PCB設(shè)計(jì)/ 制造數(shù)據(jù)交換技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化

摘　要

為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)印刷電路板數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)Gerber 不能進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交換的缺陷,介紹了新PCB 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的三個(gè)候選格式：IPC 的GenCAM、Valor 的ODB + + 以及EIA 的EDIF400 ;分析了PCB 設(shè)計(jì)/ 制造數(shù)據(jù)交換技術(shù)的研究進(jìn)程;討論了實(shí)施PCB 數(shù)據(jù)交換的關(guān)鍵技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化前景。指出必須將目前PCB 設(shè)計(jì)和制造的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交換模式改變成單一的理想交換模式。

引言

20 多年來,國內(nèi)外電子設(shè)計(jì)/ 制造業(yè)正在發(fā)生一場(chǎng)由高檔集成電路( Integrated Circuit , IC) 芯片、高速印制電路板( Printed Circuit Board , PCB) 和電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化( Electronic Design Automation , EDA) 技術(shù)引發(fā)的變革。在電子制造業(yè),PCB作為電子產(chǎn)品的子系統(tǒng),扮演著核心模塊單元的角色。據(jù)統(tǒng)計(jì),電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期占整個(gè)研制生產(chǎn)周期的60%以上;而成本的80%～90%又是在芯片和PCB子系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)決定的。PCB 設(shè)計(jì)/ 制造數(shù)據(jù)由電子設(shè)計(jì)師用EDA工具生成,包括PCB的光繪制版(fabrication) 、組裝(assembly) 和測(cè)試(test) 等各個(gè)環(huán)節(jié)。PCB數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)是規(guī)范PCB版圖設(shè)計(jì)的一種描述式語言,用來實(shí)現(xiàn)EDA工具或設(shè)計(jì)師之間的數(shù)據(jù)傳遞、原理圖和版圖之間的數(shù)據(jù)交換以及設(shè)計(jì)與制造測(cè)試之間的無縫銜接等。

Gerber是事實(shí)上的PCB 數(shù)據(jù)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),仍在廣泛應(yīng)用。從1970 年問世的Gerber 原型到1992年的Gerber 274X ,雖經(jīng)不斷改良,但對(duì)于日趨復(fù)雜的設(shè)計(jì),一些與PCB 加工和組裝的相關(guān)信息在Ger2ber 格式中仍無法表達(dá)或包含,例如PCB 板料類型、介質(zhì)厚度及工藝過程參數(shù)等。尤其是Gerber 文件交到PCB 加工者以后,通過檢查光繪效果,常常會(huì)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)則沖突等問題,這時(shí)必須返回設(shè)計(jì)部門重新生成Gerber 文件,再進(jìn)行PCB 的加工。這類返工耗費(fèi)了研制周期的30 % ,其癥結(jié)在于Gerber 屬于單向數(shù)據(jù)傳送,不能進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交換。Gerber 退出PCB 格式的主流圈已成定勢(shì),但是由哪一個(gè)來取代Gerber 成為PCB 數(shù)據(jù)新一代的標(biāo)準(zhǔn),目前尚無定論。

國外正在積極醞釀策劃新的PCB 數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn),三個(gè)公認(rèn)候選格式是:美國封裝互連協(xié)會(huì)( Institute for Packaging and Interconnect ,IPC)的GenCAM(generic computer aided manufacturing) 、Val2or 的ODB + + 和美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)(Electronic Indus2tries Association , EIA) 的EDIF400。之所以興師動(dòng)眾研究標(biāo)準(zhǔn),是因?yàn)榻陙碛捎跀?shù)據(jù)交換的不當(dāng),已經(jīng)造成數(shù)百萬美元的損失。據(jù)報(bào)道,每年有超過3 %的印制板加工費(fèi)用浪費(fèi)在處理和驗(yàn)證數(shù)據(jù)上。換言之,每年對(duì)整個(gè)電子行業(yè)造成的浪費(fèi)竟高達(dá)數(shù)十億美元! 除了直接的浪費(fèi),由于數(shù)據(jù)不標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)方和制造方之間反復(fù)的交互也消耗了大量的精力和時(shí)間。對(duì)于低利潤(rùn)率的電子制造業(yè),這又是一筆無形的開銷。

