PCB设计制造数据交换技术及标准化

　　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

　　PCB数据交换研究和前景

　　近年来，在PCB制造业影响最大的PCB设计制造数据交换研究项目是电子PCB设计制造数据交换（Electronic CAD/ CAM Exchange ，ECCE）和数据交换汇合项目（Data Exchange Convergence Project ， DECP），其中，ECCE 项目已经完成，DECP 正在进行当中。ECCE项目由IPC 和EIA 两大标准化组织联合推进: IPC 负责制定格式和参数标准，EIA 负责建立　信息模型。研究内容涉及PCB设计制造互连（ EDIF 400扩展应用）和CAM 格式标准的筹建（ IPC - 2510 系列）。项目实施的最终结果是使IPC 发布了更加完善的GenCAM数据交换标准。

　　DECP 项目的策划者是美国国家电子制造促进会（National Electronics Manufacturing Initiative ，NEMI），参与者有IPC 以及Valor 公司；其目的是促进PCB设计制造统一数据交换标准的形成。NEMI 极力说服IPC 和Valor 实现合作，以Valor 公司的ODB + + （X)数据格式为原型，吸纳IPC GenCAM 的强势部分，从而产生一个待公布的整合标准IPC - 2581 ，并最终交由IPC 维护和管理。

　　目前， PCB行业已有数十家EDA 和CAM 的软件商以及供应链各环节的组织都参与到DECP 中。如果在产业链各环节能够成功实施，将带来成本和研制周期的巨大收益。实现这一目标，显然是任重而道远。参与者和业界对此持谨慎的乐观态度。

　　20 多年来，国内外电子PCB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PCB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PCB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PCB设计环节决定的。PCB设计制造数据由电子PCB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PCB设计的一种描述式语言，用来实现EDA工具或PCB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PCB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PCB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PCB设计规则冲突等问题，这时必须返回PCB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，PCB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PCB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PCB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 ，RouterSolutions ， 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PCB设计（DFM）规则体现在PCB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。PCB设计师在进行DFM PCB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PCB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PCB设计表示为一个文件路径树，PCB设计文件夹下包含一系列相关PCB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PCB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 + + PCB设计，在上述文件夹中最多可包含53 种PCB设计文件，在ODB + + 库PCB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PCB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PCB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。

　　EIA EDIF400

　　电子PCB设计交换格式（ Electronic Design InterchangeFormat ，EDIF）由EIA 制定并发布。它实际是一种建模的语言描述方案。EDIF 采用BNF 描述方式，　是一种结构化的ASC Ⅱ文本文件。EDIF300 以后的版本均采用了EXPRESS3 信息建模语言。EDIF300描述的信息分为层次信息、连通性信息、库信息、图形信息、可实例化对象信息、PCB设计管理信息、模块行为信息、仿真信息以及注释信息等部分。

　　EIA 于1996 年发布了新版本EDIF400。除了EDIF300 所具有的支持原理图（ schematics）和连通性（connectivity）的能力外，EDIF400 新增了对印制电路板和多芯片模块（MCM）的工艺装配的描述手段。在PCB设计与制造间出现的许多问题，包括Gerber数据的校准、不一致的数据格式、错误的元器件库调用和提供电子数据的方式等，EDIF 400 都给出了比较好的解决方案。它把EDA 工具生成的单一实体（entities）数据，变换成制造组装过程所需的多种信息。包括Mentor 和Candence 在内的许多EDA 开发商都已经正式采用EDIF400。

　　其他PCB数据交换格式

　　除了上述Gerber ， GenCAM， ODB + + 以及EDIF400 外，还有一些在用的PCB数据交换标准，它们是：①原始图形交换规格（ Initial Graphics ExchangeSpecification ， GES）???ANSI 标准，用于三维立体几何模型和工程描述，包括技术描述、工程图形、电子PCB设计数据、制造PCB设计数据和数控信息等；②产品模型数据交换标准（STEP）???ISO 标准，其最终目的是取代所有现存的国际PCB设计制造数据交换标准；③硬件描述语言（VHSIC Hardware Description Language ，VHDL）???IEEE 标准，用于定义数字电路系统的功能和逻辑结构关系，也可以对PCB进行行为和逻辑结构描述；④DPF 和BARCO 格式???IPC - D - 351标准； ⑤EIA494 - CNC 格式???IPC - D - 352 标准；⑥IDF 2. 0 和IDF 3. 0 格式???IPC - D - 356 ，IPC - D- 355 标准；⑦INCASES 格式（SULTAN）???IEC 1182- 10 标准。

