Welche Rolle spielen Gerber-Dateien im PCB-Herstellungsprozess?

Zu einem Weihnachtsfest im Kreis der Familie gehören neben gutem Essen, Strickpullis und Geselligkeit natürlich auch Erinnerungsfotos. Daher habe ich zur Vorbereitung auf die Feiertage vor Kurzem meine HD-Kamera ausgegraben, weil sie bessere Bilder schießt als mein Smartphone. Doch als ich die Kamera aus der Schublade nahm, wurde mir bewusst, dass ich sie seit Längerem nicht benutzt und in der Zwischenzeit vergessen hatte, wie man die aufgenommenen Bilder auf einen Computer überspielt.

Als ich mich nach kurzem Überlegen an den auf der Seite des Geräts versteckten USB-Port erinnerte, brachte mich das auf eine interessante Frage: Wie genau wissen PCB-Designer eigentlich über die an den Designprozess anschließenden Vorgänge Bescheid? Natürlich ist ihnen bewusst, dass all die virtuellen Lötflächen und Leiterbahnen in ihrem CAD-System letztlich als Vorlage zur Herstellung realer Leiterplatten dienen. Doch wenn es mir schon schwer fällt, mich daran zu erinnern, wie ich an die Bilder auf meiner Kamera gelange, wie leicht kann da in Vergessenheit geraten, auf welche Weise die Daten eines Leiterplattendesigns an einen Hersteller übermittelt werden?

Mit diesem Blogbeitrag möchte ich uns allen ins Gedächtnis rufen, dass fertiggestellte PCB-Designs in den meisten Fällen im sogenannten Gerber-Format zum Hersteller gelangen. Diese Konvention wird besser verständlich, wenn wir uns zunächst genauer mit dem Inhalt und dann mit der Entstehungsgeschichte dieser Dateien befassen (was übrigens dem Geist der anstehenden Feiertage entspricht, denn schließlich beginnt ja so manches Weihnachtsessen damit, dass sich alle gemeinsam an die Eskapaden der letzten Zusammenkunft erinnern). Darüber hinaus lässt der Blick auf die Vergangenheit und den aktuellen Stand des Formats auch Rückschlüsse auf seine mögliche künftige Weiterentwicklung zu. Auf diese Weise erlangen Sie ein besseres Verständnis der Erstellung und Verarbeitung von Gerber-Dateien und können für eine optimale Kommunikation zwischen Ihren PCB-Designteams und Ihren Herstellern sorgen.

Eine Gerber-Datei dient als Vorlage für die erste Phase des PCB-Herstellungsprozesses

Wenn Sie eine Leiterplatte auf einem CAD-System designen, werden Leiterbahnen und Kupferfüllbereiche durch verschiedenartige Linien und Formen dargestellt. Vor der anschließenden Produktion des PCBs müssen diese grafischen Elemente in Fertigungsdaten für Ihren Hersteller umgewandelt werden. Genau dies ist der Zweck einer Gerber-Datei.

Grundsätzlich handelt es sich bei einer Gerber-Datei um eine Textdatei im ASCII-Format, die aus vier Elementen besteht:

  1. Konfigurationsparameter

  2. Blendendefinitionen

  3. X/Y-Koordinaten für Belichtungsbefehle

  4. Befehlscodes für „Linie zeichnen“ (Draw)   und „Punkt zeichnen“ (Flash)     

Die meisten CAD-Systeme sind in der Lage, PCB-Designs in das Gerber-Format zu übersetzen und entsprechende Gerber-Dateien zu exportieren. In diesen Dateien wird beispielsweise jedes runde, als Lötfläche für Durchsteckpins dienende Pad durch einen Flash-Befehl mit dazugehörigen Positionskoordinaten repräsentiert. Die Leiterbahn einer Taktleitung erscheint als Draw-Befehl, gefolgt von einer Reihe von Koordinaten, die jeweils einen Eckpunkt der Leitung bezeichnen.

