PCB設計/ 制造數據交換技術及標準化

　　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，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 ，RouterSolutions ， 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的板層和次序定義；⑤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。

　　EIA EDIF400

　　電子設計交換格式（ Electronic Design InterchangeFormat ，EDIF） 由EIA 制定并發布。它實際是一種建模的語言描述方案。EDIF 采用BNF 描述方式，　是一種結構化的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 設計與制造間出現的許多問題，包括Gerber數據的校準、不一致的數據格式、錯誤的元器件庫調用和提供電子數據的方式等，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） 數據，變換成制造組裝過程所需的多種信息。包括Mentor 和Candence 在內的許多EDA 開發商都已經正式采用EDIF400。

　　其他PCB數據交換格式

　　除了上述Gerber ， GenCAM， ODB + + 以及EDIF400 外，還有一些在用的PCB 數據交換標準，它們是：①原始圖形交換規格（ Initial Graphics ExchangeSpecification ， GES） ———ANSI 標準，用于三維立體幾何模型和工程描述，包括技術描述、工程圖形、電子設計數據、制造設計數據和數控信息等；②產品模型數據交換標準（STEP） ———ISO 標準，其終目的是取代所有現存的國際設計/ 制造數據交換標準；③硬件描述語言（VHSIC Hardware Description Language ，VHDL） ———IEEE 標準，用于定義數字電路系統的功能和邏輯結構關系，也可以對PCB 進行行為和邏輯結構描述；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數據交換技術及標準化

　　當前，在EDA 軟件、CAM 設備經歷巨大變革的同時，有稱，在PCB 產品數據交換領域的進展已滯后了20 多年，數據交換欠缺標準化間接導致了設計/ 制造的成本上升。

　　改變PCB數據交換模式的迫切性

　　現有的PCB 數據標準，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 數據結構， A 代表不同的應用，雙線箭頭表示點對點的PCB 數據交換。EDA 工具輸出和制造應用之間多對多的映射關系，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 數據格式標準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 數據轉換

　　PCB數據格式的競爭

　　在PCB 數據交換格式標準化的進程中，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作為數據標準，而將ODB ++ 作為本地數據庫。然而，Valor 認為ODB + + 是的數據庫，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 行業不利;Valor 則認為，在推行一個數據格式時，作為公司行為，可能會比IPC 這樣的行業組織更貼近用戶而體現出優勢。實質上，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，但在制造領域卻很實用。其主要優勢在于它能較好地支持電路內部測試、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數據交換技術的關鍵

　　以設計為源頭的PCB 數據交換方案和標準化進程，必須著力解決以下關鍵的技術問題，才能獲得成功：①尋求完善的PCB 單一數據結構；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，以便將設計數據順利變換成驅動設備控制數據； ④征得PCB 設計制造業各廠商的全方位認可。

　　PCB數據交換研究和前景

　　近年來，在PCB 制造業影響的設計/ 制造數據交換研究項目是電子設計/ 制造數據交換（Electronic CAD/ CAM Exchange ，ECCE） 和數據交換匯合項目（Data Exchange Convergence Project ， DECP） ，其中，ECCE 項目已經完成，DECP 正在進行當中。ECCE項目由IPC 和EIA 兩大標準化組織聯合推進： IPC 負責制定格式和參數標準，EIA 負責建立　信息模型。研究內容涉及設計/ 制造互連（ EDIF 400擴展應用） 和CAM 格式標準的籌建（ IPC - 2510 系列） 。項目實施的終結果是使IPC 發布了更加完善的GenCAM數據交換標準。

　　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/ 制造統一數據交換標準的形成。NEMI 極力說服IPC 和Valor 實現合作，以Valor 公司的ODB + + （X）數據格式為原型，吸納IPC GenCAM 的強勢部分，從而產生一個待公布的整合標準IPC - 2581 ，并終交由IPC 維護和管理。

　　目前， PCB 行業已有數十家EDA 和CAM 的軟件商以及供應鏈各環節的組織都參與到DECP 中。如果在產業鏈各環節能夠成功實施，將帶來成本和研制周期的巨大收益。實現這一目標，顯然是任重而道遠。參與者和業界對此持謹慎的樂觀態度。

　　結束語

　　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據信息，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交換結構，采用以數據為中心的新型模式。以數據為中心的PCB 數據交換模式，呼喚著能適應各種EDA 軟件和制造設備的數據格式標準的誕生。

　　PCB 設計/ 制造數據的交換是電子設計制造一體化信息集成的關鍵，因此，制定新的PCB 數據交換格式標準已經刻不容緩。目前大多數研究處于測試階段，如DECP 數據交換項目仍在繼續進行?？梢灶A見，一套統一、完善的數據交換格式標準即將問世。由于國內對這一研究活動的參與程度一直很低，推動并介入相應內容的研討有著積極的現實意義。