Poznámky ke konverzi DXF/DWG → Gerber

Určitá část návrhů desek plošných spojů, zejména z vf oblasti, se navzdory jiným možnostem i nadále provádí v programu AutoCAD nebo v dalších programech tohoto typu (např. SolidWorks). Proč tomu tak je?

Výhodou těchto programů je, že podporují velké množství různých typů kreslicích entit, které mohou být použity v návrhu elektroniky od jednoduchých DPS až po nejsložitější RF a mikrovlnné obvody, v návrhu MEMs, chemickém leptání nebo dalších náročných operacích. Vývojáři obvykle využijí možnost návrhu v AutoCADu, když existující EDA/CAD nástroje nemají potřebné možnosti k řešení unikátních geometrických požadavků.

Když se návrháři rozhodnou použít pro svou práci AutoCAD, uvažují všichni podobně: „Navrhnu obvod v AutoCADu, exportuji ho do DXF a následně konvertuji do formátu Gerber pomocí konvertoru DXF–Gerber, který bude právě k dispozici.“ To vypadá jako jednoduchá cesta ke správnému výsledku, ale tak snadné to není.

S takovým přístupem se často návrháři nestačí divit, jak výsledná konverze vypadá. Jejich návrh přenesený do Gerber dat se zdaleka nepodobá tomu, který vidí v programu AutoCAD a rozhodně ho takto nelze poslat do výroby. Cílem tohoto článku je vysvětlit podstatu tohoto problému i jeho řešení.

Gerber data

Formát Gerber se používá už více než padesát let. Je to jednoduchý textový záznam, který obsahuje X/Y souřadnice a prostřednictvím kódového značení (clonek, D-code) i tvary, kterými je grafika kreslena.

Pro kreslení plošných spojů jsou v Gerber datech uvedeny souřadnice všech bodů čáry a D-kód, který představuje velikost použité clonky (průměr vyplněné kružnice). Pájecí plošky jsou uvedeny v Gerber datech jako XY souřadnice pro D-kód clonky, která má potřebný tvar a velikost.

Tato data jsou doplněna o povely pro kreslení (draw) či jednorázové vložení (flash). Vyplněné plochy jsou potom definovány pomocí souřadnic obrysu a příkazu k vyplnění. Jednoduchý, srozumitelný zápis.

DXF/DWG soubory

Výraz DXF je zkratkou pro Drawing Exchange Format, což je, jak už název napovídá, formát dat určený pro přenos výkresů mezi CAD systémy. DXF je de facto standardem v technickém oboru a umožňuje převod výkresů nejen z/do programu AutoCAD, odkud původně pochází, ale i mezi jinými CAD kreslicími programy. Data uložená v DXF reprezentují všechny informace, které jsou ve výkresu zahrnuty. DWG je pak binární formou DXF a výstupním formátem, v němž je výkres zhotovený v AutoCADu nakreslen.

Na rozdíl od formátu Gerber, který je mnoho let téměř beze změn, formáty DXF/DWG se mohou s každou novou verzí programu AutoCAD mírně změnit. Už tato skutečnost představuje jeden z možných problémů při převodu dat výkresu do Gerberu.

Nejjistějším způsobem, jak se vyhnout problémům při konverzi, je kreslit výkres pokud možno co nejjednodušeji s použitím kreslicích nástrojů, kterým konverze do formátu Gerber nečiní problémy.

DXF/DWG soubory podporují stovky různých typů entit používaných při kreslení. Jsou to například: Hatches, Blocks/ Inserts, 3D objects, Tapered Polylines, TrueType fonts & Mtext, Splines, Regions, Model/Paper Space a další. Už z toho je zřejmé, že převést výkres, který obsahuje všechny tyto entity, do jednoduchého Gerber formátu, není snadné a někdy je i nemožné. Má-li se výkres převést z DXF souboru do formátu Gerber, je potřeba, aby byl výkres jednoduchý a obsahoval jen takové prvky, které lze převést.

Které jsou základní kreslicí prvky v DXF/DWG?

Polyčáry, kružnice, texty, bloky, inserts. Může se to zdát málo, ale návrh snad jakékoliv desky plošných spojů a RF obvodů lze provést právě s těmito pěti prvky, přičemž současně nejlépe reprezentují nakreslené objekty v Gerber datech.

