PCB设计/ 制造数据交换技术及标准化

摘　要：为了弥补传统印刷电路板数据标准Gerber 不能进行双向数据交换的缺陷,介绍了新PCB 数据标准的三个候选格式：IPC 的GenCAM、Valor 的ODB + + 以及EIA 的EDIF400 ;分析了PCB 设计/ 制造数据交换技术的研究进程;讨论了实施PCB 数据交换的关键技术和标准化前景。指出必须将目前PCB 设计和制造的点对点交换模式改变成单一的理想交换模式。

关键词：印刷电路板;数据交换;标准化

引言

20 多年来,国内外电子设计/ 制造业正在发生一场由高档集成电路( Integrated Circuit , IC) 芯片、高速印制电路板( Printed Circuit Board , PCB) 和电子设计自动化( Electronic Design Automation , EDA) 技术引发的变革。在电子制造业,PCB作为电子产品的子系统,扮演着核心模块单元的角色。据统计,电子产品的设计周期占整个研制生产周期的60%以上;而成本的80%～90%又是在芯片和PCB子系统设计环节决定的。PCB 设计/ 制造数据由电子设计师用EDA工具生成,包括PCB的光绘制版(fabrication) 、组装(assembly) 和测试(test) 等各个环节。PCB数据格式标准是规范PCB版图设计的一种描述式语言,用来实现EDA工具或设计师之间的数据传递、原理图和版图之间的数据交换以及设计与制造测试之间的无缝衔接等。

Gerber是事实上的PCB 数据工业标准,仍在广泛应用。从1970 年问世的Gerber 原型到1992年的Gerber 274X ,虽经不断改良,但对于日趋复杂的设计,一些与PCB 加工和组装的相关信息在Ger2ber 格式中仍无法表达或包含,例如PCB 板料类型、介质厚度及工艺过程参数等。尤其是Gerber 文件交到PCB 加工者以后,通过检查光绘效果,常常会发现设计规则冲突等问题,这时必须返回设计部门重新生成Gerber 文件,再进行PCB 的加工。这类返工耗费了研制周期的30 % ,其症结在于Gerber 属于单向数据传送,不能进行双向数据交换。Gerber 退出PCB 格式的主流圈已成定势,但是由哪一个来取代Gerber 成为PCB 数据新一代的标准,目前尚无定论。

国外正在积极酝酿策划新的PCB 数据交换标准,三个公认候选格式是:美国封装互连协会( Institute for Packaging and Interconnect ,IPC)的GenCAM(generic computer aided manufacturing) 、Val2or 的ODB + + 和美国电子工业协会(Electronic Indus2tries Association , EIA) 的EDIF400。之所以兴师动众研究标准,是因为近年来由于数据交换的不当,已经造成数百万美元的损失。据报道,每年有超过3 %的印制板加工费用浪费在处理和验证数据上。换言之,每年对整个电子行业造成的浪费竟高达数十亿美元! 除了直接的浪费,由于数据不标准,设计方和制造方之间反复的交互也消耗了大量的精力和时间。对于低利润率的电子制造业,这又是一笔无形的开销。

IPC GenCAM

GenCAM是IPC研究开发的一种PCB设计/ 制造数据交换标准蓝本,而IPC 是美国国家标准局(ANSI) 认可的PCB 方面的标准化研究机构。Gen-CAM的正式文件命名为IPC - 2511 ,包含IPC - 2510系列的几个子标准( IPC - 2512～IPC - 2518) 。IPC -2510 系列标准基于GenCAD 格式(由Mitron 公司推出) ,各子标准间呈互为依存关系。该标准的文件包括了板型、焊盘、贴片、插装、板内信号线等信息,几乎所有PCB 加工的信息都可以从GenCAM的参数中 
获取。

GenCAM的文件结构使设计师和制造工程师都能访问数据。在向制造方输出的数据中,还可以扩展数据,例如添加加工过程允许的容差、为面板制造给出多种信息等。GenCAM 采用ASC Ⅱ格式,支持14 种图形符号。GenCAM一共包括20 个信息节,详细描述设计要求和制造细节。每一节表达一个功能或一项作业。每一节在逻辑上是独立的,都可以作为一个单独文件。GenCAM 的20 个信息节是:文件头( header ) 、订货信息( administratio ) 、基元(primitives) 、图形( artworks ) 、层( layers ) 、压焊块( pad-stacks) 、模板库(patterns) 、封装及库(packages) 、元件序列(families) 、器件( devices) 、机械信息(mechani2cals) 、元件(components) 、布线(routes) 、电源/ 地(power) 、测试点(testconnects) 、板信息(boards) 、制造组装控制(panels) 、放置(flxtures) 、绘制(drawings) 以及变更(changes) 等。

