L’evoluzione dei CAD per la Produzione dei Circuiti Stampati

Benvenuti a un nuovo appuntamento con la Rubrica Firmware Reload di Elettronica Open Source. In questa Rubrica del blog EOS abbiamo raccolto gli articoli tecnici della vecchia rivista cartacea Firmware, che contengono argomenti e temi passati ancora di interesse per Professionisti, Makers, Hobbisti e Appassionati di elettronica. Le nuove esigenze di lavoro e i tempi più concitati per lo sviluppo dei progetti “mettono alle corde” anche i più consolidati, tradizionalmente e universalmente riconosciuti, strumenti di lavoro. Il Gerber usato nell’esportazione dei dati per la produzione di PCB è uno di questi, ma dopo molti anni di suo incontrastato dominio assistiamo all’emergere di nuovi o rinnovati formati.

Le caratteristiche dell’economia moderna stanno modificando i modi e gli strumenti di lavoro. La crescente pressione della concorrenza, l’esigenza di comprimere i costi, la necessità di ottenere caratteristiche del prodotto uguali o migliori, ma con l’impiego di risorse inferiori, sono tutti fattori che esasperano la richiesta di efficienza in tutti processi produttivi, siano questi manuali o intellettuali. Qualsiasi mancanza d’informazione nella trasmissione dei dati per la produzione si traduce in una richiesta di comunicazioni, interazioni umane, chiarimenti da fornire ad hoc. Mentre questa interazione può essere gratificante ed interessante da un punto di vista umano, essa si traduce in una perdita di tempo e quindi efficienza e quindi denaro, quando sperimentata all’interno di un processo produttivo. Grande attenzione viene quindi posta oggi all’automazione delle procedure e ad una corretta e completa trasmissione di informazioni necessarie a produrre esattamente quello che è stato progettato. Lo scopo è rendere auto consistente il flusso di lavoro in modo da minimizzare interruzioni ed eccezioni. La catena di produzione dei circuiti stampati non fa eccezione a questa regola.

Mentre osserviamo progredire gli strumenti CAD per la progettazione da un lato, la gestione dei processi produttivi dall’altro, la trasmissione di documentazione da progettazione a fabbrica è sostanzialmente inalterata dalla fine degli anni 90. Quasi il 90% dei casi vede la documentazione di produzione trasmessa in formato Gerber RS274X, accompagnato da file di foratura in formato Excellon, una netlist in formato IPC256A, uno stackup in formato PDF e note in forma libera contenute in file Word o testo. Ricordiamo che Gerber è il nome dell’azienda che ha per prima introdotto lo standard, attualmente di proprietà di Ucamco (vedi riferimento tre). I file Gerber danno una rappresentazione grafica, o meglio meccanica, di ogni singolo strato del circuito stampato, senza trasmettere alcuna intelligenza di tipo elettrico. Sostanzialmente descrivono con una serie di poligoni e forme geometriche interconnesse le connessioni elettriche realizzate dal singolo strato. Tutte le informazioni relative a nomi di segnali, appartenenza ad alimentazione o masse, funzioni del segnale, numerazione dei terminali dei componenti, eccetera, vengono perse nella generazione del file Gerber, o più precisamente non esportate, in quanto non strettamente necessarie alla produzione fisica del circuito stampato.

Non necessariamente questa caratteristica va considerata in modo negativo. La protezione della proprietà intellettuale richiede una certa cautela nella scelta delle informazioni da condividere all’esterno dell’azienda. L’azione di filtro citata ha come beneficio collaterale la trasmissione di informazione strettamente necessaria, evitando fughe di know-how. Per colmare la lacuna tra progettazione elettrica e descrizione poligonale, circa vent’anni fa Valor propose un formato di database per la completa descrizione di un PCB, ODB++. L’intento era costruire una moderna interfaccia tra gli strumenti di progettazione e l’ambiente CAM. ODB++ è un insieme di dati più ricco del formato Gerber RS274X che vorrebbe rimpiazzare, con lo scopo di ridurre notevolmente la possibilità che il produttore interpreti in modo errato informazioni fornite dal progettista del PCB. Valor ha rilasciato negli anni la licenza d’uso del nuovo formato a tutti i maggiori produttori di software. Oggi quindi troviamo Mentor, Cadence, Zuken, Altium e molti altri prevedere la possibilità di generazione del formato ODB++ direttamente come uscita dei propri ambienti di progettazione, alternativamente al tradizionale Gerber.

