摘　要

為了彌補傳統印刷電路板數據標準Gerber 不能進行雙向數據交換的缺陷,介紹了新PCB 數據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/ 制造數據交換技術的研究進程;討論了實施PCB 數據交換的關鍵技術和標準化前景。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,國內外電子設計/ 制造業正在發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) 技術引發的變革。在電子制造業,PCB作為電子產品的子系統,扮演著核心模塊單元的角色。據統計,電子產品的設計周期占整個研制生產周期的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) 等各個環節。PCB數據格式標準是規范PCB版圖設計的一種描述式語言,用來實現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縫銜接等。

Gerber是事實上的PCB 數據工業標準,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 加工和組裝的相關信息在Ger2ber 格式中仍無法表達或包含,例如PCB 板料類型、介質厚度及工藝過程參數等。尤其是Gerber 文件交到PCB 加工者以后,通過檢查光繪效果,常常會發現設計規則沖突等問題,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 % ,其癥結在于Gerber 屬于單向數據傳送,不能進行雙向數據交換。Gerber 退出PCB 格式的主流圈已成定勢,但是由哪一個來取代Gerber 成為PCB 數據新一代的標準,目前尚無定論。

國外正在積極醞釀策劃新的PCB 數據交換標準,三個公認候選格式是:美國封裝互連協會( Institute for Packaging and Interconnect ,IPC)的GenCAM(generic computer aided manufacturing) 、Val2or 的ODB + + 和美國電子工業協會(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據交換的不當,已經造成數百萬美元的損失。據報道,每年有超過3 %的印制板加工費用浪費在處理和驗證數據上。換言之,每年對整個電子行業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間。對于低利潤率的電子制造業,這又是一筆無形的開銷。

IPC GenCAM

GenCAM是IPC研究開發的一種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系。該標準的文件包括了板型、焊盤、貼片、插裝、板內信號線等信息,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問數據。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,詳細描述設計要求和制造細節。每一節表達一個功能或一項作業。每一節在邏輯上是獨立的,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 個信息節在文件中出現一次,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構,每個制造設備只處理與其作業相關的信息節內容。

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有改變,新版本只是改寫了信息的組織方式,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) 規則體現在設計過程之中。ODB + + 采用可擴展的ASC Ⅱ格式,可在單個數據庫中保存PCB 制造和裝配所必須的全部工程數據。單個數據庫包含圖形、鉆孔信息、布線、元件、網表、規格、繪圖、工程處理定義、報表功能、ECO 和DFM結果等。設計師在進行DFM 設計時可以更新這些數據庫,以便在裝配之前發現潛在的布局布線問題。

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構,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) 數據的嵌入。

ODB + + 采用一種標準的文件結構,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設計信息的子文件夾。該路徑樹可在不同系統間移植而不丟失數據。與單一大文件相比,在對文件進行讀寫操作時,該樹結構允許設計中的某些數據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 年向公眾發布ODB + +;2000 年推出支持XML 標準的ODB + + (X) 1. 0 版本;2001年發布了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據交換,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,即內容(ODX-CONTENTS) 、物料清單(ODX-BOM) 、授權廠商(ODX-AVL) 、輔助設計(ODX-CAD) 、供應信息(ODX-LOGISTICS-HEADER) 及變更(ODX-HISTORYREC)等,以構成一個高級元素(ODX) 。

EDA 軟件商,如Cadence ,Mentor , PADS ,VeriBest和Zuken 等,已經開始支持ODB + + / ODB + + (X) 。PCB 的CAM 軟件商,如Mitron ,FABmaster ,Unicam 和Graphic 等也已經采納了ODB + + 技術。這些軟件公司間組成了Valor 用戶聯盟,只要將EDA 數據交換中性文件進行處理,就可以形成設備驅動程序、檢測程序等。