Od ručního návrhu DPS až k CAD: můj první CAD

Ještě počátkem 80. let minulého století se desky plošných spojů navrhovaly ručně. Sice už existovaly programy pro návrh integrovaných obvodů od firem Cadence Design Systems a Mentor Graphics, ale to byl trochu jiný obor. Návrh desek se ještě stále realizoval technikou red&blue tape nebo digitalizováním ručního návrhu na digitizéru. Ale už tenkrát se začínalo mluvit o návrhu desek na počítači.

Jak jsem se zmínil v předchozím článku [1], vývoj mobilních telefonů u firmy Novatel Communications, kde jsem v té době pracoval, začal nabírat na obrátkách a manuální návrh desek již nevyhovoval. Kvůli změnám v zapojení i v součástkách se navržené desky musely často předělávat a potřebné úpravy trvaly příliš dlouho. A tak se jednoho dne v mé pracovně objevila stanice APOLLO Computer i s programem pro návrh desek od společnosti CALMA. Celá sestava zahrnovala ještě děrovačku pásky pro vrtací data a perový plotr. Její cena byla více než 100 tisíc dolarů, což tehdy představovalo i pro větší firmu poměrně náročnou investici. Představa návrhu desek na počítači ve mně vzbuzovala zvědavost, ale i obavy ze zodpovědnosti za tak drahé zařízení, nemluvě o schopnosti se to vůbec naučit používat.

Firma CALMA byla dceřinou společností průmyslového giganta General Electric, pro kterého vyvíjela CAD programy. Počítače Apollo byly v té době zřejmě nejlepší grafické stanice a držely se na výborné úrovni až do konce 80. let, kdy firmu koupila společnost Hewlett-Packard.

Pro dnešní návrháře by jistě tehdejší návrhový systém nebyl akceptovatelný, ale tenkrát představoval to nejlepší, co bylo k dispozici. Program firmy CALMA už sice zvládnul kreslení schémat i s návazností na návrh desky, ale tuto výhodu jsme tehdy nemohli využít, protože program byl pouze jeden, zatímco vývojářů obvodů několik. Desky jsem tedy navrhoval podle vytištěného schématu a použité součástky i spoje jsem si v něm barevnou tužkou odškrtával. Největším problémem byla pomalá reakce systému na povely. Načítání rozpracované desky z předešlého dne bylo vždy příležitostí si dojít na kávu a prohodit pár slov s kolegy. Jakákoliv manipulace s obrazem (zoom, posunutí, překreslení) vyžadovala značnou dávku trpělivosti, když se na obrazovce začaly pomalu po jednom objevovat jednotlivé prvky desky (pájecí plošky, via otvory, segmenty plošných spojů, obrysy součástek, referenční značení atd.). Nebylo jasné, jestli za to mohl software nebo počítač, nejspíš oba.

Už si přesně nevybavuji, jaký typ počítače Apollo jsme používali. Myslím, že to byl DN660, měl procesor 68020 od Motoroly a běžel na 12 MHz. Vypadal jako menší lednička a mohl se pochlubit pevným diskem 76 MB a ohromnou základní deskou (obr. 1). Používal vlastní operační systém Aegis, k jehož ovládání bylo dobré mít po ruce obsáhlý návod. Součástí celého systému byly ještě dva monitory – jeden menší monochromatický pro zobrazení příkazů, druhý větší (17"), barevný pro zobrazení grafiky desky. Pracovní povely se programu zadávaly dotykovým perem z malého tabletu, zatímco příkazy operačnímu systému z klávesnice.

Jakkoliv to byl z dnešního pohledu pomalý a neobratný systém, určitě s ním probíhal návrh desek rychleji než ručně. Program už měl jistou inteligenci, když rozeznával jednotlivé entity desky a uměl s nimi pracovat. Plošný spoj už nebyl jen čára, program věděl, odkud a kam vede, znal jeho název i to, na které vrstvě desky je. Pájecí plošky nebyly jen grafické symboly, ale měly své značení a byly součástí pouzdra konkrétní součástky. Databáze součástek ještě nebyla k dispozici, ale k pouzdrům bylo možné doplnit atributy, které součástku identifikovaly. Program sice neměl autorouter a měděné plochy se musely vykreslovat ručně, ale dokázal generovat Gerber data včetně nepájivé masky a napájecích vrstev, vrtací data, ale také netlist, partlist a výpis materiálu. Navrženou desku bylo možné vyplotrovat na karuselovém plotru s barevnými pery, netlist a partlist vytisknout na připojené tiskárně.

