KICAD: pliki gerber

Po zakończeniu projektowania płytki w PCBNEW, opisywanym w czwartym odcinku kursu, pozostają jeszcze dwie operacje do wykonania - produkcja płytek oraz montaż. Jeżeli chcesz zlecić profesjonalną produkcję, rzuć okiem na schemat. Musisz przygotować pliki GERBER do produkcji laminatów oraz dokumentację montażową, aby zakład zajmujący się montażem wiedział, gdzie przylutować jakie elementy.

W celu wyprodukowania płytki w profesjonalnym zakładzie, zwanym potocznie płytkarnią, musimy przygotować pliki Gerber. Jest to pewien standard, dzięki któremu płytkarnia nie musi mieć wszystkich możliwych programów projektowych, jak Kicad, Eagle, Protel, Altium... co zresztą byłoby niesamowicie kosztowne. Każdy z tych programów generuje mozaikę ścieżek w uniwersalnym formacie Gerber, aby uprościć i ujednolicić proces produkcji.

Każdy plik Gerber zawiera osobną warstwę, a charakterystyczną cechą jest rozszerzenie pliku. Jest ono wręcz kluczowe, gdyż po rozszerzeniu wytwórca może rozpoznać, z jaką warstwą ma do czynienia. Jakie warstwy są potrzebne do produkcji?

Zobaczmy jeszcze przekrój płytki drukowanej. Ma ona widoczną budowę warstwową. Jeśli mamy płytkę jednostronną, wówczas warstwy są ułożone w takiej kolejności:

• laminat szklano-epoksydowy - usztywnia całą konstrukcję i jest dobrym izolatorem.
• warstwa miedzi - na laminat jest naniesiona filia miedziana, z której wytrawia się ścieżki, pola masy, itp.
• soldermaska - najczęściej ma kolor zielony i służy do zabezpieczenia miedzi przed zwarciami i utlenianiem. Jest czymś w rodzaju lakieru lub cienkiej folii, w której wykonane są otwory na pola lutownicze.
• warstwa opisowa - etykiety, numery elementów, wartości, komentarze i inne elementy graficzne; jest to warstwa opcjonalna i nie musi jej być jeżeli bardzo nam zależy na cięciu kosztów.

Jeżeli płytka jest dwustronna, to oczywiście warstwy miedzi, soldermaski i opisów są również z obu stron.

Charakterystycznym elementem płytki dwustronnej jest przelotka, która służy do łączenia ścieżek po przeciwnych stronach płytki. Jest to zwyczajny wywiercony otwór, który wewnątrz ma metalizację. Przelotki mogą być pokryte soldermaską lub mogą być beż odkryte. Jeżeli są odkryte, wówczas mogą służyć jako testpointy i można do nich coś prowizorycznie dolutować. Normalne pola lutownicze do elementów przewlekanych też mają metalizację, więc mogą również posłużyć jako przelotki. Ważna uwaga - otworu z metalizacją nie można rozwiercić, by mu powiększyć średnicę! Tak więc jeżeli nie jesteś pewien, jaka średnica jest właściwa, to lepiej żeby była za duża niż za mała!

Tworzenie plików GERBER w Kicadzie

Do ćwiczeń posłuży płytka testowa do procesora ATmega88PA, która została zaprojektowana z myślą o profesjonalnym wykonaniu i montażu automatycznym w firmie zajmującej się produkcją urządzeń elektronicznych. Po ściągnięciu pliku, należy go rozpakować, a następnie trzeba otworzyć projekt.pro w managerze projektu.

Pliki do pobrania:

• Testowy projekt

Po otwarciu projektu powinien pokazać się taki obraz, jak poniżej. Otwieramy płytkę projekt.brd. 

Na początku musimy umieścić punkty bazowe dla siatki i wierceń, czyli coś w rodzaju początku układu współrzędnych. Na ogół wybiera się jeden z narożników płytki. My wstawimy te punkty w lewym górnym rogu. Ważne jest, by oba punkty były w tym samym miejscu. 

