Generowanie plików Gerber, Excellon oraz Pick&Place

Wstęp

W życiu każdego projektanta przychodzi kiedyś taki czas, kiedy projektuje PCB już nie na potrzeby własnej domowej produkcji, ale na potrzeby produkcji seryjnej. Dlatego w tym artykule chciałbym omówić dwie podstawowe rzeczy związane z przygotowaniem do produkcji płytek.

Tworzenie plików Gerber i Excellon potrzebnych do wykonania płytki

Aby jakikolwiek zakład produkcyjny obwodów drukowanych – w żargonie projektantów PCB często zwany fabem – mógł profesjonalnie wykonać płytkę to trzeba mu dostarczyć odpowiednie pliki. Niewiele zakładów przyjmuje natywne pliki takie jak Protel PCB czy EAGLE BRD, a na próżno szukać takich zakładów, które przyjmą pliki programu KiCad, nie wspominając już o pozostałych dość egzotycznych/niszowych formatach. Dlatego na podstawie wykonanego już projektu trzeba utworzyć pliki w takim formacie, by na jego podstawie powstały odpowiednie klisze (maski) do naświetlania.

W chwili obecnej nie ma praktycznie żadnej alternatywy i w takich przypadkach doskonale sprawdzają się pliki w formacie Gerber. Pliki te to nic innego jak zbiór instrukcji przeznaczonych dla fotoplotera, aby na wysoko-kontrastowej kliszy fotograficznej wyrysować strumieniem światła obraz ścieżek, pól lutowniczych i stref miedzi, a także masek. Dokumentacja do aplikacji GerbView zawiera dokładniejszy opis tego procesu wraz z krótkim opisem formatu plików.

W programie KiCad pliki Gerber są generowane z poziomu menu głównego programu Pcbnew. Wystarczy uruchomić polecenie Rysuj i z listy dostępnych formatów wyjściowych wybrać format Gerbera.

rys1

Niezbędne ustawienia

Przede wszystkim przed wygenerowaniem plików należy wybrać odpowiedni dla danego projektu zestaw warstw. Dla których warstw należy wygenerować pliki? To zależy głównie od zawartości projektu i częściowo własnych preferencji. Poniższa tabela może pomóc w ich prawidłowym wyborze:

F.Cu, B.Cu, InX.Cu Wszystkie używane warstwy sygnałowe (zawierające ścieżki) należy obowiązkowo wygenerować.

W przypadku płytek wielowarstwowych, gdzie ilość warstw jest większa niż 2, należy także obowiązkowo załączyć opis stosu warstw, czyli listę w jaki sposób ułożyć kolejne warstwy na płytce. Jest to ważne z uwagi na zastosowanie przelotek ślepych lub zagrzebanych, które muszą łączyć tylko wybrane warstwy i z reguły łączą tylko dwie sąsiadujące ze sobą warstwy.

B.Adhes, F.Adhes Te warstwy nie są potrzebne w produkcji samych płytek. Mogą być przydatne podczas montażu automatycznego w procesie nakładania kleju do mocowania elementów przed lutowaniem za pomocą fali lub lutowaniem techniką rozpływową przy płytkach z montażem obustronnym. Jeśli nie przewidujemy stosowania klejenia można je pominąć.

W przypadku stosowania klejenia i płytek układanych w panel warto te warstwy również wysłać, by zakład produkcyjny przygotował kompletny plik już po poskładaniu płytek do wykonania odpowiedniego sita.

B.Paste, F.Paste Te warstwy nie są potrzebne w produkcji samych płytek. Będą przydatne przy montażu automatycznym do nakładania pasty lutowniczej na pola lutownicze przed układaniem elementów.

W przypadku płytek układanych w panel warto te warstwy wysłać, by zakład produkcyjny przygotował kompletny plik już po poskładaniu płytek do wykonania odpowiedniego sita.

B.SilkS, F.SilkS Te warstwy zawierają rysunki opisowe z obu stron płytki. Jeśli płytka ma być pozbawiona opisów to można te warstwy pominąć.
B.Mask, F.Mask Te warstwy zawierają rysunek maski lutowniczej. Jeśli płytki mają trafić do montażu w technologii fali, należy je obowiązkowo wygenerować.

W innych przypadkach można je pominąć jeśli maska nie jest wymagana, jednak trzeba mieć na uwadze, że odkryta miedź będzie pokryta cyną lub złotem.