Diese auf Befehlscodes basierende Struktur der Gerber-Dateien ist darauf zurückzuführen, dass das Gerber-Format ursprünglich zur Steuerung eines Photoplotters diente. Photoplotter nutzen eine lichtstarke Lampe oder einen Laser, um die verschiedenen Schichten einer Leiterplatte durch Belichtung auf Film aufzuzeichnen und so Vorlagen zur Fertigung der vom PCB-Hersteller benötigten Werkzeuge zu erzeugen. Auf Plottern lösen die verschiedenen Gerber-Befehle entweder einen kurzen Lichtimpuls aus oder veranlassen eine linienförmige Bewegung des Lichtkopfs bei eingeschaltetem oder ausgeschaltetem Licht. Außerdem gibt es verschiedene Befehlscodes, die die Größe und Form der sogenannten Blenden festlegen und damit eine genaue Dimensionierung der belichteten Fläche ermöglichen. Obwohl der Einsatz von Photoplottern in der PCB-Fertigung immer noch weit verbreitet ist, wird dieses Verfahren zunehmend durch LDI-Technologien (Laser Direct Imaging) abgelöst. Hier werden die in der Gerber-Datei enthaltenen Informationen zur direkten Belichtung der Leiterplattenmaterialien genutzt.

Laptop with blue file folders in it

Gerber-Dateien bieten Ihnen die Möglichkeit, die Daten aus Ihrem CAD-System an den Hersteller zu übermitteln

Das Gerber-Format – gestern, heute, morgen

Die erste, mittlerweile veraltete Generation der Gerber-Dateien war als Format RS-274-D bekannt und enthielt lediglich X/Y-Koordinaten sowie Draw- und Flash-Befehle. Damals mussten PCB-Designer die Befehlscodes für Blenden noch manuell festlegen. Außerdem war es erforderlich, alle Blendendaten mitsamt den Konfigurationsparametern in eine separate Datei zu schreiben. Daher war bei der Erstellung von Gerber-Dateien größte Sorgfalt geboten.

Wenn Sie heute Gerber-Dateien mit Ihrem CAD-System erzeugen, werden diese wahrscheinlich im Format RS-274-X exportiert. Dabei werden alle vier oben genannten Elemente (Konfigurationsparameter, Blendendefinitionen, X/Y-Koordinaten sowie Draw- und Flash-Befehle) in ein und dieselbe Datei geschrieben. Zugleich legt Ihr CAD-System die Blendenpositionen höchstwahrscheinlich automatisch fest, sodass das Risiko manueller Eingabefehler eliminiert wird.

Daneben ist seit einigen Jahren eine neue, erweiterte Version des Gerber-Formats verfügbar. Diese Gerber-X2-Dateien enthalten zusätzliche Informationen, unter anderem zur Lagenposition der Schicht im Gesamtaufbau der Leiterplatte und zur Funktion einzelner Objekte (verschiedenartige Pads, impendanzkontrollierte Leiterbahnen usw.). Der Zweck dieser neuen Version besteht darin, das Gerber-Format in Richtung von datenbankbasierten Formaten wie ODB++ weiterzuentwickeln, bei gleichzeitiger Beibehaltung der Steuerfunktionen für Photoplotter und LDI-Systeme.

 
Pile of PCBs

Ihre Gerber-Dateien dienen als digitale Vorlagen für die Herstellung von PCBs wie den hier abgebildeten

Was bedeutet das für Sie als PCB-Designer?

Sämtliche Mitglieder eines für PCB-Design und -Fertigung zuständigen Teams müssen genau über die Anforderungen des gewählten Herstellers informiert sein, um entsprechende Dateien für den CAD/CAM-Datenaustausch im Gerber-Format oder anderen Output-Formaten erstellen zu können. Einige Hersteller verlangen immer noch, dass Blendentabellen und andere Daten separat eingereicht werden, und in diesem Fall müssen Sie wissen, welchen Zwecken die betreffenden Dateien dienen und wie man sie erstellt. Es zahlt sich also aus, einen Blick „hinter die Kulissen“ der computergestützten Fertigung zu werfen – selbst wenn viele Designprozesse mittlerweile automatisiert sind.

Darüber hinaus sollten Sie darauf achten, dass Sie das beste verfügbare CAD-System für Ihr PCB-Designprojekt nutzen. Für einen reibungslosen Übergang vom Entwurf zur Fertigung ist eine Lösung erforderlich, die nicht nur modernste Platzierungs- und Routingfunktionen bietet, sondern außerdem die einfache, zuverlässige Erstellung von Gerber- und anderen Output-Dateien in den neuesten Formaten ermöglicht.

Die PCB-Designsoftware Altium Designer® unterstützt von Haus aus das Standard-Gerber-Format RS-274-X und das neue Format Gerber X2. Damit wird es für Sie und Ihr Team erheblich einfacher, Ihr Design an Ihren Hersteller zu übermitteln – unabhängig vom dort genutzten Belichtungssystem.

Möchten Sie gern mehr darüber erfahren, wie Altium Ihnen die Erstellung von Output-Dateien der nächsten Generation erleichtern kann? Dann sprechen Sie mit einem unserer Experten.

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Altium Designer

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