GenCAM允许且只允许上述20 个信息节在文件中出现一次,通过组合的变化向制造工序提供不同的信息。GenCAM 保留了信息语义的层次和结构,每个制造设备只处理与其作业相关的信息节内容。

GenCAM 2. 0 以前版本的文件符合巴科斯范式(BNF) 规则。GenCAM 2. 0 版本采用了XML 文件格式标准和XML 方案,但IPC - 2511A 中根本的信息模型几乎没有改变,新版本只是改写了信息的组织方式,而信息的内容未变。

目前,已有不少EDA 和PCB 的CAM 软件商支持GenCAM作为数据交换格式。这些EDA 公司中有Mentor , Cadence , Zuken ,OrCAD , PADS 及Veribest等;而PCB 的CAM 软件商中有ACT , IGI , Mitron ,Router Solutions , Wise Software 及GraphiCode 等。

Valor ODB + +

开放数据库(Open Data Base ,ODB + + ) 由以色列Valor 计算系统公司推出,它允许将面向制造的设计(DFM) 规则体现在设计过程之中。ODB + + 采用可扩展的ASC Ⅱ格式,可在单个数据库中保存PCB 制造和装配所必须的全部工程数据。单个数据库包含图形、钻孔信息、布线、元件、网表、规格、绘图、工程处理定义、报表功能、ECO 和DFM结果等。设计师在进行DFM 设计时可以更新这些数据库,以便在装配之前发现潜在的布局布线问题。

ODB + + 是一种双向格式,允许数据的下传和上行。一旦设计数据以ASC Ⅱ形式传至PCB 板加工车间,加工者就可顺利实施流程操作,如蚀刻补偿、面板成像、输出钻孔、布线和照相等。

ODB + + 采用比较智能的显式结构,具体措施有：①包括了阻抗、镀金/ 非镀金过孔、特定过孔连接板层等更多的系统属性;②采用所见即所得(WYSIWYG) 的信息描述方式以消除模糊不清的信息描述;③所有对象的属性处于单特征级别上;④独一无二的板层和次序定义;⑤精确的器件封装和管脚建模;⑥支持元器件清单(BOM) 数据的嵌入。

ODB + + 采用一种标准的文件结构,它将一个设计表示为一个文件路径树,设计文件夹下包含一系列相关设计信息的子文件夹。该路径树可在不同系统间移植而不丢失数据。与单一大文件相比,在对文件进行读写操作时,该树结构允许设计中的某些数据被单独读写而无需读写整个大文件。ODB ++ 文件路径树的13 个层次分别为多层步( steps) 、多步矩阵(matrix) 、步内符号(symbols) 、层叠( stackups) 、工作定义表(work forms) 、工作流程(work flows) 、属性(attributes) 、孔径表(wheels) 、接受多输入(input) 、输出(output) 多种设备格式、用户自定义(user) 、第三方 
扩展(extension) 及日志(log) 等。

一个普通的ODB + + 设计,在上述文件夹中最多可包含53 种设计文件,在ODB + + 库设计中还另外包含2 种文件。ODB + + 共支持26 种标准图形符号。 
　
由于PCB 设计的特殊性,数据库中有一些大文件不适于结构化的存储方式。为此,ODB + + 采用了行记录文本的文件方式,每一行均包括多个信息位,之间以空格分开。文件中行的顺序很重要,特定行可以要求后续行必须遵守某种顺序形式。每一行行首的字符又可以定义该行所描述信息的类型。

