В данном разделе описываются элементы и процессы системы обмена данными. Как только завершено проектирование печатной платы, необходимо передать концепцию её конструкции внутренним или внешним поставщикам для изготовления и сборки. Это осуществляется путем передачи электронных данных.
Для передачи электронных данных предприятию-изготовителю печатных плат необходимо осуществить экспорт данных в формате Gerber (исторически экспорт данных выполнялся и выполняется именно в этом формате), а информация для высверливания отверстий в формате Excellon (Excellon является изготовителем прецизионных станков для сверления отверстий).
Данные форматы не содержат информации о порядке следования слоёв платы, промежутка между высверливаемыми отверстиями или контуров компонентов. Эти данные передаются производителю, зачастую, без всякой проверки. На этапе монтажа, сборщик плат получает изображение в формате Gerber внешних слоёв, положений на плоскости X и Y компонентов и файл, содержащий ведомости материалов (BOM). Недостатком данных методов является их ненадежность из-за содержащихся в них ошибок и недостаточности информации, что порождало множество вопросов по разъяснениям и тормозило процесс изготовления. В связи с этим, конструкторы и операторы монтажа, которые были вынуждены проверять данные после их вывода на правильность и технологичность, начали работать с системой автоматизированного проектирования и средствами автоматизированного производства (CAM) для выработки лучших форматов и методов обмена данными. К этим данным следует отнести: рисунки слоёв, данные для сверления отверстий (местоположения, промежутки для глухих и утопленных отверстий), допуски и толщина металлического покрытия, контуры платы и информация по обработке контура, требования к чередованию слоёв (порядок следования слоёв), информация о списке межсоединений, панелизация монтажа для размещения на одной панели многочисленных печатных плат в готовом для монтажа виде (несколько плат сотового телефона могут монтироваться вместе благодаря своим маленьким размерам), требования к электрическим параметрам (импеданс) и к материалам (паяльная маска, перечень условных обозначений), рабочие чертежи, тип поверхностного покрытия и требования к его качеству (выравнивания припоя горячим воздухом (HASL) или органическое покрытие, сохраняющее возможность пайки (OSP), паяльная маска), инструкция по упаковке и доставке, требования к испытательному образцу. Кроме того, могут быть указаны или предоставлены следующие данные: проектирование с учетом анализа результатов для пригодности в массовом производстве (DFM) и соответствующий критерий (например, критерий промежутков и его нарушений), информация по расположению компонентов, которая может оказать помощь производителю при изготовлении окон в паяльной маске, обеспечивающих хорошее согласование при пайке.
Теперь непосредственно перейдём к рассмотрению широко используемым форматам обмена данными.
Перечень соединений
Этот список содержит номера схем и для каждой схемы перечень точек с их координатами по X и Y, а также поверхность на которой их можно найти. Эта информация является базовой, представляющей связность печатной платы, по которой можно проверять её графическое представление и из которой можно создавать текстовую программу для электрического тестирования. Другой тип списка является списком пакета принципиальных схем для программного обеспечения CAD, с помощью которого идентифицируется возможность соединения компонентов.
Базы данных для полного проектирования. Форматы CAD
Базы данных для полного проектирования, которые формируются либо с помощью формата данных системы CAD, либо извлекаются из Американского формата обмена информацией ASCII, представляют собой информацию для определённых компонентов и их способности соединяться между собой на плате как иерархическое расположение схем и подсхем, разбитых на трассы, переходные отверстия и площадки. Они передаются для монтажа платы и её испытания, но не для её изготовления. Поскольку производители оригинального оборудования (OEM) рассматривают эти форматы как представляющие риск для безопасности патентованной информации, они часто предпочитают переносить информацию низкого качества с помощью других форматов с целью сохранения её секретности.
Информация о компонентах: BOM и AVL
BOM-файлы используются для того, чтобы сообщить сборщику, какие именно справочные кодовые номера должны фактически наноситься на данную плату для определённого заказа. Разграничения между функциональностью компонентов и их фактической закупкой приводят к необходимости создания файла AVL. Базы данных CAD обычно содержат номера деталей, которые представляют их функциональность и являются внутренними для проектной организации, в отличие от тех номеров деталей, которые может заказать клиент. Инженеры, занимающиеся компонентами, отвечают за нахождение настоящих номеров деталей для использования внутренних номеров, и эта информация обычно собрана в электронных таблицах или текстовых файлах, которые называются AVL, или в списках одобренных компонентов ACL.