Margin, F.CrtYd, B.CrtYd Te warstwy zawierają dodatkowe rysunki i obrysy elementów. Używa się ich podczas projektowania, zatem nie generuje się dla nich plików Gerber.
Cmts.User, Eco1.User, Eco2.User, F.Fab, B.Fab Te warstwy służą do przekazywania dodatkowych informacji na temat produkcji płytki, np. specjalnej obróbki mechanicznej czy mapy montażowej do testów poprawności montażu. Trzeba je wygenerować jeśli projekt zawiera takie informacje lub będą one wymagane przez zakład produkcyjny.
Edge.Cuts Ta warstwa zawiera rysunek z obrysem płytki. Trzeba ją obowiązkowo wygenerować by zakład produkcyjny wiedział jak mechanicznie przyciąć płytkę.

Gdy już odpowiednie warstwy zostaną wybrane trzeba przyjrzeć się dodatkowym opcjom.

Opcje podstawowe są dość jasno opisane do czego służą i większość z nich dotyczy opisów mających się pojawić na warstwie opisowej. Jedna z nich może budzić pewne wątpliwości: Nie maskuj przelotek. Jeśli nie będzie zaznaczona to przelotki zostaną ukryte pod soldermaską. Jeśli zaś zaznaczymy tą opcję to otoczka przelotki zostanie odkryta i w czasie procesu cynowania lub złocenia zostaną one nimi pokryte, zatem będą mogły służyć jako potencjalne punkty pomiarowe, czy miejsca lutowania dodatkowych połączeń (jeśli zajdzie taka potrzeba).

Opcje Gerber związane są już z samymi plikami.

  • Użyj właściwych rozszerzeń plików – Pliki wyjściowe są nazywane według nazw warstw z domyślnym rozszerzeniem PHO (PHotoplOter file). Jednak jest możliwość wyróżnienia warstw na podstawie rozszerzenia pliku. Jeśli zaznaczysz tą opcję to poszczególne warstwy otrzymają swoje rozszerzenia. Np F.Cu.pho zostanie przemianowana na F.Cu.gtl (Gerber file Top Layer). Rozszerzenia te są zgodne z konwencją zaproponowaną przez program Protel i są rozpoznawane przez większość zakładów produkcyjnych.
  • Wyłącz warstwę krawędzi od pozostałych warstw – W KiCADzie warstwa Edge.Cuts jest traktowana specjalnie i to co znajduje się na niej zostaje skopiowane do innych warstw. Pozwala to m.in. na dodawanie punktów pozycjonujących (jest taka opcja w Pcbnew) by w procesie produkcji poprawnie złożyć klisze. Jeśli zaznaczysz tą opcję, to kopiowanie nie będzie przeprowadzone i to co zostanie narysowane na warstwie Edge.Cuts zostanie wyłącznie na niej.
  • Odejmij maskę lutowniczą od warstwy opisowej – To opcja głównie dla zapominalskich, projektujących płytki dwu-/więcej warstwowe (w przypadku płytek jednostronnych z elementami przewlekanymi jest raczej zbędna, bo opis jest na przeciwnej stronie). Jeśli nie zaznaczymy tej opcji to maska opisowa może nam pokryć pola lutownicze jeśli np. źle zaprojektowaliśmy footprinty lub źle rozmieściliśmy opisy. Lutowanie takich pól lutowniczych nie należy do przyjemności, a i wielu nadgorliwych producentów nawet zwraca pliki z adnotacją, że nie wykonają płytek „bo opis zachodzi na pady”. Oczywiście istnieją wyjątki i płytki zostaną wykonane, ale na 99% warstwa opisowa zostanie wtedy zmodyfikowana. Jeśli opcję tą zaznaczymy to miejsca konfliktu opisów z polami zostaną usunięte już na etapie rysowania plików produkcyjnych.
  • Użyj osi pomocniczej jako punktu początkowego – Warto tą opcję zaznaczyć i w Pcbnew dodać Punkt bazowy dla plików wierceń…. Wtedy wszystkie współrzędne w plikach Gerber oraz Excellon będą się odnosić do tego punktu.

Pliki wierceń

Po wygenerowaniu plików Gerber trzeba jeszcze wygenerować pliki przeznaczone dla wiertarki numerycznej. Rzadko się bowiem zdarza, by płytka była całkowicie pozbawiona otworów. Do tego celu służą pliki w formacie Excellon.

Aby wygenerować odpowiednie pliki należy w oknie Rysuj kliknąć opcję Generuj plik wierceń, co otworzy dodatkowe okno z ustawieniami związanymi z plikami Excellon:

rys2

Tutaj również warto przyjrzeć się pewnym ustawieniom. Wybór opcji w grupach Jednostki wierceń, Format zer oraz Opcje pliku wierceń zależą od preferencji zakładu produkcyjnego. Warto przed wygenerowaniem sprawdzić w wymaganiach danego zakładu jak najlepiej jest ustawić te opcje.

