L'importance d'avoir un format de données de fabrication de PCB moderne

J'ai récemment publié un BLOG sur Altium concernant la dernière eSmart Factory dans le New Hampshire. Utilisant ce qu'il y a de plus récent en matière de machines et de processus de pointe, elle peut produire des multicouches complexes et des substrats HDI presque parfaits avec des géométries extrêmement fines en seulement quelques jours, et ce, sans jamais être manipulés ou touchés par des mains humaines, tout en n'émettant rien qui puisse nuire à l'environnement — zéro effluent.

La numérisation pour l'usine intelligente

Cette technologie va façonner les manières dont les circuits imprimés sont fabriqués pour les années à venir. L'avantage qu'elle a en étant une « Usine Intelligente Tout Numérique » est aussi sa potentielle faiblesse. Il n'y a pas de travailleurs pour lire un plan de recette particulier ou ajuster les machines ! C'est une « Usine Intelligente Tout Numérique » et elle a besoin de recettes numériques pour tout. Entrez le programme de communication de conception numérique IPC-2581. Comme on peut le voir sur la Figure 1, le comité du programme IPC-2581 crée un fil numérique qui permettra aux outils de conception de produire un fichier XML numérique qui peut piloter l'« Usine du Futur » ou l'Usine Intelligente.

FIGURE 1 : Numérisation des caractéristiques de conception pour l'Usine Intelligente. (Source : présentation IPC APEX 2017)

Formats de sortie de conception de PCB intelligents populaires

Pour permettre la numérisation des usines intelligentes dans la fabrication électronique, plusieurs efforts ont déjà été faits pour consolider et standardiser les exports de données de fabrication afin de réduire la taille des paquets de fichiers. Les deux formats de sortie les plus populaires que les concepteurs de PCB connaîtront sont :

• Gerber X2
• ODB++

Gerber X2 n'est qu'une amélioration incrémentale de RS-274-X, tandis que ODB++ se rapproche beaucoup plus d'un format de données véritablement intelligent. Pourtant, environ 70-80% des paquets de fichiers de sortie PCB sont au format RS-274-X, qui nécessite encore des fichiers supplémentaires pour communiquer pleinement les informations nécessaires à la construction et à l'assemblage du PCB.

En 2020, le format Gerber X3 a été introduit par Ucamco, offrant une amélioration significative du format de fichier X2. Ce format consolide les informations d'assemblage (BOM, pick-and-place, etc.) et des métadonnées supplémentaires (désignateurs de référence, descriptions des composants, etc.) dans l'export standard de paquet de fichiers Gerber. Cela rend le paquet X3 beaucoup plus semblable à un export ODB++ et il donne aux fabricants les informations dont ils ont besoin avec moins de fichiers.

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IPC-2581

La norme en évolution IPC-2581 est une des raisons pour lesquelles la norme IPC-CFX-2591 a été développée si rapidement. La norme de conception à la fabrication est un point d'attention de l'IPC depuis près de 30 ans. Le transfert de données de CAO à CAM a impliqué de multiples fichiers, spécifications et notes, comme on peut le voir dans la Figure 28. D'abord, il y avait Gerber -> EDIF -> IPC-D-350 -> ODB -> GenCam -> ODB++ -> IPC-2541 -> GenCam 2.0 -> GenCamX -> IPC-2581A et maintenant IPC-2581B avec extensions. Mais la numérisation de toutes les informations sur les produits et la fabrication a poussé l'industrie à créer une norme de produit universelle et ouverte, et l'IPC-2581B est ce qui se rapproche le plus d'une norme consensuelle. Ce fait est souligné par la mise en œuvre rapide de CFX.

Les progrès ont été rapides sur l'IPC-2581 mais se sont concentrés sur l'assemblage électronique. Les exigences lourdes en processus et en CNC pour la fabrication de PCB ont été reléguées au second plan. Comme on peut le voir dans la Figure 2, plusieurs exigences de données n'ont pas encore été numérisées.

