Il cuore di ogni circuito elettronico è rappresentato dal circuito stampato (PCB), sul quale sono assemblati i diversi componenti elettronici collegati attraverso connessioni sia di tipo elettrico, sia di tipo meccanico. Quando la progettazione di un PCB, eseguita attraverso appositi strumenti CAD (Computer-Aided Design), è completata, occorre trasferire le necessarie informazioni all’azienda che produrrà i circuiti stampati utilizzando opportune apparecchiature di tipo CAM (Computer-Aided Manufacturing). Il programma CAD è in grado di esportare l’insieme completo di informazioni relative al PCB in uno o più file, che possono a loro volta essere importati dai sistemi CAM per la produzione automatica delle schede.
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A questo proposito, sono stati definiti diversi tipi di standard per l’interscambio dati, oggi supportati dalla maggior parte degli strumenti CAD disponibili sul mercato. In questo articolo verranno presentati due tra i più noti standard attualmente utilizzati, Gerber e ODB++, mettendone a confronto le caratteristiche e i punti di forza o debolezza.
Il formato Gerber
Sviluppato inizialmente da Joseph Gerber, fondatore dell’azienda Gerber Scientific Instrument Company, il formato di file Gerber è ayyualmente lo standard più diffuso per la fabbricazione dei circuiti stampati. Storicamente, Gerber Scientific è stato il principale produttore dei fotoplotter utilizzati per le riprese su pellicola, ai tempi in cui il plottaggio meccanico di tipo vettoriale era l'unico modo per ottenere master precisi su pellicola. Introdotto negli anni ’80 come formato per gestire i fotoplotter vettoriali, lo standard Gerber si è imposto nel tempo grazie alla diffusione dei sistemi CAM per la produzione dei PCB.
I file Gerber sono tipicamente raccolti in un unico archivio compresso che il progettista invia al produttore di PCB. Ogni layer, piano di massa, o di alimentazione, deve essere associato a un corrispondente file Gerber. I layer più esterni (denominati “top” e “bottom”) dovranno inoltre contenere informazioni relative a conformal coating, solder mask e serigrafia e dovranno essere forniti degli appositi file per programmare le apparecchiature che eseguono la foratura. I file Gerber hanno estensioni tipiche come .TOP, .BOT, .SMT, o .SMB, in modo da facilitare l’importazione degli stessi all’interno del programma CAM.
Affermatosi come standard de-facto per il trasferimento dati nell’industria dei PCB, il format Gerber si è evoluto nel tempo con l’introduzione dello standard “esteso”, meglio noto come RS-274-X. Tuttavia, è ormai chiaro come il formato Gerber rappresenti il minimo comun denominatore e che, spesso, esso non contenga informazioni critiche necessarie per la fabbricazione dei PCB. Il formato Gerber, nato per impartire comandi a macchine a controllo numerico, presenta una certa complessità derivante dall’utilizzo di numerosi file. Inoltre, non sono presenti informazioni tridimensionali, come la definizione dei fori, e i file sono pressoché incomprensibili per un normale utente, rendendo difficoltosa la necessaria procedura di revisione. È prassi abbastanza comune che una scheda a quattro strati richieda almeno 8-10 file Gerber ad essa associati.
Versioni di Gerber
Il formato iniziale dei file Gerber sviluppato da Gerber Scientific è meglio noto come RS-274D. La successiva revisione dello standard, resasi necessaria per ovviare ad alcune limitazioni di utilizzo del formato originale, fu introdotta nel 1998 come RS-274X. Questo nuovo formato ha eliminato la necessità di inserimento manuale di alcuni dati e ha permesso di risolvere diversi errori nell’utilizzo con i fotoplotter. Nonostante la sua larga diffusione, anche lo standard RS-274X presenta alcune limitazioni pratiche. Ad esempio, è soltanto in grado di fornire una rappresentazione grafica del progetto, lo stackup dei layer non è esplicitamente definito (ciò può generare schede in cui i layer con le tracce non sono nell’ordine corretto) e non include informazioni sul posizionamento e caratteristiche dei fori.
Lo standard ODB++
Lo standard ODB++ può considerarsi come il principale concorrente del formato Gerber, la cui popolarità è cresciuta grazie alla sua semplicità e facilità di interpretazione, unite al fatto di essere un formato non proprietario. ODB++ fu sviluppato nel 1992 da Valor Computerized Systems Ltd., un’azienda poi acquisita da Mentor Graphics e, recentemente, dal colosso Siemens. Ciò ha comportato una significativa opportunità di crescita per lo standard ODB++ e la possibilità di competere con un formato affermato a livello industriale, come il Gerber. ODB++ è un formato non proprietario di pubblico dominio, totalmente gratuito e di libero utilizzo. Nel 2008, l’IPC (Institute of Printed Circuits), ha omologato ODB++ come standard unico ufficiale per lo scambio dati relativo alla produzione dei PCB.
Progettato da Valor come formato all-inclusive, autoestraente e standardizzato, ODB++ è in grado di automatizzare i processi relativi allo stackup, posizionamento dei fori ed etichettatura. Supportato dalle principali applicazioni CAD per la progettazione dei PCB, ODB++ ha permesso di ridurre l’incidenza sul progetto dell’errore umano, raggruppando in un unico file compresso le informazioni relative al progetto, alla fabbricazione del PCB e alle netlist.