Jeśli przy generacji plików Gerber wybraliśmy opcję Użyj osi pomocniczej jako punktu początkowego to tutaj też jako Punkt zerowy trzeba wybrać Oś pomocniczą. Inaczej zakład produkcyjny musiałby dopasowywać pliki, co mogłoby się zakończyć błędnym wierceniem.

Po wykonaniu niezbędnych ustawień należy tylko skorzystać z trzech przycisków po prawej stronie:

  • Plik wierceń – utworzy podstawowe pliki Excellon zapisane jako pliki z rozszerzeniem DRL. W zależności od zawartości projektu mogą zostać wygenerowane dwa pliki. Pierwszy z nich będzie dotyczył programu wiertarskiego przed miedziowaniem przelotek (metalizacja otworów), drugi zawierający w nazwie skrót NPTH (Non Plated Trough Holes) będzie dotyczył otworów, które robi się na końcu obróbki chemicznej płytki, w związku z tym nie będą posiadać metalizacji. Gdybyśmy zaznaczyli opcję Połącz otwory PTH i NPTH wtedy powstanie tylko jeden plik wyjściowy.
  • Mapa wierceń – utworzy dodatkowy plik gdzie w formie graficznej będą zaznaczone wszystkie otwory oraz wyszczególnione narzędzia (rozmiary wierteł). Warto taką mapę wygenerować i przeanalizować pod względem jej uproszczenia. Z reguły nie jest ona wymagana przez zakład produkcyjny.
  • Plik raportu – utworzy dodatkowy plik gdzie wyszczególnione zostaną dane na temat ilości narzędzi, ilości otworów metalizowanych i niemetalizowanych. Warto go wygenerować z uwagi na wymagania niektórych producentów by podać w zamówieniach ilość otworów.

Optymalizacje w plikach wierceń

W tym miejscu musimy sobie zdać sprawę z tego, że przygotowanie programu dla wiertarki numerycznej jest o wiele bardziej skomplikowane niż naświetlanie klisz. Im więcej narzędzi musi zostać użyte tym większe koszty takiego przygotowania. Dlatego też, przed utworzeniem końcowych plików warto najpierw utworzyć dla siebie kompletną mapę wierceń, by zredukować – gdzie tylko możliwe – ilość użytych narzędzi.

Weźmy przykładową mapę wierceń i spójrzmy na listę narzędzi. Od razu powinno się rzucić w oczy, że pewne otwory są o bardzo zbliżonej średnicy, a wręcz takie same, ale wykonywane różnymi narzędziami. Warto dokonać w projekcie drobnych edycji parametrów pól lutowniczych, by pozbyć się tego typu sytuacji.

rys3

Co jeszcze można zrobić? Jeśli możemy sobie pozwolić, by niektóre otwory wykonać narzędziem o większej średnicy to dodatkowo możemy zredukować ilość potrzebnych narzędzi. Na przykładzie tej mapy, możemy połączyć pewne narzędzia i przykładowo otwory o średnicy 0,8mm możemy wykonać wiertłem 0,9mm. Jeśli pola lutownicze zrobiliśmy z odpowiednim zapasem to taka operacja nie powinna negatywnie wpłynąć na minimalną różnicę pomiędzy rozmiarem pola a rozmiarem wiercenia (tzw. minimum annular ring). Gdyby jednak taka sytuacja miała miejsce to musimy nieco powiększyć rozmiar pól i zaktualizować projekt.

Finalne testowanie plików

Przed spakowaniem plików Geber i Excellon oraz wysłaniem ich do produkcji należy obowiązkowo skorzystać z możliwości obejrzenia tych plików w programie GerbView. Samodzielny test potrafi wykryć proste błędy i umożliwi ich wyeliminowanie jeszcze przed przekazaniem plików. Opis jak korzystać z programu GerbView znajduje się w jego dokumentacji.

Tworzenie plików dla automatów montażowych Pick&Place

Często wytworzenie samej płytki przy produkcji seryjnej to tylko połowa sukcesu. Jeśli po otrzymaniu gotowych płytek planujemy zmontować tylko kilka płytek to można to zrobić ręcznie lub z pomocą półautomatów, jednak gdy ilość potrzebnych płytek przekroczy pojedyncze sztuki to warto zastanowić się nad wykorzystaniem możliwości jakie dają automaty Pick and Place oraz usługi PCBA (PCB Assembly).

W tym miejscu program KiCad również może nam pomóc poprzez wygenerowanie odpowiednich plików.

Dalszy ciąg nastąpi…

Witryna poświęcona aplikacjom KiCad EDA Suite