Leiterplattendesign

ECAD-Fertigungsinformationen im Datenformat IPC-2581 übertragen

| Autor / Redakteur: Dirk Müller * / Gerd Kucera

Bild 1: Das erste industriell mit IPC-2581-Daten gefertigte Multilayer-System hat 12 Lagen, ist Impedanz-kontrolliert und besitzt 45° schräg platzierte Fine-Pitch-BGAs
Bild 1: Das erste industriell mit IPC-2581-Daten gefertigte Multilayer-System hat 12 Lagen, ist Impedanz-kontrolliert und besitzt 45° schräg platzierte Fine-Pitch-BGAs (Bild: Fujitsu)

Das herstellerunabhängige neue Datenformat IPC-2581 sorgt für den unternehmens- und prozessübergreifenden CAD-Flow vom Leiterplatten-Tool bis zur Fertigung mit nur einem einzigen Datenformat.

Die eingesetzten Technologien bei Leiterplatten haben sich in den letzten drei Jahrzehnten erheblich weiterentwickelt. Durch die Einführung von SMD-Bauteilen, JTAG-Test, Embedded Components, Blind und Burried Vias, Fine-Pitch-BGAs und Impedanz-kontrollierten Leitungen sind Leiterplatten mittlerweile sehr komplexe elektrische Schaltungsträger. Zum Erstaunen vieler werden die Fertigungsdaten und Designabsichten heute immer noch mit Datenformaten aus dem letzten Jahrtausend an die Fertigung übertragen.

Die über 30 Jahre alten Datenformate wurden ursprünglich erfunden, um Fotoplotter mit festen Blendentellern für zweilagige Leiterplatten anzusteuern. Diese ersten Formate wie Gerber RS274 aus den frühen 1980er Jahren wurden dann mit mehr und mehr zusätzlichen Informationen in separaten Dateien ergänzt, um die Informationen für neue Technologien nachzutragen.

Bei komplexen Leiterplatten ist für die Dokumentation einer Leiterplatte eine ganze Vielzahl von zusätzlichen Dokumenten erforderlich, die einzeln in den EDA-Systemen erzeugt werden müssen. Die fortschreitende Miniaturisierung der elektronischen Baugruppen mit immer schnelleren Produktionszeiten und ein Ausreizen der verschiedensten Fertigungstechnologien erfordert eine Reformation der historischen Datenformate der Produktionsunterlagen von Leiterplatten.

Viele von diesen Formaten wurden ursprünglich von Hardware-Herstellern entwickelt, um damit ihre NC-Maschinen zur Leiterplattenfertigung anzusteuern. Jedoch deckten diese Formate nur den Funktionsumfang der eigenen Hardware mit den technischen Möglichkeiten des Jahres 1980 ab. So entstand beispielsweise das Format Gerber RS-274-D von The Gerber Scientific Corp für ihre damaligen Fotoplotter.

Zu dieser spezifischen Maschinenansteuersprache waren dann viele andere Fotoplotter kompatibel und die Steuerbefehle wurden ein Standard. Dieses Format wird heute immer noch verwendet, obwohl die Fotoplotter schon lange keine analoge Belichtung, mit sich bewegenden Blendentellern, mehr durchführen.

Die Daten werden übersetzt und steuern dann die heutigen digitalen Belichter an. Sowohl die Datenausgabe der PCB-Tools als auch die Übersetzung der Formate erfordert bei komplexeren Strukturen eine Überprüfung der CAM-Daten, da Rundungsfehler nie ganz ausgeschlossen werden können und kleinste Abweichungen zu den Designregeln bei Schaltungen im GHz- oder Hochspannungsbereich zu groben Fehlfunktionen führen können.

Zur kompletten Dokumentation für die Leiterplattenproduktion gehören aber noch mehr Informationen wie zum Beispiel der Lagenaufbau, eine Netzliste, Bohr- und Fräsdaten. Diese Daten sind nicht standardisiert und das Format wird zwischen Designer und Fertiger festgelegt. Wenn, warum auch immer, der Lieferant gewechselt wird, müssen diese Datenformate erneut abgesprochen werden.

Bei normalen Standardleiterplatten klappt das meist stillschweigend, aber wenn eine neue oder etwas exotische Technologie verwendet wird, dann sind ausführliche Zeichnungen und Erklärungen erforderlich, die bei wechselnden Ansprechpartnern falsch interpretiert werden können. Ein Ziel der IPC-2581 ist es, so viel wie möglich undokumentiertes Wissen im Format mit zu übertragen und Änderungen transparent zu machen.

Immer wieder kommt es zu Inkonsistenzen bei den Produktionsdaten, da Dateien nicht von derselben Revision des zu fertigen PCBs stammen. Das liegt auch daran, dass die Reports keine relationale Verbindung zu den Designdaten haben und von manuellen Einstellungen in den EDA-Tools abhängen. Um Kundenwünsche nach mehr Funktionalität und Zuverlässigkeit umzusetzen, müssen PCB-Designer in Zukunft mit immer kleineren Größen, elektrischen Leistungen, Gewichten und Kosten Schaltungen umsetzen und die Produktionstechniken ausreizen. Dazu sind klare Fertigungsvorschriften vom Designer erforderlich.

Daher kam schon vor einiger Zeit der Wunsch nach einem alles beschreibenden Datenformat auf, das alle Daten zur Herstellung einer Leiterplatte als bestückte Baugruppe enthalten kann. Es sollen die Gerber-Plot-Files, die als Vorlage zum Ätzen der Kupferstrukturen auf den einzelnen Lagen verwendet werden, ersetzen und die dazu passenden Informationen über Lagenaufbau, Reihenfolge des Aufbaus (Cores), Bohrdaten, Testpunkte mit den jeweiligen elektrischen Netznamen und Stücklisten der Bauteile mit Koordinaten und Rotationsangaben für die Platzierung enthalten. Weiterhin sollen alle erforderlichen Arbeitsschritte, die auch über Unternehmens- und Ländergrenzen hinaus verteilt sind, mit nur einem einheitlichen Datensatz dokumentiert werden können.

Die Firma Valor hatte vor einigen Jahren das Format ODB++ in zwei Varianten entworfen. Die eine Variante ist proprietär von Valor verwaltet worden und die zweite XML-Variante ODB++(X) wurde von Valor an die IPC-Organisation für internationale Standards übergeben, um es mit GenCAM (IPC-2511) zu einem neuen Standard IPC-2581 zu vereinen. Dieser Standard ist ein offener neutraler und globaler Standard für effizienten und umfassenden Datenaustausch von ECAD-Daten. Seit Jahren gibt es Versuche diese Datenformate zusammenzufassen.

Die meisten Lösungen sind aber daran gescheitert, dass diese Datenformate von einer einzigen Firma proprietär definiert wurden. Da diese Formate nicht offen sind und Ergänzungen bzw. Erweiterungen des Formats von einer kommerziell orientierten Firma kontrolliert wurden, setzten sich diese Formate nicht durch. Um einen Standard zu etablieren ist es notwendig, dass eine starke Gruppe von Industriekunden dahintersteht und das Projekt vorantreibt.

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