ODB++, aconimo di Open DataBase, è oggi disponibile in due versioni differenti: la versione originale ODB++ e la versione ODB++ X basata su strutture in formato XML. ODB++ fu inizialmente introdotto per eliminare la necessità di raggruppare file con diversi formati, fornendo una struttura intelligente basata su un singolo file per trasferire le informazioni relative al progetto PCB. L’elemento chiave dello standard ODB++ è rappresentato dalla sua struttura gerarchica, che rimuove la necessità di lavorare con più file di basso livello consentendo ai progettisti di trasferire al produttore di PCB una quantità maggiore di informazioni rispetto a quelle standard, come materiali utilizzati per lo stackup, elenco dei componenti (BoM), disposizione dei componenti, dimensioni della scheda. Grazie alla sua struttura completamente gerarchica, esso riduce il rischio di errore umano, o di interpretazione dei dati.
Confronto fra gli standard Gerber e ODB++
Con il formato ODB++, le informazioni rilevanti per la fabbricaziine del PCB vengono archiviate in una gerarchia di dati e cartelle, come rappresentato in Figura 1.
Figura 1: struttura gerarchica delle informazioni contenute nel formato ODB++
Questa struttura viene poi compressa in un unico file con estensione .tgz, oppure in unico file XML nel caso di ODB++ X, e inviata al produttore di PCB. Rispetto al formato Gerber, le principali caratteristiche offerte dallo standard ODB++ possono essere così sintetizzate:
- tutte le informazioni richieste per la produzione, assemblaggio e test del PCB sono racchiuse all’interno di un unico file;
- viene minimizzato il rischio di errori durante il trasferimento delle informazioni;
- vengono ridotti i ritardi nella comunicazione tra progettista e produttore;
- viene fornito un supporto integrato al design for manufacturing (DFM) per tutti i layer;
- consente un elevato grado di automazione in tutte le fasi della produzione del PCB;
- è supportato da tutti i principali produttori di strumenti CAD, CAM e DFM.
Il formato ODB++ contiene una completa tabella con tutte le informazioni relative ai vari layer, quali nome, tipo, e ordine con cui i layer sono disposti per comporre lo stackup. A differenza di quanto avviene con i dati nel formato Gerber, in ODB++ la differenza esistente tra una piazzola e un conduttore è molto più chiara, evitando amiguità e possibili errori di interpretazione.
Con riferimento alla struttura di Figura 1, le principali informazioni sono così organizzate:
- tracce, solder mask e serigrafie: questi dati sono contenuti nella sezione “layers”, che comprende i due layer più esterni (top e bottom), gli eventuali layer interni (l’esempio di Figura 1 si riferisce a una scheda a quattro strati), e i dati per le forature e i componenti;
- stackup: la composizione dello stackup è definita nell’apposita sezione “matrix”;
- test a livello elettrico: queste informazioni sono contenute nella sezione “netlists/cadnet”;
- componenti: la definizione dei componenti è contenuta nella sezione “eda/data” del file, mentre la posizione di ogni componente è definita nelle due sezioni “layers/comp_+_top” e “layers/comp_+_bot”.
Vantaggi del formato ODB++
L’utilizzo del formato ODB++ comporta diversi vantaggi significativi, che possono essere così riassunti:
- formato di pubblico dominio, certificato dall’ente IPC;
- maggiore sicurezza nel trasferimento e nell’interpretazione dei dati;
- formato supportato da tutti i principali strumenti CAD e CAM. In Figura 2 è visibile l’esportazione attraverso Altium di un file ODB++ in formato .tgz;
- supporto per i PCB flessibili e rigido-flessibili;
- consente di integrare una serie informazioni non presenti nei formati standard come il Gerber:
- composizione dello stackup;
- netlist;
- eventuali componenti non montati;
- informazioni relative al panel;
- forature complesse.
Figura 2: esempio di esportazione in formato ODB++ (fonte: Altium)
ODB++ viene considerato un formato intelligente in quanto include, in un unico file, una quantità enorme di informazioni. Molti produttori tendono oggi a preferire questo formato in quanto è maggiormente comprensibile e quindi facilmente verificabile, riducendo il rischio di compiere degli errori. Utilizzando ODB++, i produttori di PCB possono evitare di lavorare con molti file di basso livello.
Conclusioni
Il formato ODB++ rappresenta un netto passo avanti rispetto ai tradizionali formati per l’interscambio di dati tra progettista e produttore di PCB. I miglioramenti ottenibili in termini di maggiore qualità, produzione più efficiente, riduzione dei tempi di assemblaggio e del time to market, stanno attraendo un sempre maggiore numero di progettisti. Lo standard ODB++ è oggi supportato praticamente da tutti i produttori di sistemi per la progettazione dei PCB, a cui si aggiungono gli strumenti software liberamente disponibili sul sito ODB++ Design [1], oltre a specifiche, documentazione tecnica e supporto per gli utenti.
Riferimenti
[1] https://odbplusplus.com/design/
27.01.2022
