Vítejte, dnes je
neděle
22.
prosinec 2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky Aby bylo možné navrženou desku vyrobit a potom ji osadit a testovat, je potřeba sdílet její data mezi jednotlivými segmenty její výroby. Teoreticky vzato to nemůže být nic komplikovaného, ale prakticky není tato záležitost uspokojivě vyřešena ani po 30 letech návrhu desek na počítači a masové výrobě DPS. Zatímco dnešní programy pro návrh desek plošných spojů umí zahrnout do svých interních dat o navrhované desce snad všechno možné, generování výstupních dat je roztříštěno mezi několik různých typů výstupních souborů. Proč? Dodnes totiž neexistuje jeden typ formátu dat, který by uspokojil všechny požadavky výroby, ale hlavně, který by byl všeobecně uznáván v elektronickém průmyslu jako jediný zdroj všech potřebných informací.
Dodatečné vytváření podkladů pro výrobu a vzájemné konvertování různých formátů dat v jednotlivých fázích výroby desky stojí elektronický průmysl nemalé a zbytečné náklady, nehledě na možné chyby a zdržení. Toho si je vědoma i organizace IPC, která se již několik let snaží prosadit svůj standard IPC-2581 jako náhradu různých starších formátů jako jsou Gerber, Excellon, GenCAD, GenCAM, ale i ODB++ atd. Jaké má tento nový standard šance?
Gerber data jsou příkladem mnohých paradoxních situací. Nejstarší formát dat pro výrobu DPS, mnohokrát odsouzený k zániku jako zastaralý a nevyhovující požadavkům moderní výroby desek, se i nadále drží jako nejrozšířenější a obecně nejpoužívanější. Snad všechny programy pro návrh desek ho umí generovat a zdá se, že i všichni výrobci desek s ním umí pracovat, navzdory jeho nedostatkům. Je to zřejmě způsobené historickým vývojem, ale jistě také i jeho jednoduchostí.
Formát Gerber vznikl již v 70. letech minulého století ve firmě Gerber Scientific v USA jako formát dat pro fotoplotry, na kterých vznikají filmy potřebné pro výrobu. Z toho také vyplývá typ dat, které formát Gerber zahrnuje. Gerber data nepopisují desku jako celek, nýbrž po jednotlivých vrstvách desky a navíc pouze jejich grafiku – odkud kam jde čára určité šířky, kde jsou umístěné různé typy plošek (čtvercová, kulatá atd.) a jak jsou velké. Je to tedy neinteligentní formát dat, zaměřený striktně na zhotovení podkladů (filmů) pro výrobu, motivů mědi, potisku a nepájivé masky na jednotlivých vrstvách desky. Nejsou zde informace o součástkách ani o otvorech, natož o jejich pokovení, není zde netlist popisující propojení jednotlivých součástek, nejsou zde numericky zaneseny žádné další detaily o desce, jako např. její tloušťka nebo obrysové rozměry. Gerber formát se v průběhu let upravil, takže jeho dnešní podoba známá pod označením RS-274X je přeci jenom přijatelnější, když v sobě zahrnuje i údaje o clonkách (D code) a nastavení formátu dat, které se dříve (RS-274D) dodávaly odděleně.
Gerber data by sama o sobě nestačila pro výrobu desky, protože nezahrnují informace o jednotlivých otvorech desky. K tomu slouží vrtací data různých formátů, jako např. Excellon nebo Sieb-Meyer. Excellon je podobně jako Gerber jedním z prvních a stále nejvíce používaným formátem dat pro tento účel.
Gerber ani Excellon neobsahují potřebné údaje pro osazování desek a jejich testování. Proto si postupně jednotliví výrobci osazovacích strojů a testerů vytvořili různé vlastní formáty dat, do kterých se údaje zadávaly ručně nebo převodem a kombinací různých jiných dat, ale většinou ve spolupráci s Gerber daty, protože ty byly jako jediné vždy dostupné. Někteří výrobci fotoplotrů a vrtaček si pro svá zařízení také vytvořili vlastní formáty dat, jako jsou např. FIRE, Barco, Marconi atd., které se však dále nerozšířily.