　　PCB数据交换技术及标准化

　　当前，在EDA 软件、CAM 设备经历巨大变革的同时，有专家称，在PCB产品数据交换领域的进展已滞后了20 多年，数据交换欠缺标准化间接导致了PCB设计制造的成本上升。

　　改变PCB数据交换模式的迫切性

　　现有的PCB数据标准，例如IPC D350 ，普遍倾向于在两个特定对象（PCB设计工具和PCB设计工具、PCB设计工具和制造应用）之间做点对点的交换。图1 可形象化地说明这种混乱局面。其中， T 代表不同的工具，D 代表不同的PCB数据结构， A 代表不同的应用，双线箭头表示点对点的PCB数据交换。EDA 工具输出和制造应用之间多对多的映射关系，是乱象的根源。PCB设计工具与制造应用之间点对点的交换

　　在EDA 工具T 的输出端和制造应用设备A 的输入端，如果用于交换的只有单一的PCB数据格式标准D ，则将大大简化PCB的信息交换。PCB设计工具与制造应用之间理想的单一PCB数据转换

　　PCB数据格式的竞争

　　在PCB数据交换格式标准化的进程中，最激烈的竞争在GenCAM和ODB + + 之间展开。Valor 表示愿意把ODB + + 捐赠给IPC ，并提议该组织宣布ODB + + 为IPC/ ANSI 标准； 相反， IPC要求Valor 采用GenCAM作为数据标准，而将ODB ++ 作为本地数据库。然而，Valor 认为ODB + + 是最好的数据库，拒绝采用GenCAM。IPC认为，如果将ODB + + 作为一个正式标准，那么格式的升级将由Valor 控制，这对PCB行业不利；Valor 则认为，在推行一个数据格式时，作为公司行为，可能会比IPC 这样的行业组织更贴近用户而体现出优势。实质上，ODB + + 与GenCAM 二者的信息模型很相似。相比而言， GenCAM 在蚀刻和润湿工艺方面不是太好，但在制造领域却很实用。其主要优势在于它能较好地支持电路内部测试、人工可读性强，以及拥有国际标准化组织支持与维护等。而ODB+ + 则没有包含足够的制造信息、原理图以及测试固定信息，而且文件较大。

　　目前多数EDA 和CAM 的软件商均同时支持这两种格式。尽管存在激烈竞争，ODB + + 和GenCAM的发展仍然是密不可分的。Valor 是IPC 的一个长期会员，ODB + + 和GenCAM 之间的这种竞争将促使这两种格式日趋完善。

　　PCB数据交换技术的关键

　　以PCB设计为源头的PCB数据交换方案和标准化进程，必须着力解决以下关键的技术问题，才能获得成功：①寻求完善的PCB单一数据结构；②研制出EDA 工具的PCB输出交换器；③研制出CAM 软件和制造设备的PCB输入交换器，以便将PCB设计数据顺利变换成驱动设备控制数据； ④征得PCB设计制造业各厂商的全方位认可。

　　结束语

　　随着PCB进入高频率、高密度阶段，促使PCB设计师必须更多地折衷考虑测试与制造需求，吸纳制造装配方的参与和互动。这种互动的结果将频繁地改变原始PCB设计，从而避免或减少制造中的错误。PCB设计师、测试工程师、制造工程师都需要获得完整的数据信息，才能够进行必要的双向交流。因此，必须放弃以EDA工具输出为中心的传统交换结构，采用以数据为中心的新型模式。以数据为中心的PCB数据交换模式，呼唤着能适应各种EDA软件和制造设备的数据格式标准的诞生。

　　PCB设计制造数据的交换是电子PCB设计制造一体化信息集成的关键，因此，制定新的PCB数据交换格式标准已经刻不容缓。目前大多数研究处于测试阶段，如DECP 数据交换项目仍在继续进行。可以预见，一套统一、完善的数据交换格式标准即将问世。由于国内对这一研究活动的参与程度一直很低，推动并介入相应内容的研讨有着积极的现实意义。

来源：www.greattong.com