Ponieważ obrys płytki jest narysowany na siatce milimetrowej, zmieniamy jednostki na milimetry, a siatkę ustawiamy na 1mm. Następnie z prawego paska narzędzi wybieramy opcję Ustaw punkt bazowy dla siatki i wstawiamy go w lewym górnym narożniku. Podobnie, klikamy teraz Wstaw punkt bazowy dla wierceń i rozkładu elementów i również wstawiamy ten punkt w lewym górnym rogu. Szczerze mówiąc nie wiem po co są dwa osobne układy współrzędnych dla siatki i wierceń, ani nie przychodzi mi na myśl żadna sytuacja, kiedy wstawienie tych punktów w różnych miejscach miałoby sens.

Jeszcze jedna opcja, jaką trzeba zmienić, to prześwit dla soldermaski. Pole wycięte w soldermasce powinno być ok 0.1mm większe niż pole lutownicze na warstwie miedzi. Domyślnie ta opcja jest ustawiona na 0,254mm, co jest wartością dość dużą, co może powodować, że otwory w soldermasce będą zbyt duże i między wyprowadzeniami układów scalonych porobią się zwarcia. Wybieramy Ustawienia - Wymiary - Prześwit maski pól lutowniczych, a następnie Prześwit maski ustawiamy na 0,1mm. 

Klikamy przycisk Rysuj na górnym pasku narzędzi. W tym oknie musimy skonfigurować, jakie warstwy GERBER chcemy uzyskać. Zależy to od konkretnego projektu. W tym przypadku mamy płytkę ze ścieżkami po obu stronach, więc zaznaczamy Górna i Dolna. Płytka z obu stron ma być pokryta soldermaską, więc wybieramy też Maski górna i Maski dolna. Opisy będą jedynie na warstwie górnej, zaznaczamy Opisowa górna. Potrzebna będzie też warstwa Krawędziowa.

Przejdźmy do pozostałych opcji. W polu Format wyjściowy wybieramy oczywiście GERBER. Utworzy się całkiem sporo plików, więc warto przechowywać je w osobnym katalogu. W projekcie znajdują się już przykładowe gerbery, więc te, które zaraz utworzymy, zapiszmy w katalogu gerbery2. Pozostałe opcje najlepiej zaznaczyć tak, jak na poniższym zdjęciu:

Niektóre opcje mogą wymagać dokładniejszego komentarza:

• Użyj właściwych rozszerzeń plików - pliki gerber rozróżnia się po rozszerzeniu, np. gtl, gto, gts, itd.
• Nie maskuj przelotek - tutaj wybieramy, czy przelotki mają być pokryte soldermaską, czy nie. Na ogół nie ma takiej potrzeby, ale czasami może być to konieczne. Pamiętaj, że jeżeli masz na płytce układ BGA i przelotki między kulkami, to przelotki muszą być bezwzględnie zamaskowane!
• Odejmij maskę lutowniczą od warstwy opisowej - pamiętaj, aby nie umieszczać napisów na polach lutowniczych, gdyż bardzo to utrudnia lutowanie. Po zaznaczeniu tej opcji, wszelkie elementy graficzne znajdujące się na polach lutowniczych, zostaną wycięte.
• Użyj osi pomocniczej jako punktu początkowego - po zaznaczeniu tej opcji użyte będą punkty bazowe wstawione przez nas.

Klikamy Rysuj i gerbery powinny zostać utworzone we wskazanym katalogu.

Kolejnym krokiem jest utworzenie plików wierceń. Wybieramy w tym samym oknie przycisk Generuj plik wierceń. Zaznaczamy kolejno: jednostki milimetry, format dziesiętny, Oś pomocnicza, Arkusz wierceń w formacie Gerber oraz chcemy również raport wierceń. Pozostałe opcje odznaczamy. Klikamy OK i utworzą się trzy pliki: drl, pho, rpt.

Przeglądanie plików GERBER

Wracamy do managera projektu i klikamy przycisk Odśwież. Uruchamiamy przeglądarkę gerberów czwartym przyciskiem od lewej - GERBVIEW.