Protože Gerber data nezahrnují přímo informace potřebné pro testování desky, přišla organizace IPC již koncem 70. let se samostatným formátem určeným pro testování pod názvem IPC-D-350, který byl později upraven na IPC-D-356. O tom, že to byl dobrý a užitečný záměr svědčí skutečnost, že oba formáty jsou dodnes velmi používané.
Už z výše uvedeného popisu je zřejmé, že zatímco na základě výstupních dat návrhových systémů lze celkem dobře desku vyrobit, nelze ji ze stejných dat osadit ani testovat. Z tohoto důvodu se již počátkem 90. let minulého století objevily snahy o vytvoření nového formátu dat, který by pamatoval nejenom na výrobu holé desky, ale i na potřeby osazování a testování. Výsledkem byl formát GenCAD od firmy Mitron/GenRad Inc., který již popisoval desku plošných spojů jako celek, se vším všudy. Někteří výrobci EDA softwaru, jako např. Mentor Graphics, začali podporovat tento formát tím, že ho zavedli u některých svých programů jako jeden z výstupních formátů souborů. Kupodivu GenCAD nenašel dostatečnou oporu mezi výrobci EDA programů a tak chybějící interface způsobila, že se tento formát dostatečně nerozšířil. Přesto však i v současnosti některé programy GenCAD podporují (např. CAM350).
Jedním z možných důvodů, proč se GenCAD příliš nerozšířil, byla skutečnost, že byl vlastněný firmou (Mitron/GenRad), čili nebyl volně dostupný. To bylo ostatně trnem v oku i organizaci IPC, která se již koncem 90. let snažila připravit vlastní formát, na který by si nikdo nemohl dělat nárok. Tak vznikl GenCAM – standard IPC s označením IPC-2510, později pak IPC-2511. GenCAM byl ASCII formát s poměrně jednoduchou a přehlednou strukturou, která zahrnovala komplexní data desky s ohledem na potřeby výroby, osazování i testování. Kolem roku 2000 to byl velmi robustní a komplexní formát dat, dostupný komukoliv. Přesto, že GenCAM již nebyl vázán vlastnickými právy žádné firmy, a přesto, že byl vytvořen a podporován přímo institucí jakou IPC byla, nenašel dostatečnou odezvu a oporu v elektronickém průmyslu. Opakovala se situace podobná té, která nastala v případě formátu GenCAD – výrobci EDA softwaru dostatečně neakceptovali tento formát a nezavedli ho do svých programů v takové míře, aby se GenCAM rozšířil a udržel. Elektronický průmysl tak zůstal i nadále vázán převážně na staré formáty dat typu Gerber a Excellon.
Paralelně se snahou organizace IPC o vytvoření jednotného komplexního formátu dat desky pracovala na stejném úkolu i izraelská firma Valor, známá svými CAM programy pro výrobu DPS. Ta si byla vědoma nedostatků ostatních formátů pro potřeby výroby, osazování a testování a tak již v polovině 90. let vytvořila vlastní formát nazvaný ODB. Ten byl postupem doby vylepšen o popis součástek (ODB++), až skončil v podobě XML formátu pod názvem ODB++(X). I když byl z počátku používán pouze v programech firmy Valor (vč. Genesis programu), začal se postupně používat i u softwaru jiných výrobců (v různých obměnách původního ODB++ formátu). Zřejmě to bylo způsobeno skutečností, že CAM software firmy Valor byl a je používán většinou velkých výrobců elektroniky a výrobci EDA softwaru nechtěli stát stranou. Tato situace vyústila v dnešní chaotickou situaci, kdy výstupní formáty ODB++ různých EDA programů nejsou navzájem kompatibilní, i když dodržují jeho základní strukturu. Jako příklad lze uvést interface pro načítání ODB++ do programu BluePrint, která zahrnuje zvlášť import pro Altium, Orcad, Allegro, Expedition, Zuken atd., i když se teoreticky jedná pořád o stejná data. Když před 2 lety společnost Mentor Graphics převzala firmu Valor, dala si za cíl dopracovat formát ODB++ do všeobecně použitelné podoby, což se podle posledních informací také stalo.
