PCB制造數(shù)據(jù)交換技術(shù)及標準化
摘 要：為了彌補傳統(tǒng)印刷電路板數(shù)據(jù)標準Gerber 不能進行雙向數(shù)據(jù)交換的缺陷，介紹了新PCB 數(shù)據(jù)標準的三個候選格式：IPC 的GenCAM、Valor 的ODB + + 以及EIA 的EDIF400 ;分析了PCB 設計/ 制造數(shù)據(jù)交換技術(shù)的研究進程；討論了實施PCB 數(shù)據(jù)交換的關(guān)鍵技術(shù)和標準化前景。指出必須將目前PCB 設計和制造的點對點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)外電子設計/ 制造業(yè)正在發(fā)生一場由高檔集成電路( 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，電子產(chǎn)品的設計周期占整個研制生產(chǎn)周期的60%以上;而成本的80%～90%又是在芯片和PCB子系統(tǒng)設計環(huán)節(jié)決定的。PCB 設計/ 制造數(shù)據(jù)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) 等各個環(huán)節(jié)。PCB數(shù)據(jù)格式標準是規(guī)范PCB版圖設計的一種描述式語言，用來實現(xiàn)EDA工具或設計師之間的數(shù)據(jù)傳遞、原理圖和版圖之間的數(shù)據(jù)交換以及設計與制造測試之間的無縫銜接等。
Gerber是事實上的PCB 數(shù)據(jù)工業(yè)標準，仍在廣泛應用。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 格式中仍無法表達或包含，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，常常會發(fā)現(xiàn)設計規(guī)則沖突等問題，這時必須返回設計部門重新生成Gerber 文件，再進行PCB 的加工。這類返工耗費了研制周期的30 % ，其癥結(jié)在于Gerber 屬于單向數(shù)據(jù)傳送，不能進行雙向數(shù)據(jù)交換。Gerber 退出PCB 格式的主流圈已成定勢，但是由哪一個來取代Gerber 成為PCB 數(shù)據(jù)新一代的標準，目前尚無定論。
國外正在積極醞釀策劃新的PCB 數(shù)據(jù)交換標準，三個公認候選格式是:美國封裝互連協(xié)會( 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(Electronic Indus2tries Association ， EIA) 的EDIF400。之所以興師動眾研究標準，是因為近年來由于數(shù)據(jù)交換的不當，已經(jīng)造成數(shù)百萬美元的損失。據(jù)報道，每年有超過3 %的印制板加工費用浪費在處理和驗證數(shù)據(jù)上。換言之，每年對整個電子行業(yè)造成的浪費竟高達數(shù)十億美元! 除了直接的浪費，由于數(shù)據(jù)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間。對于低利潤率的電子制造業(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設計/ 制造數(shù)據(jù)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(gòu)。Gen-CAM的正式文件命名為IPC - 2511 ，包含IPC - 2510系列的幾個子標準( 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、貼片、插裝、板內(nèi)信號線等信息，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)使設計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。GenCAM一共包括20 個信息節(jié)，詳細描述設計要求和制造細節(jié)。每一節(jié)表達一個功能或一項作業(yè)。每一節(jié)在邏輯上是獨立的，都可以作為一個單獨文件。GenCAM 的20 個信息節(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) 、機械信息(mechani2cals) 、元件(components) 、布線(routes) 、電源/ 地(power) 、測試點(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)，每個制造設備只處理與其作業(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 文件格式標準和XML 方案，但IPC - 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 ，RouterSolutions ， Wise Software 及GraphiCode 等。
Valor ODB + +