Polyčára (polyline nebo LW polyline) je série navzájem navazujících čar a oblouků. Jedná se o nejčastěji používaný kreslicí prvek při návrhu desek a RF obvodů. Umožňuje kreslit plošné spoje s potřebnou tloušťkou (šířkou), zatímco s nulovou tloušťkou jsou obvykle používány k vytvoření obrysu vyplněné plochy. Mohou být také použity pro kreslení pájecích plošek (pads) ve tvaru čtverců, obdélníků nebo mezikruží.

Kružnice se nejvíce používají při kreslení kulatých pájecích plošek.

Pro popis potisku součástek a informací se používá text. Nejlepších výsledků při převodu do Gerberu se dosáhne použitím tzv. „stick fonts“, což jsou AutoCAD kompilované fonty (SHX), které jsou převedeny do formátu Gerber jako segmenty plošného spoje. Některé převodníky DXF-Gerber podporují i TrueType fonty, kdy se ale objeví i jejich vnitřní tvar.

Bloky/Inserts jsou používány zejména pro vytvoření jisté hierarchie ve výkresu, přičemž zajišťují optimální metodu přidávání opakujících se entit do výkresu. Bloky jsou v podstatě samostatné výkresy, které jsou vloženy do hlavního výkresu. Během vložení je lze rotovat a měnit jejich měřítko. Mohou být do hlavního výkresu vloženy vícekrát v podobě určité sestavy (array) daného tvaru. Ve výkresu desky plošných spojů jsou vhodné jako pájecí plošky různých tvarů a velikostí.

Často kladené otázky

Jak kreslit, aby v Gerber datech vznikla vyplněná plocha?

K vytvoření vyplněné plochy je potřeba nejdříve nakreslit její ohraničení pomocí polyčáry s nulovou tloušťkou. Vytvoření vyplněné plochy ve formátu Gerber vyžaduje, aby ohraničení plochy bylo kresleno bez přerušení kontinuální čárou, která se nikde nepřekrývá ani neprotíná. Směr kreslení není důležitý.

V mých Gerber datech není ohraničení plochy vyplněné. Proč?

Ohraničení plochy není zřejmě kresleno jako uzavřené či kontinuální, i když tak může vypadat. Může být složené z několika čar a segmentů oblouků, což ovšem není kontinuální kreslení obrysu plochy. V takovém případě lze dodatečně použít funkce kreslicího programu a převést obrys na uzavřený, kreslený polyčárou o nulové tloušťce.

Jak vytvořit nevyplněný ostrůvek uvnitř vyplněné plochy?

Gerber data neznají pojem ostrůvek/otvor, ale podporují práci s kompozicemi (composites), s jejichž pomocí lze otvor ve vyplněné ploše vytvořit. Myšlenka využití kompozitních souborů je založena na tom, že lze výsledná Gerber data složit ze dvou souborů dat – jeden obsahuje vyplněnou plochu, zatímco druhý plochu budoucího ostrůvku. Přiřazením polarity k jednotlivým souborům (pozitivní, negativní) vznikne po jejich sloučení v Gerber datech požadovaný výsledek. Nejspolehlivější metodou k definování kompozitního souboru v Gerber datech při kreslení výkresu v AutoCADu je vytvoření samostatných kreslicích vrstev pro každou změnu polarity.

Tak například, když je třeba vytvořit vyplněnou plochu, která obsahuje jednu či více nevyplněných plošek, měly by se vytvořit dvě kreslicí vrstvy. Na jedné bude obrys vyplněné plochy a druhá bude obsahovat obrysy ostrůvků. Během konverze z DXF do formátu Gerber lze oběma vrstvám přiřadit polaritu a sloučit je do výsledného provedení.

Některé převodníky DXF-Gerber mají funkci pro rozložení polygonu − tzv. “Polygon De-Embedding”, kdy konvertor sám zjistí, které objekty jsou vloženy do jiných, a podle toho rozhodne o nevyplněných ploškách.

Mohu k vyplnění plochy použít šrafování?

Pokud je to možné, je lepší pro vyplnění plochy ve výkresu šrafování nepoužívat. Proč? Šrafování, které zcela vyplní plochu, vypadá dobře na obrazovce v AutoCADu, ale dělá problémy při převodu do Gerber dat. Úplné vyplnění plochy pomocí šrafování je totiž kresleno nad existujícím výkresem, čímž se v DXF duplikují data a ty činí konverzi do Gerber formátu komplikovanou. Pokud musíte šrafování k vyplnění plochy použít, ujistěte se, že převodník do Gerber dat ho podporuje a má potom schopnost detekovat nevyplněné ostrůvky.