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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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計環(huán)節(jié)決定的。PCB設(shè)計/制造數(shù)據(jù)由電子設(shè)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(shè)計的一種描述式語言，用來實現(xiàn)EDA工具或設(shè)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(shè)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(yīng)用。從1970年問世的Gerber原型到1992年的Gerber 274X，雖經(jīng)不斷改良，但對于日趨復(fù)雜的設(shè)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(shè)計規(guī)則沖突等問題，這時必須返回設(shè)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(shè)計方和制造方之間反復(fù)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(shè)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(shè)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ASCⅡ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(shè)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)。麥斯艾姆（massembly）貼片知識課堂，用通俗的文字介紹專業(yè)貼片知識。麥斯艾姆科技，全國首家PCB（麥斯艾姆知識課堂）樣板打板，元器件代采購，及貼片的一站式服務(wù)提供者！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(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(shè)計（DFM）規(guī)則體現(xiàn)在設(shè)計過程之中。ODB + +采用可擴展的ASCⅡ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(shè)計師在進行DFM設(shè)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(shè)計數(shù)據(jù)以ASCⅡ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(shè)計表示為一個文件路徑樹，設(shè)計文件夾下包含一系列相關(guān)設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計，在上述文件夾中最多可包含53種設(shè)計文件，在ODB + +庫設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計（ODX-CAD）、供應(yīng)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(shè)備驅(qū)動程序、檢測程序等。
EIA EDIF400電子設(shè)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ASCⅡ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(shè)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(shè)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(shè)計數(shù)據(jù)、制造設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計工具和設(shè)計工具、設(shè)計工具和制造應(yīng)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(yīng)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(yīng)用之間多對多的映射關(guān)系，是亂象的根源。
圖1設(shè)計工具與制造應(yīng)用之間點對點的交換在EDA工具T的輸出端和制造應(yīng)用設(shè)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(shè)計工具與制造應(yīng)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(shè)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(shè)備的PCB輸入交換器，以便將設(shè)計數(shù)據(jù)順利變換成驅(qū)動設(shè)備控制數(shù)據(jù)；④征得PCB設(shè)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(shè)計/制造數(shù)據(jù)交換研究項目是電子設(shè)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(shè)計/制造互連（ EDIF 400擴展應(yīng)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(shè)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(yīng)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(shè)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(shè)計，從而避免或減少制造中的錯誤。設(shè)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(yīng)各種EDA軟件和制造設(shè)備的數(shù)據(jù)格式標準的誕生。
PCB設(shè)計/制造數(shù)據(jù)的交換是電子設(shè)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(yù)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(yīng)內(nèi)容的研討有著積極的現(xiàn)實意義。
來源：EEFOCUS
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