Recentemente, Mentor Graphics ha acquisito Valor, diventando così a tutti gli effetti anche proprietaria del nuovo standard. La diffusione di ODB++ è stata lenta, malgrado i due decenni passati dalla sua introduzione. Si calcola che a livello mondiale solo il 10% dei progetti PCB venga trasferita in produzione utilizzando tale formato. Tra le varie ragioni per questa scarsa diffusione, troviamo sicuramente il fatto che i progetti basati su Gerber hanno successo nella maggior parte dei casi. Applicando la legge fondamentale dell’ingegneria, non riparare ciò che funziona, c’è quindi uno scarso stimolo da parte del progettista di PCB per cambiare formato di uscita del suo database. Occorre certamente considerare che l’introduzione del nuovo formato comporta una curva di apprendimento ed una spesa in aggiornamenti di software. In un mondo dove ormai ogni minuto ed ogni euro spesi contano, le richieste di risorse aggiuntive scoraggiano l’implementazione di nuovi metodi. D’altra parte, non c’è stata una pressione per l’adozione del nuovo standard da parte dei fabbricanti di circuiti stampati, probabilmente per ragioni simili a quelle citate.

Un produttore di circuiti stampati può ricevere decine di ordini al giorno. Ciascuno di essi è accompagnato dal database Gerber che tipicamente richiede una revisione e la traslazione nei vari formati usati nelle varie fasi della fabbricazione. Si controlla anzitutto la completezza e coerenza dei dati forniti, se tutto è corretto si utilizzano programmi CAM (Computer Aided Manufacturing) per generare i formati necessari a pilotare le macchine che compongono la linea di produzione dei circuiti stampati e le apparecchiature di collaudo. Tra le apparecchiature di produzione coinvolte troviamo principalmente fotoplotter, macchine di foratura, linee galvaniche, frese, macchine per l’ispezione visiva automatica e macchine di collaudo elettrico. Come esempio di necessaria modifica dei dati ricevuti possiamo citare la dimensione dei fori per realizzare le vie. Il foro a disegno deve essere leggermente allargato in modo da tener conto dello spessore della successiva metallizzazione, che riporterà la connessione passante prossima alla geometria desiderata. Se vengono trovate ambiguità durante la verifica del database, il processo viene interrotto in attesa di chiarimenti da parte del progettista.

La varietà dei formati dei file e la mancanza di convenzioni per la compilazione delle note, espongono i progetti trasmessi in formato Gerber a tale rischio, mentre i progetti trasmessi in un ODB++ realizzano livelli di automazione più spinti. Ad uno scarso entusiasmo nell’adozione di formati più sofisticati corrisponde quindi una reale esigenza, esasperata dalla crescente complessità e necessità di ridurre al minimo le inefficienze. Un consorzio di 60 aziende ha ripreso l’idea di un nuovo formato in ambiente IPC (vedi riferimenti uno e due). Tra loro troviamo fornitori di software per la produzione di circuiti stampati, produttori di PCB, grandi utilizzatori di PCB (OEM), produttori di software per progettazione. Scopo del consorzio è stata la definizione di uno standard aperto per un formato di descrizione e trasferimento di progetti PCB da progettista a produzione. Il risultato è la specifica IPC-2581B che presenta gli stessi vantaggi di ODB++, con qualche sostanziale aggiunta. Lo standard è stato rilasciato nel 2013 ed è in corso lo sviluppo dei formati d’uscita da parte dei produttori di software.

