Die Bedeutung eines modernen Datenformats für die PCB-Herstellung

Ich habe kürzlich einen BLOG auf Altium über die neueste eSmart Factory in New Hampshire veröffentlicht. Mit der neuesten Spitzentechnologie und Prozessen kann sie in nur wenigen Tagen nahezu perfekte komplexe Mehrlagen und HDI-Substrate mit extrem feinen Geometrien produzieren, und das ohne jemals von Menschenhand berührt oder unterstützt zu werden, während sie gleichzeitig nichts an die Umwelt abgibt, was ihr schaden könnte – null Emissionen.

Digitale Transformation für die Smart Factory

Diese Technologie wird die Art und Weise, wie gedruckte Schaltungen hergestellt werden, für Jahre prägen. Der Vorteil, eine „Voll-Digitale Smart Factory“ zu sein, ist auch ihre potenzielle Schwäche. Es gibt keine Arbeiter, die ein bestimmtes Rezept lesen oder Maschinen anpassen! Dies ist eine „Voll-Digitale-Smart-Factory“, und sie benötigt digitale Rezepte für alles. Hier kommt das IPC-2581 digitale Designkommunikationsprogramm ins Spiel. Wie in Abbildung 1 zu sehen ist, erstellt das IPC-2581-Programmkomitee einen digitalen Faden, der es ermöglichen wird, dass Designwerkzeuge eine digitale XML-Datei ausgeben, die die „Fabrik der Zukunft“ oder die Smart Factory antreiben kann.

ABBILDUNG 1: Digitalisierung der Designmerkmale für die Smart Factory. (Quelle: 2017 IPC APEX Präsentation)

Beliebte intelligente PCB-Design-Ausgabeformate

Um die Digitalisierung intelligenter Fabriken in der Elektronikfertigung zu ermöglichen, gab es bereits mehrere Bemühungen, die Exporte von Fertigungsdaten zu konsolidieren und zu standardisieren, sodass die Größe der Dateipakete reduziert wird. Die zwei beliebtesten Ausgabeformate, mit denen PCB-Designer vertraut sein werden, sind:

• Gerber X2
• ODB++

Gerber X2 stellt nur eine inkrementelle Verbesserung gegenüber RS-274-X dar, während ODB++ viel näher an einem wirklich intelligenten Datenformat liegt. Dennoch sind etwa 70-80% der PCB-Ausgabedateipakete im RS-274-X-Format, das immer noch zusätzliche Dateien erfordert, um die zur Herstellung und Montage der PCB benötigten Informationen vollständig zu kommunizieren.

Im Jahr 2020 wurde das Gerber X3-Format von Ucamco eingeführt, das eine signifikante Verbesserung des X2-Dateiformats bietet. Das Format konsolidiert Montageinformationen (BOM, Pick-and-Place usw.) und zusätzliche Metadaten (Referenzbezeichnungen, Komponentenbeschreibungen usw.) in den standardmäßigen Gerber-Dateipaketexport. Dies macht das X3-Paket einem ODB++-Export sehr ähnlich und es gibt den Herstellern die benötigten Informationen mit weniger Dateien.

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IPC-2581

Der sich entwickelnde Standard IPC-2581 ist ein Grund dafür, dass der IPC-CFX-2591 Standard so schnell entwickelt wurde. Der Design-zu-Fertigungsstandard ist seit fast 30 Jahren ein Schwerpunkt der IPC. Der CAD-zu-CAM-Datentransfer bestand aus mehreren Dateien, Spezifikationen und Notizen, wie in Abbildung 28 zu sehen ist. Zuerst war es Gerber -> EDIF -> IPC-D-350 -> ODB -> GenCam -> ODB++ -> IPC-2541 -> GenCam 2.0 -> GenCamX -> IPC-2581A und jetzt IPC-2581B mit Erweiterungen. Aber die Digitalisierung aller Produkt- und Fertigungsinformationen hat die Industrie dazu veranlasst, einen universellen, offenen Produktstandard zu schaffen, und der IPC-2581B ist das, was wir am ehesten als Konsensstandard haben. Ein Beleg dafür ist die schnelle Implementierung von CFX.

Die Fortschritte beim IPC-2581 waren schnell, konzentrierten sich aber auf die Elektronikmontage. Die starken Prozess- und CNC-Anforderungen für die PCB-Herstellung sind in den Hintergrund gerückt. Wie in Abbildung 2 zu sehen ist, wurden einige Datenanforderungen noch nicht digitalisiert.