Otworzy się okno, w którym nie ma jeszcze załadowanych żadnych gerberów. Na początku proponuję w Managerze warstw wejść do zakładki Pokaż i wyłączyć wyświetlanie Dcodes. To są kody narzędziowe, które nie są nam potrzebne, a będą tylko zaśmiecać ekran. Wracamy na zakładkę Warstwy sygnałowe.

Niebieski trójkącik sygnalizuje, że właśnie aktywna jest warstwa 1. Aby otworzyć jakiś plik, kliknij Wczytaj nowy plik Gerbera na bieżącą warstwę i na początek wybierzmy warstwę krawędziową. Pokazał się zielony kwadrat, będący obrysem płytki. Następnie wczytajmywarstwę górną, potem maski górną i opisową górną. 

Może być konieczne, by pozmieniać kolory poszczególnych warstw. W tym celu klikamy kółkiem myszy na wybraną warstwę w managerze i wybieramy żądany kolor.

Jeżeli zachodzi konieczność ponownego wczytania plików, można skasować wszystkie warstwy przyciskiem Wyczyść wszystkie warstwy z górnego paska narzędzi. Można także zastąpić obecnie wczytaną warstwę przez inną. W tym celu kliknij warstwę w managerze tak, aby została wskazana przez niebieski trójkąt. Teraz otwórz plik z żądaną warstwą.

Trochę więcej uwagi poświęcę warstwie maski. Powiększ obraz kółkiem myszy tak, aby było dokładnie widać pola układu scalonego. U mnie ścieżki są zaznaczone kolorem czerwonym, a soldermaska szaro-beżowym. Ważne - wszystko co nie jest pokryte kolorem szaro-beżowym, będzie pokryte soldermaską (czyli tą zieloną farbą). Szare prostokąty przedstawiają okna w masce, co oznacza, że w tych miejscach będzie dostępna warstwa miedzi i będzie można do niej coś przylutować. Zwróć uwagę na to, że każde pole lutownicze ma swoje własne okno, dzięki czemu prawdopodobieństwo powstania zwarć między polami jest minimalne. Zwróć też uwagę na to, że u mnie przelotki są zamaskowane, w związku z czym nie widać na nich szarych pól.

W managerze warstw ukryj ścieżki i soldermaskę. Pozostaje jedynie warstwa krawędziowa i opisowa. Zwróć uwagę na to, że z tej warstwy zostało wycięte wszystko to, co pokrywa się z polami lutowniczymi i utrudniałoby lutowanie. Pozostawienie napisów oraz ozdobników graficznych na polach lutowniczych jest niedopuszczalne! Przy okazji przypatrz się dobrze i zastanów, jak właściwie porozmieszczać napisy w PCBNEW, aby na płytce były umieszczone z sensem.

Analogicznie, załaduj warstwę dolną i soldermaskę dolną. Na tej warstwie znajduje się napis wykonany wyłącznie z prześwitów w soldermasce. Będzie on fajny i srebrny :) 

Pozostaje jeszcze sprawdzić pliki wierceń. Otwórz plik projekt-drl.pho. Zawiera on mapę wierceń, spis wierteł i współrzędne otworów. 

Następnie kliknij ikonę wiertarki i otwórz projekt.drl. Jest to również plik wierceń, ale w formacie Excellon. Trzeci plik wierceń o nazwie projekt-drl.rpt jest plikiem tekstowym i zawiera raport wierceń - żądane średnice wierteł, ilości otworów, informacje o przelotkach i inne informacje.

Zlecamy produkcję

Jeżeli wszystko jest już poprawne i sprawdzone 10 razy, można wreszcie zlecić wykonanie płytek. Wszystkie pliki Gerber i wiercenie pakujemy ZIPem i wysyłamy do płytkarni. Po pewnym czasie otrzymamy laminaty gotowe do lutowania elementów. Jeżeli chcesz, by montaż wykonać w specjalistycznym zakładzie produkcyjnym, wówczas trzeba jeszcze sporządzić dokumentację montażową - gerbery służące do produkcji laminatów są dla takiego zakładu bezużyteczne. Potrzebne będą inne gerbery, spis elementów, plik do automatu pick&place oraz parę innych rzeczy. Jak to zrobić, zobaczycie w następnym odcinku!