開放數(shù)據(jù)庫(Open Data Base ，ODB + + ) 由以色列Valor 計算系統(tǒng)公司推出，它允許將面向制造的設計(DFM) 規(guī)則體現(xiàn)在設計過程之中。ODB + + 采用可擴展的ASC Ⅱ格式，可在單個數(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、報表功能、ECO 和DFM結(jié)果等。設計師在進行DFM 設計時可以更新這些數(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。一旦設計數(shù)據(jù)以ASC Ⅱ形式傳至PCB 板加工車間，加工者就可順利實施流程操作，如蝕刻補償、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所有對象的屬性處于單特征級別上；④獨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 + + 采用一種標準的文件結(jié)構(gòu)，它將一個設計表示為一個文件路徑樹，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，在對文件進行讀寫操作時，該樹結(jié)構(gòu)允許設計中的某些數(shù)據(jù)被單獨讀寫而無需讀寫整個大文件。ODB ++ 文件路徑樹的13 個層次分別為多層步( steps) 、多步矩陣(matrix) 、步內(nèi)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、用戶自定義(user) 、第三方
擴展(extension) 及日志(log) 等。
一個普通的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(shù)據(jù)庫中有一些大文件不適于結(jié)構(gòu)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 標準的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，目的是更方便設計與制造間的數(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) 、輔助設計(ODX-CAD) 、供應信息(ODX-LOGISTICS-HEADER) 及變更(ODX-HISTORYREC)等，以構(gòu)成一個高級元素(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 ，F(xiàn)ABmaster ，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)交換中性文件進行處理，就可以形成設備驅(qū)動程序、檢測程序等。
EIA EDIF400
電子設計交換格式( Electronic Design InterchangeFormat ，EDIF) 由EIA 制定并發(fā)布。它實際是一種建模的語言描述方案。EDIF 采用BNF 描述方式， 是一種結(jié)構(gòu)化的ASC Ⅱ文本文件。EDIF300 以后的版本均采用了EXPRESS3 信息建模語言。EDIF300描述的信息分為層次信息、連通性信息、庫信息、圖形信息、可實例化對象信息、設計管理信息、模塊行為信息、仿真信息以及注釋信息等部分。
EIA 于1996 年發(fā)布了新版本EDIF400。除了EDIF300 所具有的支持原理圖( schematics) 和連通性(connectivity) 的能力外，EDIF400 新增了對印制電路板和多芯片模塊(MCM) 的工藝裝配的描述手段。在PCB 設計與制造間出現(xiàn)的許多問題，包括Gerber數(shù)據(jù)的校準、不一致的數(shù)據(jù)格式、錯誤的元器件庫調(diào)用和提供電子數(shù)據(jù)的方式等，EDIF 400 都給出了比較好的解決方案。它把EDA 工具生成的單一實體(entities) 數(shù)據(jù)，變換成制造組裝過程所需的多種信息。包括Mentor 和Candence 在內(nèi)的許多EDA 開發(fā)商都已經(jīng)正式采用EDIF400。
其他PCB數(shù)據(jù)交換格式
除了上述Gerber ， GenCAM， ODB + + 以及EDIF400 外，還有一些在用的PCB 數(shù)據(jù)交換標準，它們是：①原始圖形交換規(guī)格( Initial Graphics ExchangeSpecification ， GES) ———ANSI 標準，用于三維立體幾何模型和工程描述，包括技術(shù)描述、工程圖形、電子設計數(shù)據(jù)、制造設計數(shù)據(jù)和數(shù)控信息等；②產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標準(STEP) ———ISO 標準，其最終目的是取代所有現(xiàn)存的國際設計/ 制造數(shù)據(jù)交換標準；③硬件描述語言(VHSIC Hardware Description Language ，VHDL) ———IEEE 標準，用于定義數(shù)字電路系統(tǒng)的功能和邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系，也可以對PCB 進行行為和邏輯結(jié)構(gòu)描述；④DPF 和BARCO 格式———IPC - D - 351標準; ⑤EIA494 - CNC 格式———IPC - D - 352 標準；⑥IDF 2. 0 和IDF 3. 0 格式———IPC - D - 356 ，IPC - D- 355 標準；⑦INCASES 格式(SULTAN) ———IEC 1182- 10 標準。
PCB數(shù)據(jù)交換技術(shù)及標準化
當前，在EDA 軟件、CAM 設備經(jīng)歷巨大變革的同時，有專家稱，在PCB 產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換領(lǐng)域的進展已滯后了20 多年，數(shù)據(jù)交換欠缺標準化間接導致了設計/ 制造的成本上升。
改變PCB數(shù)據(jù)交換模式的迫切性
現(xiàn)有的PCB 數(shù)據(jù)標準，例如IPC D350 ，普遍傾向于在兩個特定對象(設計工具和設計工具、設計工具和制造應用) 之間做點對點的交換。圖1 可形象化地說明這種混亂局面。其中， T 代表不同的工具，D 代表不同的PCB 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)， A 代表不同的應用，雙線箭頭表示點對點的PCB 數(shù)據(jù)交換。EDA 工具輸出和制造應用之間多對多的映射關(guān)系，是亂象的根源。