Der aktuelle Stand der PCB-Fertigung wird durch diese Situation gekennzeichnet:

• Fähigkeiten der PCB-Fertigungsfabrik
  • PCB-Technologie umfasst ML, HDI, SLP und FPC
  • Hohe Mischung, geringe bis hohe Stückzahl, mit hunderten aktiven Kunden (>15.000 Designs/Jahr)
• Kundendaten
  • hohe Zuverlässigkeit und Einhaltung der Spezifikationen bei der Kundenbasis
  • >10 Sprachen (Englisch und vereinfachtes Chinesisch sind am häufigsten)
  • keine Kunden, bei denen alle Designs den Fähigkeiten der Fabrik oder ihren Spezifikationen entsprechen
  • viele Kunden haben einige Designs, bei denen keine DFM TQs erforderlich sind
  • Englische und metrische Einheiten (manchmal im selben Dokumentenpaket)
  • durchschnittlich >1 Vor-Design-DFM-Überprüfung pro ausgerüstetem Design
• Vorbereitung der Fertigung
  • erheblicher Kapazitätsbedarf für Vor-Design-DFM-Überprüfungen und interne ECNs
  • Designs werden als CAD-Dateien, Gerber 274X, ODB++ und IPC-2581 bereitgestellt
  • die Vorbereitung muss feststellen/lösen, wenn das Design gegen Kundenspezifikationen verstößt

ABBILDUNG 2: Das Ziel von IPC-2581 ist die vollständige Digitalisierung des PCB-Produkts in einen datengesteuerten Standard. Doch einige Bereiche wurden von 2581 bisher noch nicht adressiert. [Quelle: KORF Consultancy]

Die "Connected Factory for Assembly"-IPC-CFX & Hermes

IPC-CFX ist ein OFFENER Netzwerkstandard, der 2018 vom Institut für die Verbindung von Elektronikindustrien (IPC) eingeführt wurde (Abbildung 3). Er etabliert drei kritische Elemente für das „Plug-and-Play“ industrieller IoT:

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1. Ein Nachrichtenprotokoll – unter Verwendung von AMQP.
2. Ein Kodierungsmechanismus – unter Verwendung von {JSON}.
3. Ein spezifisches Element zur Inhaltserstellung – strukturierte Themen und Nachrichten.

Der neue Standard wurde sehr schnell mit der Beteiligung von über 300 Industrieunternehmen gemeinsam entwickelt. Er ist:

• ein Standard, um Industrie 4.0 zu ermöglichen, aber frei und OPEN Source;
• IIoT „Plug & Play“;
• offen für alle, mit konsensbasierten Vereinbarungen von >300 Teilnehmern;
• Maschinen, Prozesse, Systeme und Menschen;
• keine Lizenzierungen, Verträge oder Abhängigkeiten, mit DIY-Software und Hilfsmitteln;
• Aktueller Fokus liegt auf der gesamten diskreten Montagefertigung;
• Veröffentlicht im April 2019.

ABBILDUNG 3: IPC-CFX ist ein OFFENER, kostenloser M2M-Standard für das elektronische Montageprotokoll. [Quelle: IPC]ABBILDUNG 3: IPC-CFX ist ein OFFENER, kostenloser M2M-Standard für das elektronische Montageprotokoll. [Quelle: IPC]

Der Hermes Standard (THS) ist ein Low-Level-Leitungssteuerungsprotokoll, das Informationen entlang der Ausrüstungslinie nach oben und unten weitergibt:

• PCB-ID
• Programmname
• Wichtige Produktdaten

Diese Elemente ermöglichen die Erstellung von automatischen Entscheidungsfindungen, Dashboard-Anzeigen, Warnmeldungen und Berichten. Anwendungen, die Produktivität, Effizienz, Kapazitätsplanung und Qualität verbessern und gleichzeitig Kosten senken. Es ermöglicht die vollständige Rückverfolgbarkeit von Komponenten (IPC-1782) und Rückmeldungen zum Design (IPC-2581).

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Das IPC hat eine Methodik zur Hinzufügung/Bearbeitung neuer Nachrichten für den CFX-Standard, den „CFX Message Submission Process“, etabliert, um dessen Wachstum zu ermöglichen und die Anwendung durch mehr Maschinen und Prozesse zu erlauben. Es gibt sogar CFX-Nachrichten für das Handlöten.

Künstliche Intelligenz zur Rettung

Ende 1995 entwickelte das Hewlett-Packard Labor eine „selbstlernende künstliche Intelligenz“, die PCB-Designern bei ihrer komplexen Aufgabe des Entwerfens von Hochgeschwindigkeits-Mehrschichtplatinen helfen konnte. Das KI-System wurde „EXPLOYER“ genannt und arbeitete in Verbindung mit früherer Software, dem „Board Construction Adviser“, der Informationen und Kosten zum PCB-Fab-Prozess bereitstellte. Das System wird in Abbildung 4 gezeigt und betont, dass KI zur Rettung kommen kann, um benötigte Informationen für die Digitalisierung der Elektronikfertigung bereitzustellen.

Diese Themen sind Teil des Videos der Keynote, die auf AltiumLive im Jahr 2019 gehalten wurde und können auf YouTube angesehen werden.

ABBILDUNG 4: HP Labs Design Explorer arbeitet mit BCA-IPDA und EDA CAD-Tools zusammen, um Hochgeschwindigkeits-Mehrschichtplatinen zu entwerfen

Haben Sie weitere Fragen? Rufen Sie einen Experten bei Altium an oder erfahren Sie mehr über PCB-Datenmanagement und wie es sich auf den PCB-Designprozess und die Rollen aller Beteiligten bezieht.

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