camada, o que pode causar confusão.

Solução: Combinar todas as camadas compostas e produzir como uma única camada Gerber.

Almofadas vectorizadas

Os blocos compostos por muitos vectores pequenos podem exigir um tempo de processamento adicional.

Solução: Sempre que possível, utilize pads flash em vez de pads vectorizados.

Dados Gerber vazios ou corrompidos

Isto pode resultar de definições incorrectas no seu software CAD.

Solução: Verifique sempre os seus ficheiros Gerber utilizando um visualizador Gerber antes de os enviar. Verifique cuidadosamente as definições do seu software CAD.

Ficheiros Gerber vs. Outros formatos de ficheiros PCB

Com tantos formatos de ficheiros PCB disponíveis, porque é que os ficheiros Gerber continuam a ser o padrão da indústria? Para responder a esta pergunta, vamos comparar os ficheiros Gerber com outros formatos de ficheiros PCB e compreender os seus pontos fortes e fracos relativos.

Gerber vs. ODB++

O ODB++ é um dos principais concorrentes do formato Gerber. Desenvolvido em 1992, o ODB++ tem por objetivo resolver algumas das limitações do Gerber.

Gerber:

• Amplamente aceite e apoiado
• Simples e fácil de interpretar
• Contém apenas dados de imagem

ODB++:

• Contém informações mais completas (dados eléctricos, especificações dos materiais)
• Apoia a automatização do processo de fabrico
• Pode reduzir o número de ficheiros necessários

Embora a ODB++ ofereça algumas vantagens, particularmente para desenhos complexos, os ficheiros Gerber continuam a ser mais utilizados devido à sua simplicidade e aceitação universal.

Gerber vs. IPC-2581

A IPC-2581 é uma norma de fonte aberta que, tal como a ODB++, tem por objetivo fornecer dados de PCB mais completos.

Gerber:

• Padrão da indústria com amplo suporte
• Formato mais simples
• Requer ficheiros separados para diferentes aspectos do desenho ou modelo

IPC-2581:

• Formato de ficheiro único que contém todos os dados PCB
• Inclui informações de empilhamento e propriedades do material
• Norma aberta, não controlada por uma única empresa

Embora o IPC-2581 ofereça algumas caraterísticas interessantes, ainda não atingiu a adoção generalizada dos ficheiros Gerber.

Outros formatos

Outros formatos de PCB incluem:

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

Cada um destes formatos tem os seus próprios pontos fortes e casos de utilização, mas nenhum substituiu o Gerber como a norma de facto para o fabrico de PCB.

Porque é que a Gerber continua a ser dominante

Os ficheiros Gerber são notavelmente resistentes face a formatos mais recentes e mais complexos. Isto deve-se a vários factores:

1. Apoio universal: Praticamente todos os fabricantes de PCB suportam ficheiros Gerber, o que os torna uma escolha segura para os designers.
2. Simplicidade: A relativa simplicidade dos ficheiros Gerber torna-os fáceis de gerar, ler e resolver problemas.
3. História: Sendo o padrão de longa data da indústria, existe uma grande quantidade de conhecimentos e ferramentas disponíveis para trabalhar com ficheiros Gerber.
4. Melhoria contínua: O formato Gerber não ficou parado. Actualizações como o Gerber X2 acrescentaram funcionalidades para resolver algumas das limitações do formato.

Uma boa regra geral é seguir os formatos suportados pela sua empresa de fabrico preferida. Se aceitarem ficheiros Gerber (o que a maioria faz), não há muitas razões para complicar o processo utilizando um formato diferente.

Ficheiros Excellon para perfuração de PCB

Já se perguntou como é que os fabricantes de PCB sabem exatamente onde fazer furos na sua placa? Ficheiros Excellon. Embora não façam estritamente parte do formato Gerber, os ficheiros Excellon são companheiros cruciais dos ficheiros Gerber no processo de fabrico de PCB.

Os ficheiros Excellon são normalmente utilizados para descrever os orifícios de uma placa de circuito impresso, fornecendo instruções CNC (Controlo Numérico Computadorizado) para máquinas de perfuração. Normalmente, são fornecidos aos fabricantes de PCB juntamente com um conjunto de ficheiros Gerber, completando as informações necessárias para o fabrico da placa.

O formato mais comummente utilizado é o Enhanced Excellon (ou Excellon Versão 2). Este formato foi concebido para acionar máquinas de perfuração e fresagem CNC de forma eficiente e precisa.

Os principais componentes dos ficheiros Excellon incluem:

1. Definições de ferramentas: Indicam as dimensões das brocas a utilizar.
2. Coordenadas do furo: Coordenadas X e Y exactas para cada furo a efetuar.
3. Furos chapeados vs. não chapeados: Informações sobre os orifícios que devem ou não ser chapeados.

Ao gerar ficheiros Excellon, as principais definições a considerar incluem:

• Camadas: Especificar quais as camadas que contêm informações de perfuração (por exemplo, Drills, Holes, Plated Vias, Unplated Vias).
• Tamanhos de ferramentas: Assegurar que todos os tamanhos de ferramentas necessários estão incluídos.
• Supressão zero: Normalmente, esta opção deve ser definida como "desligado".
• Origem: Normalmente definido como "absoluto" para coerência com os ficheiros Gerber.

Os ficheiros Excellon garantem uma perfuração precisa da placa de circuito impresso. Trabalham em conjunto com os ficheiros Gerber para fornecer um conjunto completo de instruções para o fabrico de PCB. Enquanto os ficheiros Gerber definem os traços de cobre, a máscara de solda e outras informações sobre as camadas, os ficheiros Excellon garantem que os furos para as vias, os componentes de passagem e a montagem são colocados exatamente onde são necessários.