Protože pracovní stanice Apollo vynikaly v možnostech síťového připojení, posílala se výrobní data dále po síti – vrtací data do děrovačky (obr. 2), Gerber data pak do některé z externích firem, které měly fotoplotry. Vrtačky desek se tenkrát řídily daty z děrných pásek a jejich generování byla kapitola sama o sobě. Otvorů bývalo mnoho, protože řada součástek byla vývodových, a děrování tak trvalo dlouho. Páska se při delším děrování občas přetrhla a muselo se začít znovu. Bylo praktické, že návrhový program uměl zpětně zobrazit Gerber data pro vizuální kontrolu i zkontrolovat data na vyděrované pásce (děrovačka uměla děrnou pásku i číst).

Zavádění SMD součástek vneslo problémy i do používání CAD programů. Již vytvořené rozměry a tvary pájecích plošek mohly vyhovovat vývodovým součástkám, které se do té doby používaly, ale už ne novým SMD součástkám. Nezbylo než vytvořit nové velikosti a tvary. Největší problémy byly s pájecími ploškami zakončenými půlobloukem. Tehdy panoval názor, že obloukové zakončení vnějšího konce SMD plošek přispěje při reflow pájení k udržení součástky ve správné poloze. Brzy se však ukázalo, že změny velikostí a tvarů pájecích plošek přinášejí problémy při vykreslování na fotoplotrech. Tehdejší vektorové fotoplotry si dokázaly poradit pouze s tvary určitých rozměrů daných clonkami v karuselu. Clonek mohlo být maximálně 24, jinak se musel během práce použít další karusel. Nové tvary a velikosti tak vyžadovaly nové clonky, které bylo nutné nechat si vyrobit. Věc, která dnes nepředstavuje vůbec žádný problém, vyžadovala tenkrát zásah do obvyklých zvyklostí jak v CAD programu, tak i na fotoplotru.

Začátek vývoje mobilních telefonů ve společnosti Novatel Communications, kde jsem tehdy pracoval, byl z dnešního pohledu poněkud netradiční. Jednoho dne svolal vedoucí všechny vývojáře, aby nám ukázal, na čem budeme pracovat. Otevřel diplomatický kufřík, ve kterém byl model mobilního telefonu určeného pro manažery. „Telefon“ zabíral celý kufřík a jediná věc, která na něm byla reálná, bylo sluchátko od běžného telefonu. Značnou část prostoru zabíral model baterie, samotná elektronika pak měla provedení podobné vojenským zařízením – velmi robustní skříňka s chladicími žebry na horní straně. Následoval nákup tehdejších stejně rozměrných mobilů značky Motorola a Nokia, na kterých se provedl důkladný rozbor, po kterém je už nikdo neuměl dát do původního stavu.

Překvapilo mě, že Motorola měla na deskách plošných spojů poměrně dost různých propojek provedených vodiči, což svědčilo o mnoha dodatečných změnách v návrhu na poslední chvíli. Zatímco jejich mobilní telefony už fungovaly, ten náš byl zatím jen ve fázi modelu v diplomatce. Jeho vývoj se ale rozjel naplno.

Byla to doba velmi vzrušující a plná nadšení – počítače, software, SMD součástky a vize mobilního telefonu, to vše pro nás bylo nové, neznámé, ale lákavé a všichni jsme cítili příležitost se uplatnit. Firma Novatel Communications však nakonec se svými mobilními telefony v konkurenčním boji bohužel neuspěla, několikrát změnila majitele, až v roce 1992 zanikla úplně. A ještě jedna zajímavost – zatímco se v této firmě v roce 1985 navrhovaly již všechny desky na počítači, konstruktéři mechanických částí kreslili své výkresy stále ještě na rýsovacích prknech – tento trend trval až do konce 80. let, a to i v jiných firmách.

V první polovině 80. let si mohly návrh desek na počítači dovolit jen velké firmy, kterých ale nebylo mnoho. Pořídit si návrhový program a potřebný hardware bylo finančně velmi náročné a stejně náročné bylo v té době také najít návrháře a zaškolit je. Návrhářů, kteří už měli nějakou zkušenost s návrhem desek na počítači, byl nedostatek, a tak mi jednoho dne přišla nabídka na práci z jiné firmy. Byla z kanadského Vancouveru, a tak jsem si řekl proč ne...

Pokračování příště