Valor 于1997 年向公众发布ODB + +;2000 年推出支持XML 标准的ODB + + (X) 1. 0 版本;2001年发布了ODB + + (X) 3. 1A 版本。ODB + + (X) 改写了ODB + + 的信息组织方式,目的是更方便设计与制造间的数据交换,而其信息模型并没有太大改变。一个ODB + + (X) 文件包含六大子元素,即内容(ODX-CONTENTS) 、物料清单(ODX-BOM) 、授权厂商(ODX-AVL) 、辅助设计(ODX-CAD) 、供应信息(ODX-LOGISTICS-HEADER) 及变更(ODX-HISTORYREC)等,以构成一个高级元素(ODX) 。

EDA 软件商,如Cadence ,Mentor , PADS ,VeriBest和Zuken 等,已经开始支持ODB + + / ODB + + (X) 。PCB 的CAM 软件商,如Mitron ,FABmaster ,Unicam 和Graphic 等也已经采纳了ODB + + 技术。这些软件公司间组成了Valor 用户联盟,只要将EDA 数据交换中性文件进行处理,就可以形成设备驱动程序、检测程序等。

EIA EDIF400

电子设计交换格式( Electronic Design InterchangeFormat ,EDIF) 由EIA 制定并发布。它实际是一种建模的语言描述方案。EDIF 采用BNF 描述方式,　是一种结构化的ASC Ⅱ文本文件。EDIF300 以后的版本均采用了EXPRESS3 信息建模语言。EDIF300描述的信息分为层次信息、连通性信息、库信息、图形信息、可实例化对象信息、设计管理信息、模块行为信息、仿真信息以及注释信息等部分。

EIA 于1996 年发布了新版本EDIF400。除了EDIF300 所具有的支持原理图( schematics) 和连通性(connectivity) 的能力外,EDIF400 新增了对印制电路板和多芯片模块(MCM) 的工艺装配的描述手段。在PCB 设计与制造间出现的许多问题,包括Gerber数据的校准、不一致的数据格式、错误的元器件库调用和提供电子数据的方式等,EDIF 400 都给出了比较好的解决方案。它把EDA 工具生成的单一实体(entities) 数据,变换成制造组装过程所需的多种信息。包括Mentor 和Candence 在内的许多EDA 开发商都已经正式采用EDIF400。

其他PCB数据交换格式

除了上述Gerber , GenCAM, ODB + + 以及EDIF400 外,还有一些在用的PCB 数据交换标准,它们是：①原始图形交换规格( Initial Graphics ExchangeSpecification , GES) ———ANSI 标准,用于三维立体几何模型和工程描述,包括技术描述、工程图形、电子设计数据、制造设计数据和数控信息等;②产品模型数据交换标准(STEP) ———ISO 标准,其最终目的是取代所有现存的国际设计/ 制造数据交换标准;③硬件描述语言(VHSIC Hardware Description Language ,VHDL) ———IEEE 标准,用于定义数字电路系统的功能和逻辑结构关系,也可以对PCB 进行行为和逻辑结构描述;④DPF 和BARCO 格式———IPC - D - 351标准; ⑤EIA494 - CNC 格式———IPC - D - 352 标准;⑥IDF 2. 0 和IDF 3. 0 格式———IPC - D - 356 ,IPC - D- 355 标准;⑦INCASES 格式(SULTAN) ———IEC 1182- 10 标准。

PCB数据交换技术及标准化

当前,在EDA 软件、CAM 设备经历巨大变革的同时,有专家称,在PCB 产品数据交换领域的进展已滞后了20 多年,数据交换欠缺标准化间接导致了设计/ 制造的成本上升。

改变PCB数据交换模式的迫切性
现有的PCB 数据标准,例如IPC D350 ,普遍倾向于在两个特定对象(设计工具和设计工具、设计工具和制造应用) 之间做点对点的交换。图1 可形象化地说明这种混乱局面。其中, T 代表不同的工具,D 代表不同的PCB 数据结构, A 代表不同的应用,双线箭头表示点对点的PCB 数据交换。EDA 工具输出和制造应用之间多对多的映射关系,是乱象的根源。