圖1 設計工具與制造應用之間點對點的交換
在EDA 工具T 的輸出端和制造應用設備A 的輸入端，如果用于交換的只有單一的PCB 數(shù)據(jù)格式標準D ，則將大大簡化PCB 的信息交換(如圖2) 。
圖2 設計工具與制造應用之間理想的單一PCB 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換
PCB數(shù)據(jù)格式的競爭
在PCB 數(shù)據(jù)交換格式標準化的進程中，最激烈的競爭在GenCAM和ODB + + 之間展開。Valor 表示愿意把ODB + + 捐贈給IPC ，并提議該組織宣布ODB + + 為IPC/ ANSI 標準; 相反， IPC要求Valor 采用GenCAM作為數(shù)據(jù)標準，而將ODB ++ 作為本地數(shù)據(jù)庫。然而，Valor 認為ODB + + 是最好的數(shù)據(jù)庫，拒絕采用GenCAM。IPC認為，如果將ODB + + 作為一個正式標準，那么格式的升級將由Valor 控制，這對PCB 行業(yè)不利;Valor 則認為，在推行一個數(shù)據(jù)格式時，作為公司行為，可能會比IPC 這樣的行業(yè)組織更貼近用戶而體現(xiàn)出優(yōu)勢。實質(zhì)上，ODB + + 與GenCAM 二者的信息模型很相似。相比而言， GenCAM 在蝕刻和潤濕工藝方面不是太好，但在制造領(lǐng)域卻很實用。其主要優(yōu)勢在于它能較好地支持電路內(nèi)部測試、人工可讀性強，以及擁有國際標準化組織支持與維護等。而ODB+ + 則沒有包含足夠的制造信息、原理圖以及測試固定信息，而且文件較大。
目前多數(shù)EDA 和CAM 的軟件商均同時支持這兩種格式。盡管存在激烈競爭，ODB + + 和GenCAM的發(fā)展仍然是密不可分的。Valor 是IPC 的一個長期會員，ODB + + 和GenCAM 之間的這種競爭將促使這兩種格式日趨完善。
PCB數(shù)據(jù)交換技術(shù)的關(guān)鍵
以設計為源頭的PCB 數(shù)據(jù)交換方案和標準化進程，必須著力解決以下關(guān)鍵的技術(shù)問題，才能獲得成功：①尋求完善的PCB 單一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；②研制出EDA 工具的PCB 輸出交換器；③研制出CAM 軟件和制造設備的PCB 輸入交換器，以便將設計數(shù)據(jù)順利變換成驅(qū)動設備控制數(shù)據(jù)； ④征得PCB 設計制造業(yè)各廠商的全方位認可。
PCB數(shù)據(jù)交換研究和前景
近年來，在PCB 制造業(yè)影響最大的設計/ 制造數(shù)據(jù)交換研究項目是電子設計/ 制造數(shù)據(jù)交換(Electronic CAD/ CAM Exchange ，ECCE) 和數(shù)據(jù)交換匯合項目(Data Exchange Convergence Project ， DECP) ，其中，ECCE 項目已經(jīng)完成，DECP 正在進行當中。ECCE項目由IPC 和EIA 兩大標準化組織聯(lián)合推進: IPC 負責制定格式和參數(shù)標準，EIA 負責建立 信息模型。研究內(nèi)容涉及設計/ 制造互連( EDIF 400擴展應用) 和CAM 格式標準的籌建( IPC - 2510 系列) 。項目實施的最終結(jié)果是使IPC 發(fā)布了更加完善的GenCAM數(shù)據(jù)交換標準。
DECP 項目的策劃者是美國國家電子制造促進會(National Electronics Manufacturing Initiative ，NEMI) ，參與者有IPC 以及Valor 公司;其目的是促進PCB 設計/ 制造統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換標準的形成。NEMI 極力說服IPC 和Valor 實現(xiàn)合作，以Valor 公司的ODB + + (X)數(shù)據(jù)格式為原型，吸納IPC GenCAM 的強勢部分，從而產(chǎn)生一個待公布的整合標準IPC - 2581 ，并最終交由IPC 維護和管理。
目前， PCB 行業(yè)已有數(shù)十家EDA 和CAM 的軟件商以及供應鏈各環(huán)節(jié)的組織都參與到DECP 中。如果在產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)能夠成功實施，將帶來成本和研制周期的巨大收益。實現(xiàn)這一目標，顯然是任重而道遠。參與者和業(yè)界對此持謹慎的樂觀態(tài)度。
結(jié)束語
隨著PCB 進入高頻率、高密度階段，促使設計 師必須更多地折衷考慮測試與制造需求，吸納制造裝配方的參與和互動。這種互動的結(jié)果將頻繁地改變原始設計，從而避免或減少制造中的錯誤。設計師、測試工程師、制造工程師都需要獲得完整的數(shù)據(jù)信息，才能夠進行必要的雙向交流。因此，必須放棄以EDA 工具輸出為中心的傳統(tǒng)交換結(jié)構(gòu)，采用以數(shù)據(jù)為中心的新型模式。以數(shù)據(jù)為中心的PCB 數(shù)據(jù)交換模式，呼喚著能適應各種EDA 軟件和制造設備的數(shù)據(jù)格式標準的誕生。
PCB 設計/ 制造數(shù)據(jù)的交換是電子設計制造一體化信息集成的關(guān)鍵，因此，制定新的PCB 數(shù)據(jù)交換格式標準已經(jīng)刻不容緩。目前大多數(shù)研究處于測試階段，如DECP 數(shù)據(jù)交換項目仍在繼續(xù)進行?？梢灶A見，一套統(tǒng)一、完善的數(shù)據(jù)交換格式標準即將問世。由于國內(nèi)對這一研究活動的參與程度一直很低，推動并介入相應內(nèi)容的研討有著積極的現(xiàn)實意義。