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。

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。