PCB設計/ 制造數據交換技術(shù)及標準化

摘　要

為了彌補傳統印刷電路板數據標準Gerber 不能進(jìn)行雙向數據交換的缺陷,介紹了新PCB 數據標準的三個(gè)候選格式：IPC 的GenCAM、Valor 的ODB + + 以及EIA 的EDIF400 ;分析了PCB 設計/ 制造數據交換技術(shù)的研究進(jìn)程;討論了實(shí)施PCB 數據交換的關(guān)鍵技術(shù)和標準化前景。指出必須將目前PCB 設計和制造的點(diǎn)對點(diǎn)交換模式改變成單一的理想交換模式。

引言

20 多年來(lái),國內外電子設計/ 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) 和電子設計自動(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,扮演著(zhù)核心模塊單元的角色。據統計,電子產(chǎn)品的設計周期占整個(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子系統設計環(huán)節決定的。PCB 設計/ 制造數據由電子設計師用EDA工具生成,包括PCB的光繪制版(fabrication) 、組裝(assembly) 和測試(test) 等各個(gè)環(huán)節。PCB數據格式標準是規范PCB版圖設計的一種描述式語(yǔ)言,用來(lái)實(shí)現EDA工具或設計師之間的數據傳遞、原理圖和版圖之間的數據交換以及設計與制造測試之間的無(wú)縫銜接等。

Gerber是事實(shí)上的PCB 數據工業(yè)標準,仍在廣泛應用。從1970 年問(wèn)世的Gerber 原型到1992年的Gerber 274X ,雖經(jīng)不斷改良,但對于日趨復雜的設計,一些與PCB 加工和組裝的相關(guān)信息在Ger2ber 格式中仍無(wú)法表達或包含,例如PCB 板料類(lèi)型、介質(zhì)厚度及工藝過(guò)程參數等。尤其是Gerber 文件交到PCB 加工者以后,通過(guò)檢查光繪效果,常常會(huì )發(fā)現設計規則沖突等問(wèn)題,這時(shí)必須返回設計部門(mén)重新生成Gerber 文件,再進(jìn)行PCB 的加工。這類(lèi)返工耗費了研制周期的30 % ,其癥結在于Gerber 屬于單向數據傳送,不能進(jìn)行雙向數據交換。Gerber 退出PCB 格式的主流圈已成定勢,但是由哪一個(gè)來(lái)取代Gerber 成為PCB 數據新一代的標準,目前尚無(wú)定論。

國外正在積極醞釀策劃新的PCB 數據交換標準,三個(gè)公認候選格式是: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)眾研究標準,是因為近年來(lái)由于數據交換的不當,已經(jīng)造成數百萬(wàn)美元的損失。據報道,每年有超過(guò)3 %的印制板加工費用浪費在處理和驗證數據上。換言之,每年對整個(gè)電子行業(yè)造成的浪費竟高達數十億美元! 除了直接的浪費,由于數據不標準,設計方和制造方之間反復的交互也消耗了大量的精力和時(shí)間。對于低利潤率的電子制造業(yè),這又是一筆無(wú)形的開(kāi)銷(xiāo)。

IPC GenCAM

GenCAM是IPC研究開(kāi)發(fā)的一種PCB設計/ 制造數據交換標準藍本,而IPC 是美國國家標準局(ANSI) 認可的PCB 方面的標準化研究機構。Gen-CAM的正式文件命名為IPC - 2511 ,包含IPC - 2510系列的幾個(gè)子標準( IPC - 2512～IPC - 2518) 。IPC -2510 系列標準基于GenCAD 格式(由Mitron 公司推出) ,各子標準間呈互為依存關(guān)系。該標準的文件包括了板型、焊盤(pán)、貼片、插裝、板內信號線(xiàn)等信息,幾乎所有PCB 加工的信息都可以從GenCAM的參數中獲取。

GenCAM的文件結構使設計師和制造工程師都能訪(fǎng)問(wèn)數據。在向制造方輸出的數據中,還可以擴展數據,例如添加加工過(guò)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。GenCAM一共包括20 個(gè)信息節,詳細描述設計要求和制造細節。每一節表達一個(gè)功能或一項作業(yè)。每一節在邏輯上是獨立的,都可以作為一個(gè)單獨文件。GenCAM 的20 個(gè)信息節是: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) 、機械信息(mechani2cals) 、元件(components) 、布線(xiàn)(routes) 、電源/ 地(power) 、測試點(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)信息節在文件中出現一次,通過(guò)組合的變化向制造工序提供不同的信息。GenCAM 保留了信息語(yǔ)義的層次和結構,每個(gè)制造設備只處理與其作業(yè)相關(guān)的信息節內容。