Форматы списков соединений
К данным форматам относятся IPC-D-356, который используется для передачи информации о списке соединений в рамках проектирования печатной платы и её изготовления. Эта информация используется для проверки целостности цепей с помощью извлечения по списку соединений из графиков Gerber и сравнением с ссылкой в IPC-D-356 CAD.
Список размещения компонентов CPL являются ASCII-файлами или электронными таблицами, используемыми для передачи местоположения компонентов по координатам X и Y, если не присылаются файлы с данными системы CAD. Файлы CPL обычно минимально форматируются по столбцам. Требуемые столбцы являются справочными кодовыми номерами, местоположениями X и Y и чередованием компонентов.
Gerber-файлы 274D и 274X.
Данные форматы описывают одиночные, графические (сверление, черчение), двусторонние слои. Они обычно сопровождаются файлами с данными для сверления отверстий, которые указывают местоположения высверливаемых отверстий и их диаметры. Основными недостатками форматов графических изображений является то, что они представляют отдельные слои, а не печатную плату в целом. Кроме того, их невозможно проверить без сопроводительного файла с перечнем соединений. Добавление файла с перечнем соединений является обязательным для гарантии правильности изготовления платы.
Основным недостатком формата 274D относительно данных для сверления (Excellon I Excellon II) является отсутствие определения единиц измерения и шкалы деления чисел. Каждая координата задаётся как множество цифр, и транслятор или пользователь должен задать единицы (дюймы или мм), а также положение в формате десятичной запятой. Кроме того, возникает проблема от использования произвольных чисел («D-коды» для значений апертуры на апертурном диске) для описания ширины линий и размера контактных площадок. Безошибочная трансляция этих файлов зависит от правильного определения апертуры диска, которая описывается отдельно. На рисунке 1 приведена схема координатографа, поясняющая применяемую терминологию. Координатограф использует стационарный источник света для его передачи через вращающийся с изменяемой апертурой диск (он определяет размер светового пятно на планшете) на координатный стол, который может перемещаться по направлениям X и Y. Шторка закрывает или пропускает свет в зависимости от того, что именно нужно. Прецизионная оптика регулирует фокусировку светового пятна.
К командам, которые управляют этим механизмом, относятся команды на перемещение по осям X и Y для выставления координатного стола, команды, которые поворачивают шторку в положение «открыто» и «закрыто», а также команды в D-кодах, которые вращают апертурный диск в требуемое положение.
Gerber 274X был разработан в начале 1990-х для решения некоторых проблем, имеющих место быть при использовании формата 274D. Следует отметить, что оба формата применяются для передачи графических изображений схемы, слоёв маски, а также изображений документов слоёв, используемых для инструкций.
Формат Gerber RS-274-X является распространенным форматом, используемым сегодня для описания данных платы для координатографа. Данный формат включает в себя собственно сам формат Gerber плюс команды для задания стандартной апертуры, макроопределения апертуры (специальные символы), выбор полярности слоя. В отличие от формата 274D, RS-274-X включает определения координат с использованием команды FS. Серьёзными ограничениями формата 274X является многоугольное представление. Никакого решения не было представлено для описания внутренних очертаний или зазоров. Каждая из реализаций вывода, основанных на формате 274X, системы CAD, обходится с этими проблемами по своему. Например, известна проблема «самопересекающихся полигонов».
Формат ODB++ и IPC-2581 – современные форматы обмена данными
Формат данных ODB++ является общим языком, используемым для обмена данными между DFM и CAD/CAM. Он преодолевает многие препятствия обмена данными в рамках цепочки поставок разработчик-изготовитель. ODB++ представляют собой подробное описание физической модели печатной платы, компонентов и данных для испытания. ODB++ широко применяется в промышленном изготовлении печатных плат, и многие инструменты поставщика его поддерживают, включая некоторые системы CAD.
IPC-2581 является универсальным форматом данных, базирующемся на ODB++ и является высшей точкой развития ODB++. Формат IPC-2581 содержит подробное описание проекта печатной платы, которое содержит все данные, необходимые как для изготовления плат, так и для монтажа.
Тенденции развития форматов обмена данным заключается в том, что происходит постоянное совершенствование техники и технологий производства, а также методов конструирования. Так, например, формат IPC-2581 имеет недостаток, связанный с тем, что не поддерживает проекты, имеющие встроенные пассивные и активные компоненты. В связи с этим развитие технологии с встроенными компонентами сдерживается ошибками обмена данными и соответствующими затратами.