图1 设计工具与制造应用之间点对点的交换

在EDA 工具T 的输出端和制造应用设备A 的输入端,如果用于交换的只有单一的PCB 数据格式标准D ,则将大大简化PCB 的信息交换(如图2) 。

图2 设计工具与制造应用之间理想的单一PCB 数据转换

PCB数据格式的竞争
在PCB 数据交换格式标准化的进程中,最激烈的竞争在GenCAM和ODB + + 之间展开。Valor 表示愿意把ODB + + 捐赠给IPC ,并提议该组织宣布ODB + + 为IPC/ ANSI 标准; 相反, IPC要求Valor 采用GenCAM作为数据标准,而将ODB ++ 作为本地数据库。然而,Valor 认为ODB + + 是最好的数据库,拒绝采用GenCAM。IPC认为,如果将ODB + + 作为一个正式标准,那么格式的升级将由Valor 控制,这对PCB 行业不利;Valor 则认为,在推行一个数据格式时,作为公司行为,可能会比IPC 这样的行业组织更贴近用户而体现出优势。实质上,ODB + + 与GenCAM 二者的信息模型很相似。相比而言, GenCAM 在蚀刻和润湿工艺方面不是太好,但在制造领域却很实用。其主要优势在于它能较好地支持电路内部测试、人工可读性强,以及拥有国际标准化组织支持与维护等。而ODB+ + 则没有包含足够的制造信息、原理图以及测试固定信息,而且文件较大。

目前多数EDA 和CAM 的软件商均同时支持这两种格式。尽管存在激烈竞争,ODB + + 和GenCAM的发展仍然是密不可分的。Valor 是IPC 的一个长期会员,ODB + + 和GenCAM 之间的这种竞争将促使这两种格式日趋完善。

PCB数据交换技术的关键
以设计为源头的PCB 数据交换方案和标准化进程,必须着力解决以下关键的技术问题,才能获得成功：①寻求完善的PCB 单一数据结构;②研制出EDA 工具的PCB 输出交换器;③研制出CAM 软件和制造设备的PCB 输入交换器,以便将设计数据顺利变换成驱动设备控制数据; ④征得PCB 设计制造业各厂商的全方位认可。

PCB数据交换研究和前景
近年来,在PCB 制造业影响最大的设计/ 制造数据交换研究项目是电子设计/ 制造数据交换(Electronic CAD/ CAM Exchange ,ECCE) 和数据交换汇合项目(Data Exchange Convergence Project , DECP) ,其中,ECCE 项目已经完成,DECP 正在进行当中。ECCE项目由IPC 和EIA 两大标准化组织联合推进: IPC 负责制定格式和参数标准,EIA 负责建立　信息模型。研究内容涉及设计/ 制造互连( EDIF 400扩展应用) 和CAM 格式标准的筹建( IPC - 2510 系列) 。项目实施的最终结果是使IPC 发布了更加完善的GenCAM数据交换标准。

DECP 项目的策划者是美国国家电子制造促进会(National Electronics Manufacturing Initiative ,NEMI) ,参与者有IPC 以及Valor 公司;其目的是促进PCB 设计/ 制造统一数据交换标准的形成。NEMI 极力说服IPC 和Valor 实现合作,以Valor 公司的ODB + + (X)数据格式为原型,吸纳IPC GenCAM 的强势部分,从而产生一个待公布的整合标准IPC - 2581 ,并最终交由IPC 维护和管理。

目前, PCB 行业已有数十家EDA 和CAM 的软件商以及供应链各环节的组织都参与到DECP 中。如果在产业链各环节能够成功实施,将带来成本和研制周期的巨大收益。实现这一目标,显然是任重而道远。参与者和业界对此持谨慎的乐观态度。

结束语

随着PCB 进入高频率、高密度阶段,促使设计　师必须更多地折衷考虑测试与制造需求,吸纳制造装配方的参与和互动。这种互动的结果将频繁地改变原始设计,从而避免或减少制造中的错误。设计师、测试工程师、制造工程师都需要获得完整的数据信息,才能够进行必要的双向交流。因此,必须放弃以EDA 工具输出为中心的传统交换结构,采用以数据为中心的新型模式。以数据为中心的PCB 数据交换模式,呼唤着能适应各种EDA 软件和制造设备的数据格式标准的诞生。

PCB 设计/ 制造数据的交换是电子设计制造一体化信息集成的关键,因此,制定新的PCB 数据交换格式标准已经刻不容缓。目前大多数研究处于测试阶段,如DECP 数据交换项目仍在继续进行。可以预见,一套统一、完善的数据交换格式标准即将问世。由于国内对这一研究活动的参与程度一直很低,推动并介入相应内容的研讨有着积极的现实意义。