Un’attraente caratteristica del nuovo formato è la possibilità di definire in modo interattivo con il fabbricante la struttura dei livelli della scheda o “stackup”. Questo punto è fondamentale per lo sviluppo di ogni scheda complessa e/o destinata a lavorare ad alta velocità. Il processo che conduce alla definizione dello stackup vede un processo interattivo tra progettista e costruttore volto a definire i materiali corretti, spessore e spaziatura delle piste, lo spessore dei dielettrici necessari a garantire la corretta impedenza, minimizzare il numero di strati ed il numero dei passaggi necessari. Il processo tradizionalmente evolveva attraverso telefonate, schizzi, e-mail fino alla definizione complessiva. Con IPC-2581B tutto questo viene eliminato. La definizione dello stackup avviene attraverso uno strumento CAD. Il progettista definisce la struttura fondamentale della scheda, il costruttore può aggiungere dettagli dal suo punto di vista circa la costruzione di ogni strato, specificando anche informazioni sul flusso produttivo, quali il raggruppamento degli strati per la fabbricazione. In questo modo si riducono ambiguità e rischi di errore. In sostanza viene automatizzata la definizione dei dettagli più critici della scheda da produrre. È anche facilitato il passaggio dei dati ad un CAD per analisi di Signal Integrity, verificando che le varie ipotesi proposte incontrino le necessità del progetto. IPC-2581B costituisce quindi un ulteriore progresso confrontato con il buon vecchio Gerber ed allo stesso tempo, offre caratteristiche addizionali rispetto a ODB++ sul quale è peraltro costruito.

IPC-2581B consente inoltre di modulare la quantità di informazione esportata, per venire incontro alle problematiche di protezione intellettuale già citate. Esistono naturalmente anche degli svantaggi, principalmente dovuti ad una non completa compatibilità con procedure, software e attrezzature attualmente installate. Uno svantaggio di IPC-2581B è inoltre costituito dal non essere leggibile direttamente ma di richiedere programmi di visualizzazione dedicati. I file Gerber sono invece “human readable”, oltre che supportati da visualizzatori ormai consolidati, quali ad esempio il GC-Prevue (scaricabile dal sito web di Ucamco). È interessante notare come anche il formato Gerber stia a sua volta evolvendo. Ucamco, attuale proprietaria del formato, ha recentemente proposto il Gerber X2; una nuova versione che, riconoscendo i limiti del formato attuale, aggiunge maggiore flessibilità attraverso l’uso di ulteriori attributi. Gli attributi sono etichette che forniscono informazioni addizionali ai file immagine, ad esempio indicano la funzione di ogni strato, specificano se un pad è una via o un pad per componenti smd, aggiungendo così intelligenza al formato. Attraverso l’uso degli attributi diventa possibile una descrizione univoca della struttura del circuito stampato, risolvendo così una delle critiche fondamentali al formato Gerber RS-274X. Gli attributi consentono anche di indicare quali tracce vadano realizzate con impedenza controllata. Il grande vantaggio di Gerber 2X risiede nella completa compatibilità con la versione attuale. Le nuove funzionalità sono addizionali ed il loro utilizzo completamente nelle mani degli utenti che possono quindi decidere se e quando trarne vantaggio.

Chiaramente, discreti interessi commerciali si intrecciano a vantaggi e svantaggi tecnici, rendendo difficile capire oggi quale sarà il formato di descrizione dei circuiti stampati emergente. Una cosa è certa: tutti riconoscono i limiti dei formati maggiormente diffusi oggi e stanno lavorando per porvi rimedio. Quali siano le conseguenze sul nostro lavoro quotidiano, dipenderà dalle caratteristiche e dalle tempistiche di diffusione dei nuovi formati. Certamente tutta questa discussione e questi movimenti non significano che i formati Gerber verranno presto rifiutati dal nostro fornitore di circuiti stampati. Al contrario, ci possiamo aspettare che tale formato sia supportato ancora per lungo tempo, con la graduale diffusione di formati più sofisticati, a partire dai progetti più complessi che ne giustificano l’adozione.