Začátkem nového milénia tu tedy byly dva formáty dat, IPC-2511 (GenCAM) a Valor ODB++, které si vlastně navzájem konkurovaly. To nebyla dobrá situace pro elektronický průmysl a tak v roce 2004 vznikl nový IPC standard pod názvem IPC-2581. Ten byl výsledkem různých jednání mezi IPC, iNEMI (International National Electronics Manufacturing Initiative) a Valor a měl mít to nejlepší z formátů GenCAM a ODB++. U vzniku nového standardu byly i firmy zastupující široké spektrum elektronického průmyslu. Vzniklé IPC-2581 Consortium [4], které prosazuje používání tohoto formátu dat, sdružuje firmy z těchto oblastí průmyslu:
Obr. 1 Ukázka definice oválu v IPC-2581
Zdálo by se, že vytvořením standardu IPC-2581 a jeho „posvěcením“ organizací IPC i širokou komunitou elektronického průmyslu nic nebrání dosažení cíle – jednotného, komplexního a uznávaného formátu dat desky plošných spojů pro potřeby její výroby, osazování a testování. Jaká je ale po téměř 7 letech skutečnost? Ukázalo se, tak jako v předcházejících případech, že od záměru k cíli je vždy dlouhá cesta. Klíč k vyřešení situace drží v rukou výrobci EDA a CAM softwaru a výrobci zařízení pro výrobu DPS. Dokud nezačnou podporovat tento nový formát tím, že umožní ve svých produktech jeho export a import, nebude šance pro jeho rozšíření. V současné době podporuje formát IPC-2581 pouze několik programů (např. Zuken CR-5000 nebo BluePrint). Firma Cadance, jeden z největších výrobců EDA softwaru, byla u zrodu tohoto formátu a přislíbila jeho zavedení. Naopak další velký výrobce EDA softwaru – společnost Mentor Graphics je zatím zdrženlivá – díky převzetí firmy Valor vlastní formát ODB++, který je již dostatečně rozšířen, a tak je možné, že půjde raději touto cestou (všechny její návrhové programy – PADS, Expedition i BoardStation generují správný ODB++). Firma Zuken, třetí největší výrobce softwaru pro návrh DPS, naopak koncem loňského roku oznámila IPC-2581 plnou podporu.
Svou roli může hrát i obava z jednotného, univerzálního a komplexního formátu dat desky – tento formát by totiž umožňoval jednoduchý přenos dat desky nejenom mezi návrhem desky a výrobou, ale i mezi jednotlivými návrhovými systémy, což si možná někteří výrobci softwaru nepřejí.
Výsledkem je tedy zatím skutečnost, že se stále používají staré formáty dat Gerber a Excellon. Nejsou sice těmi nejefektivnějšími, dokonce lze i říci, že jsou primitivní a zastaralé, ale zato jsou těmi nejpoužívanějšími formáty dat pro přenos informací o desce plošných spojů. Není ale pochyb o tom, že nakonec stejně dojde k zavedení navrženého formátu IPC-2581. Je to totiž jediný použitelný formát dat, který v tuto chvíli není vlastněný některým z výrobců, ale je volně k dispozici a navíc je součástí obecných standardů pro elektronický průmysl. Otázkou je pouze, kdy se tak stane. Jak říká Mike Green z Lockheed Martin: „My už dlouho věříme, že nezávisle vlastněné a udržované standardy jsou tím nejefektivnějším řešením pro celý náš průmysl.“
[1] Mike Buetow, „A Short History of Electronic Data Formats,” pcdandf.com, June 28, 2011
[2] www.pcbstandards.com/forums/showthread.php?p=2618
[3] Simon Jones: Open Standards-based Software Tools Optimize the PCB Manufacturing Enterprise