IPC GenCAM

GenCAM是IPC研究開發(fā)的一種PCB設(shè)計(jì)/ 制造數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)本,而IPC 是美國國家標(biāo)準(zhǔn)局(ANSI) 認(rèn)可的PCB 方面的標(biāo)準(zhǔn)化研究機(jī)構(gòu)。Gen-CAM的正式文件命名為IPC - 2511 ,包含IPC - 2510系列的幾個(gè)子標(biāo)準(zhǔn)( IPC - 2512～I(xiàn)PC - 2518) 。IPC -2510 系列標(biāo)準(zhǔn)基于GenCAD 格式(由Mitron 公司推出) ,各子標(biāo)準(zhǔn)間呈互為依存關(guān)系。該標(biāo)準(zhǔn)的文件包括了板型、焊盤、貼片、插裝、板內(nèi)信號(hào)線等信息,幾乎所有PCB 加工的信息都可以從GenCAM的參數(shù)中獲取。

GenCAM的文件結(jié)構(gòu)使設(shè)計(jì)師和制造工程師都能訪問數(shù)據(jù)。在向制造方輸出的數(shù)據(jù)中,還可以擴(kuò)展數(shù)據(jù),例如添加加工過程允許的容差、為面板制造給出多種信息等。GenCAM 采用ASC Ⅱ格式,支持14 種圖形符號(hào)。GenCAM一共包括20 個(gè)信息節(jié),詳細(xì)描述設(shè)計(jì)要求和制造細(xì)節(jié)。每一節(jié)表達(dá)一個(gè)功能或一項(xiàng)作業(yè)。每一節(jié)在邏輯上是獨(dú)立的,都可以作為一個(gè)單獨(dú)文件。GenCAM 的20 個(gè)信息節(jié)是:文件頭( header ) 、訂貨信息( administratio ) 、基元(primitives) 、圖形( artworks ) 、層( layers ) 、壓焊塊( pad-stacks) 、模板庫(patterns) 、封裝及庫(packages) 、元件序列(families) 、器件( devices) 、機(jī)械信息(mechani2cals) 、元件(components) 、布線(routes) 、電源/ 地(power) 、測(cè)試點(diǎn)(testconnects) 、板信息(boards) 、制造組裝控制(panels) 、放置(flxtures) 、繪制(drawings) 以及變更(changes) 等。

GenCAM允許且只允許上述20 個(gè)信息節(jié)在文件中出現(xiàn)一次,通過組合的變化向制造工序提供不同的信息。GenCAM 保留了信息語義的層次和結(jié)構(gòu),每個(gè)制造設(shè)備只處理與其作業(yè)相關(guān)的信息節(jié)內(nèi)容。

GenCAM 2. 0 以前版本的文件符合巴科斯范式(BNF) 規(guī)則。GenCAM 2. 0 版本采用了XML 文件格式標(biāo)準(zhǔn)和XML 方案,但I(xiàn)PC - 2511A 中根本的信息模型幾乎沒有改變,新版本只是改寫了信息的組織方式,而信息的內(nèi)容未變。

目前,已有不少EDA 和PCB 的CAM 軟件商支持GenCAM作為數(shù)據(jù)交換格式。這些EDA 公司中有Mentor , Cadence , Zuken ,OrCAD , PADS 及Veribest等;而PCB 的CAM 軟件商中有ACT , IGI , Mitron ,Router Solutions , Wise Software 及GraphiCode 等。

Valor ODB + +

開放數(shù)據(jù)庫(Open Data Base ,ODB + + ) 由以色列Valor 計(jì)算系統(tǒng)公司推出,它允許將面向制造的設(shè)計(jì)(DFM) 規(guī)則體現(xiàn)在設(shè)計(jì)過程之中。ODB + + 采用可擴(kuò)展的ASC Ⅱ格式,可在單個(gè)數(shù)據(jù)庫中保存PCB 制造和裝配所必須的全部工程數(shù)據(jù)。單個(gè)數(shù)據(jù)庫包含圖形、鉆孔信息、布線、元件、網(wǎng)表、規(guī)格、繪圖、工程處理定義、報(bào)表功能、ECO 和DFM結(jié)果等。設(shè)計(jì)師在進(jìn)行DFM 設(shè)計(jì)時(shí)可以更新這些數(shù)據(jù)庫,以便在裝配之前發(fā)現(xiàn)潛在的布局布線問題。