L'état actuel de la fabrication de PCB est caractérisé par cette situation :

• Capacité de l'usine de fabrication de PCB
  • La technologie PCB varie entre ML, HDI, SLP et FPC
  • Combinaison de faible à grand volume, avec des centaines de clients actifs (>15 000 conceptions par an)
• Données client
  • base de clients exigeant une haute fiabilité et conformité aux spécifications
  • >10 langues (l'anglais et le chinois simplifié sont les plus courants)
  • aucun client dont toutes les conceptions correspondent à la capacité de l'usine ou à leurs spécifications
  • de nombreux clients ont certaines conceptions sans qu'aucune DFM TQ ne soit requise
  • unités anglaises et métriques (parfois dans le même ensemble de documents)
  • moyenne >1 révision DFM avant conception par conception outillée
• Outil de préparation
  • capacité importante requise pour les révisions DFM avant conception et les ECN internes
  • les conceptions sont fournies en tant que fichiers CAD, Gerber 274X, ODB++ et IPC-2581
  • le prétraitement doit noter/résoudre lorsque la conception viole les spécifications du client

FIGURE 2 : L'objectif de l'IPC-2581 est la numérisation complète du produit PCB en une norme pilotée par les données. Cependant, un certain nombre de domaines n'ont pas encore été abordés par le 2581. [Source : KORF Consultancy]

L'usine connectée pour l'assemblage - IPC-CFX & Hermes

L'IPC-CFX est une norme de réseau OUVERTE introduite par l'Institut pour les industries électroniques connectées (IPC) en 2018 (Figure 3). Elle établit trois éléments critiques pour l'IoT industriel "plug-and-play" :

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1. Un protocole de message utilisant AMQP.
2. Un mécanisme de codage utilisant {JSON}.
3. Un élément spécifique de création de contenu - sujets et messages structurés.

La nouvelle norme a été créée très rapidement avec la participation de plus de 300 entreprises industrielles travaillant toutes ensemble. Elle est :

• une norme pour permettre l'Industrie 4.0 mais libre et OPEN source ;
• IIoT "plug & play" ;
• ouverte à tous, avec des accords basés sur le consensus de >300 participants ;
• machines, processus, systèmes et humains ;
• pas de licences, contrats ou dépendances, avec des logiciels et aides DIY ;
• L'accent actuel est mis sur toute la fabrication d'assemblage discret ;
• Publié en avril 2019.

FIGURE 3 : L'IPC-CFX est une norme de protocole d'assemblage électronique M2M OUVERTE et gratuite. [Source : IPC]FIGURE 3 : L'IPC-CFX est une norme de protocole d'assemblage électronique M2M OUVERTE et gratuite. [Source : IPC]

La norme Hermes (THS) est un protocole de contrôle de ligne de bas niveau qui transmet des informations en amont et en aval de la ligne d'équipement :

• ID du PCB
• Nom du programme
• Données clés du produit

Ces éléments permettent la création de prise de décisions automatique, d'affichages de tableau de bord, d'alertes et de rapport. Des applications qui améliorent la productivité, l'efficacité, la planification de la capacité et la qualité tout en réduisant les coûts. Cela permet la traçabilité complète des composants (IPC-1782) et le retour d'information vers la conception (IPC-2581).

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L'IPC a établi une méthodologie pour ajouter/modifier de nouveaux messages pour la norme CFX, le « Processus de soumission de message CFX », pour lui permettre de croître et d'être appliqué par plus de machines et de processus. Il existe même des messages CFX pour la soudure manuelle.

L'intelligence artificielle à la rescousse

Fin 1995, le laboratoire de Hewlett-Packard a développé une « intelligence artificielle auto-apprenante » qui pouvait assister les concepteurs de PCB dans leur tâche complexe de conception de multicouches à haute vitesse. Le système d'IA était appelé « EXPLOYER » et fonctionnait en conjonction avec un logiciel antérieur, « The Board Construction Adviser » qui fournissait des informations sur le processus de fabrication des PCB et les coûts. Le système est présenté dans la Figure 4 et souligne que l'IA peut venir à la rescousse pour fournir les informations nécessaires à la numérisation de la fabrication électronique.

Ces sujets font partie de la vidéo de la Keynote présentée à AltiumLive en 2019 et peuvent être visionnés sur YouTube.

FIGURE 4 : Le Design Explorer de HP Lab travaillant avec BCA-IPDA et les outils CAO EDA pour concevoir des multicouches à haute vitesse

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