ガーバーデータ(Gerber Data)とは?

今回はKiCAD他EDAで設計したデータから必ず作成する、ガーバーデータ(Gerber Data)についてお話ししたいと思います。

「ガーバー」って何?

ガーバーデータ、正確にはガーバーフォーマット(Geber Format)と呼ばれるファイル形式は、プリント基板を製造する工程で使用されるデータフォーマットの中で最も広く使用されているファイル形式になります。

プリント基板の導体層や外形の形状イメージ、穴あけドリルの加工情報などを定められた書式で記述した数値データのリストになっています。

KiCADで作成したGerberファイルをメモ帳で開いてみました。

ファイルの先頭にはヘッダーファイルと言われる基本情報を記述した部分があり、その下に描かれたレイヤーから生成された配線、塗りつぶしといった情報を表現するデータが頂点のX,Y座標を基にして記述されていきます。

このリストを機械加工関係の経験がある人に見せたら大体の人は「これはGコードだ」と言うでしょう。

「Gコード」と「ガーバーフォーマット」の歴史

プリント基板を収納する筐体やパーツを作る時にも使用する「Gコード」は、NC制御と呼ばれる自動切削加工において必要になる加工情報、刃物の移動する位置について「X,Y座標を基にして記述」しているデータフォーマットです。

結論から言えば、ガーバーフォーマットは「プリント基板加工用に特化したGコード」と言う事になります。

1960年代にアメリカで製造技術のデータ化と標準化が押し進められ、アメリカ電子工業会(EIA:現Electronic Industries Alliance、旧:Electronic Industries Association)でNC加工設備の標準制御言語として「RS-274」と呼ばれるGコードが標準化されました。

プリント基板の製造時に使用するフォトマスクの作成にもこのGコードが利用され、当時フォトプリンタの最大手メーカーだった企業がGerber Systems社です。

初期のフォトプリンタはこのGコードを利用したベクター方式(始点と終点の間を自動的に描く方式)で印刷する方式で、プリント基板の導体層表面に描かれた塗り潰しや複雑な形状の再現は苦手としていました。

ちょっと意外かもしれませんが、製造設備の歴史ではベクターデータの活用の方が先で、ラスターデータを利用する様になるのは10年近く後の事なのです。

分かり易い様に極端に描きましたが、当時のRS-274フォーマットで塗りつぶしを指示する場合、上図の様に沢山の線データで埋めていくハッチングという処理で代替する方式が取られていました。

1979年にEIAによってGコードの最終改訂版としてRS-274-Dフォーマットが作成され翌年の1980年に策定、同年中にGerber Systems社によって同社のフォトプロッタに対応するデータ形式を基準とした「EIA RS-274-Dのサブセット」という書式が出版され、これ以降同社のサブセットを含んだEDA及び基板製造設備用のGコードファイルフォーマットがメーカーのGerber Systems社の名前を取って「ガーバーフォーマット」と呼ばれ一般化していく事となりました。

これが現在、我々がKiCADやEDA内で使用しているフォーマットの基となった「標準ガーバー」と呼ばれるファイル形式です。

ここで一つだけ雑談的な話ですが「RS-274-D」そのものは現在でもNC工作機械用のGコードフォーマットの名称であり、基板製造には利用しない制御命令の仕様なども多数含まれています。

回路エンジニアが知っている「標準ガーバー」とは厳密には「フォトマスク作成限定RS-274-D+フォトマスク用サブセット」であるという事を念のため知っておいて下さい。

「ベクター」から「ラスター」へ、再現性向上の拡張フォーマット

標準ガーバーフォーマットが広く利用される様になって間もなく、フォトプロッタに「ラスターデータ(指定されたエリアを点群の情報で定めたデータ)」にも対応した機種が登場し、ガーバーフォーマットに塗り潰しや微細な文字等の表現が可能なラスターデータへの対応が求められる様になりました。

今ではほとんどのフォトプロッタはラスターデータ対応型となっています。

Geber Systems社はBarco社に買収されながらも開発が続けられ、1998年にラスターデータにも対応したRS-274Xが規格化され文書が発表されました。

これが「拡張ガーバー」として現在使われているRS-274Xです。拡張ガーバーのフォーマットは標準ガーバーの命令を拡張する形式で作られており、基本的にはRS-274X未対応のソフトウェアでも標準ガーバーフォーマットとして読み込める様に作られています。

※ 但し、標準ガーバー記述部分しか読み込めない為、EDAツール間を行き来したデータでは正常な基板形状が再現できない場合がありますので注意しましょう。

KiCADで設計したプリント基板を標準ガーバーフォーマットでファイル出力すると、ラスターデータとして塗り潰されたゾーンは一定の間隔でハッチング処理されます。

拡張ガーバーフォーマット(KiCAD標準設定)でファイル出力すれば、プリント基板エディターで描いた通りの導体面を成形する事が出来ます。

ファイル統合による効率アップ

拡張ガーバーフォーマットの特徴はラスターデータ対応だけではなく、最大の改良項目として「ファイル単体で基板の描画情報を内包する」事が出来る様になった点を挙げる事が出来ます。

プリント基板では半田付け用パッドの形状や標準化されたパッド形状といった、いわゆる「アパーチャ」の情報を記したデータが必要になります。

標準ガーバーフォーマットでは配線や描画の端点や線幅といった情報しか持っていませんので、Dコードと呼ばれる様なアパーチャの形状情報を記したリストファイルが別途必要になります。もしこのアパーチャリストが記載されたファイルの出力を忘れると、導体層の正常な形状を再現できなくなるリスクがあります。

拡張ガーバーフォーマットではそのリスクを無くす為、データファイルの中に情報が記述されています。

KiCADであえて標準ガーバーフォーマットを指定してファイルを生成した場合、記述そのものは拡張ガーバーと同じ構成で書かれますが、標準ガーバー仕様では使われない部分はコメントとして処理されています。

今でも現役?標準ガーバーフォーマット

以前「一部のプリント基板製造業者では標準ガーバーフォーマットが必要になる場合があります」というお話をした事がありました。

KiCADではガーバーファイルの出力メニューで拡張フォーマットの使用をするか否かを選択する事が出来ますが、基本的には製造業者から求められない限り拡張X2フォーマットのままファイルをプロットする事が推奨されています。

今回お話ししました様に拡張ガーバーの利用開始が1998年ですから、拡張フォーマットの利用開始から2022年時点でまだ二十数年しか経過していません

ソフトウェアや昨今のIoT技術の世界における20年はとてつもない進化を果たしている訳ですが、製造業の工作機械の世界では20年前の設備はまだまだ現役で動いています。

さすがにもうそろそろ設備の耐用年数に限界が来るでしょうからこれからは徐々に入れ替わっていくとは思いますが、それでも拡張ガーバーフォーマットが存在しない時代の工作設備はまだ何年も先まで稼働しているでしょう。

「最新型IoTデバイスの制御基板が標準ガーバーしか読み込めない設備で量産されている」

なんて事も、全くないとは言い切れなくて少々複雑な気分ではあります。

ABOUT KiCAD MASTER

KiCADの達人
KiCAD歴15年程度。雑誌記事や教育用テキストの執筆経験等複数あり。私大電気電子工学科での指導とフリーランスエンジニアを兼業しながらFab施設の機器インストラクターや企業セミナー講師を歴任し、KiCADの普及と現代の働き方に対応した技術者育成に務める。