GenCAM 2. 0 以前版本的文件符合巴科斯范式(BNF) 規則。GenCAM 2. 0 版本采用了XML 文件格式標準和XML 方案,但IPC - 2511A 中根本的信息模型幾乎沒(méi)有改變,新版本只是改寫(xiě)了信息的組織方式,而信息的內容未變。

目前,已有不少EDA 和PCB 的CAM 軟件商支持GenCAM作為數據交換格式。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(kāi)放數據庫(Open Data Base ,ODB + + ) 由以色列Valor 計算系統公司推出,它允許將面向制造的設計(DFM) 規則體現在設計過(guò)程之中。ODB + + 采用可擴展的ASC Ⅱ格式,可在單個(gè)數據庫中保存PCB 制造和裝配所必須的全部工程數據。單個(gè)數據庫包含圖形、鉆孔信息、布線(xiàn)、元件、網(wǎng)表、規格、繪圖、工程處理定義、報表功能、ECO 和DFM結果等。設計師在進(jìn)行DFM 設計時(shí)可以更新這些數據庫,以便在裝配之前發(fā)現潛在的布局布線(xiàn)問(wèn)題。

ODB + + 是一種雙向格式,允許數據的下傳和上行。一旦設計數據以ASC Ⅱ形式傳至PCB 板加工車(chē)間,加工者就可順利實(shí)施流程操作,如蝕刻補償、面板成像、輸出鉆孔、布線(xiàn)和照相等。

ODB + + 采用比較智能的顯式結構,具體措施有：①包括了阻抗、鍍金/ 非鍍金過(guò)孔、特定過(guò)孔連接板層等更多的系統屬性;②采用所見(jiàn)即所得(WYSIWYG) 的信息描述方式以消除模糊不清的信息描述;③所有對象的屬性處于單特征級別上;④獨一無(wú)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) 數據的嵌入。

ODB + + 采用一種標準的文件結構,它將一個(gè)設計表示為一個(gè)文件路徑樹(shù),設計文件夾下包含一系列相關(guān)設計信息的子文件夾。該路徑樹(shù)可在不同系統間移植而不丟失數據。與單一大文件相比,在對文件進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí),該樹(shù)結構允許設計中的某些數據被單獨讀寫(xiě)而無(wú)需讀寫(xiě)整個(gè)大文件。ODB ++ 文件路徑樹(shù)的13 個(gè)層次分別為多層步( steps) 、多步矩陣(matrix) 、步內符號(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) 多種設備格式、用戶(hù)自定義(user) 、第三方擴展(extension) 及日志(log) 等。

一個(gè)普通的ODB + + 設計,在上述文件夾中最多可包含53 種設計文件,在ODB + + 庫設計中還另外包含2 種文件。ODB + + 共支持26 種標準圖形符號。

由于PCB 設計的特殊性,數據庫中有一些大文件不適于結構化的存儲方式。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(kāi)。文件中行的順序很重要,特定行可以要求后續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(lèi)型。

Valor 于1997 年向公眾發(fā)布ODB + +;2000 年推出支持XML 標準的ODB + + (X) 1. 0 版本;2001年發(fā)布了ODB + + (X) 3. 1A 版本。ODB + + (X) 改寫(xiě)了ODB + + 的信息組織方式,目的是更方便設計與制造間的數據交換,而其信息模型并沒(méi)有太大改變。一個(gè)ODB + + (X) 文件包含六大子元素,即內容(ODX-CONTENTS) 、物料清單(ODX-BOM) 、授權廠(chǎng)商(ODX-AVL) 、輔助設計(ODX-CAD) 、供應信息(ODX-LOGISTICS-HEADER) 及變更(ODX-HISTORYREC)等,以構成一個(gè)高級元素(ODX) 。

EDA 軟件商,如Cadence ,Mentor , PADS ,VeriBest和Zuken 等,已經(jīng)開(kāi)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(hù)聯(lián)盟,只要將EDA 數據交換中性文件進(jìn)行處理,就可以形成設備驅動(dòng)程序、檢測程序等。