ODB + + 是一種雙向格式,允許數(shù)據(jù)的下傳和上行。一旦設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)以ASC Ⅱ形式傳至PCB 板加工車間,加工者就可順利實(shí)施流程操作,如蝕刻補(bǔ)償、面板成像、輸出鉆孔、布線和照相等。

ODB + + 采用比較智能的顯式結(jié)構(gòu),具體措施有：①包括了阻抗、鍍金/ 非鍍金過孔、特定過孔連接板層等更多的系統(tǒng)屬性;②采用所見即所得(WYSIWYG) 的信息描述方式以消除模糊不清的信息描述;③所有對(duì)象的屬性處于單特征級(jí)別上;④獨(dú)一無二的板層和次序定義;⑤精確的器件封裝和管腳建模;⑥支持元器件清單(BOM) 數(shù)據(jù)的嵌入。

ODB + + 采用一種標(biāo)準(zhǔn)的文件結(jié)構(gòu),它將一個(gè)設(shè)計(jì)表示為一個(gè)文件路徑樹,設(shè)計(jì)文件夾下包含一系列相關(guān)設(shè)計(jì)信息的子文件夾。該路徑樹可在不同系統(tǒng)間移植而不丟失數(shù)據(jù)。與單一大文件相比,在對(duì)文件進(jìn)行讀寫操作時(shí),該樹結(jié)構(gòu)允許設(shè)計(jì)中的某些數(shù)據(jù)被單獨(dú)讀寫而無需讀寫整個(gè)大文件。ODB ++ 文件路徑樹的13 個(gè)層次分別為多層步( steps) 、多步矩陣(matrix) 、步內(nèi)符號(hào)(symbols) 、層疊( stackups) 、工作定義表(work forms) 、工作流程(work flows) 、屬性(attributes) 、孔徑表(wheels) 、接受多輸入(input) 、輸出(output) 多種設(shè)備格式、用戶自定義(user) 、第三方擴(kuò)展(extension) 及日志(log) 等。

一個(gè)普通的ODB + + 設(shè)計(jì),在上述文件夾中最多可包含53 種設(shè)計(jì)文件,在ODB + + 庫設(shè)計(jì)中還另外包含2 種文件。ODB + + 共支持26 種標(biāo)準(zhǔn)圖形符號(hào)。

由于PCB 設(shè)計(jì)的特殊性,數(shù)據(jù)庫中有一些大文件不適于結(jié)構(gòu)化的存儲(chǔ)方式。為此,ODB + + 采用了行記錄文本的文件方式,每一行均包括多個(gè)信息位,之間以空格分開。文件中行的順序很重要,特定行可以要求后續(xù)行必須遵守某種順序形式。每一行行首的字符又可以定義該行所描述信息的類型。

Valor 于1997 年向公眾發(fā)布ODB + +;2000 年推出支持XML 標(biāo)準(zhǔn)的ODB + + (X) 1. 0 版本;2001年發(fā)布了ODB + + (X) 3. 1A 版本。ODB + + (X) 改寫了ODB + + 的信息組織方式,目的是更方便設(shè)計(jì)與制造間的數(shù)據(jù)交換,而其信息模型并沒有太大改變。一個(gè)ODB + + (X) 文件包含六大子元素,即內(nèi)容(ODX-CONTENTS) 、物料清單(ODX-BOM) 、授權(quán)廠商(ODX-AVL) 、輔助設(shè)計(jì)(ODX-CAD) 、供應(yīng)信息(ODX-LOGISTICS-HEADER) 及變更(ODX-HISTORYREC)等,以構(gòu)成一個(gè)高級(jí)元素(ODX) 。

EDA 軟件商,如Cadence ,Mentor , PADS ,VeriBest和Zuken 等,已經(jīng)開始支持ODB + + / ODB + + (X) 。PCB 的CAM 軟件商,如Mitron ,FABmaster ,Unicam 和Graphic 等也已經(jīng)采納了ODB + + 技術(shù)。這些軟件公司間組成了Valor 用戶聯(lián)盟,只要將EDA 數(shù)據(jù)交換中性文件進(jìn)行處理,就可以形成設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、檢測(cè)程序等。