PCB制作数据交流技能及规范化
摘 要：为了补偿传统印刷电路板数据规范Gerber 不能进行双向数据交流的缺点，介绍了新PCB 数据规范的三个候选格局：IPC 的GenCAM、Valor 的ODB + + 以及EIA 的EDIF400 ;剖析了PCB 规划/ 制作数据交流技能的研讨进程；评论了施行PCB 数据交流的要害技能和规范化远景。指出有必要将现在PCB 规划和制作的点对点交流方法改动成单一的抱负交流方法。
导言
20 多年来，国内外电子规划/ 制作业正在发作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) 和电子规划自动化( Electronic Design AutomaTIon ， EDA) 技能引发的革新。在电子制作业，PCB作为电子产品的子体系，扮演着中心模块单元的人物。据统计，电子产品的规划周期占整个研发出产周期的60%以上;而本钱的80%～90%又是在芯片和PCB子体系规划环节决议的。PCB 规划/ 制作数据由电子规划师用EDA东西生成，包括PCB的光制作版(fabricaTIon) 、拼装(assembly) 和测验(test) 等各个环节。PCB数据格局规范是规范PCB地图规划的一种描绘式言语，用来完结EDA东西或规划师之间的数据传递、原理图和地图之间的数据交流以及规划与制作测验之间的无缝联接等。
Gerber是事实上的PCB 数据工业规范，仍在广泛使用。从1970 年面世的Gerber 原型到1992年的Gerber 274X ，虽经不断改进，但关于日趋杂乱的规划，一些与PCB 加工和拼装的相关信息在Ger2ber 格局中仍无法表达或包括，例如PCB 板料类型、介质厚度及工艺进程参数等。尤其是Gerber 文件交到PCB 加工者今后，经过查看光绘作用，常常会发现规划规矩抵触等问题，这时有必要回来规划部分从头生成Gerber 文件，再进行PCB 的加工。这类返工耗费了研发周期的30 % ，其症结在于Gerber 归于单向数据传送，不能进行双向数据交流。Gerber 退出PCB 格局的干流圈已成定势，可是由哪一个来替代Gerber 成为PCB 数据新一代的规范，现在尚无结论。
国外正在活跃酝酿策划新的PCB 数据交流规范，三个公认候选格局是: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。之所以劳师动众研讨规范，是因为近年来因为数据交流的不妥，现已构成数百万美元的丢掉。据报道，每年有超越3 %的印制板加工费用糟蹋在处理和验证数据上。换言之，每年对整个电子职业构成的糟蹋竟高达数十亿美元! 除了直接的糟蹋，因为数据不规范，规划方和制作方之间重复的交互也耗费了很多的精力和时刻。关于低利润率的电子制作业，这又是一笔无形的开支。
IPC GenCAM
GenCAM是IPC研讨开发的一种PCB规划/ 制作数据交流规范蓝本，而IPC 是美国国家规范局(ANSI) 认可的PCB 方面的规范化研讨机构。Gen-CAM的正式文件命名为IPC – 2511 ，包括IPC – 2510系列的几个子规范( IPC – 2512～IPC – 2518) 。IPC -2510 系列规范根据GenCAD 格局(由Mitron 公司推出) ，各子规范间呈互为依存联系。该规范的文件包括了板型、焊盘、贴片、插装、板内信号线等信息，简直一切PCB 加工的信息都能够从GenCAM的参数中
获取。
GenCAM的文件结构使规划师和制作工程师都能拜访数据。在向制作方输出的数据中，还能够扩展数据，例如增加加工进程答应的容差、为面板制作给出多种信息等。GenCAM 选用ASC Ⅱ格局，支撑14 种图形符号。GenCAM总共包括20 个信息节，详细描绘规划要求和制作细节。每一节表达一个功用或一项作业。每一节在逻辑上是独立的，都能够作为一个独自文件。GenCAM 的20 个信息节是:文件头( header ) 、订购信息( 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) 、器材( devices) 、机械信息(mechani2cals) 、元件(components) 、布线(routes) 、电源/ 地(power) 、测验点(testconnects) 、板信息(boards) 、制作拼装操控(panels) 、放置(flxtures) 、制作(drawings) 以及改动(changes) 等。
GenCAM答应且只答应上述20 个信息节在文件中呈现一次，经过组合的改动向制作工序供给不同的信息。GenCAM 保留了信息语义的层次和结构，每个制作设备只处理与其作业相关的信息节内容。
GenCAM 2. 0 曾经版别的文件契合巴科斯范式(BNF) 规矩。GenCAM 2. 0 版别选用了XML 文件格局规范和XML 计划，但IPC – 2511A 中底子的信息模型简直没有改动，新版别仅仅改写了信息的安排方法，而信息的内容未变。
现在，已有不少EDA 和PCB 的CAM 软件商支撑GenCAM作为数据交流格局。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 + +
敞开数据库(Open Data Base ，ODB + + ) 由以色列Valor 核算体系公司推出，它答应将面向制作的规划(DFM) 规矩体现在规划进程之中。ODB + + 选用可扩展的ASC Ⅱ格局，可在单个数据库中保存PCB 制作和安装一切必要的悉数工程数据。单个数据库包括图形、钻孔信息、布线、元件、网表、规范、绘图、工程处理界说、报表功用、ECO 和DFM成果等。规划师在进行DFM 规划时能够更新这些数据库，以便在安装之前发现潜在的布局布线问题。
ODB + + 是一种双向格局，答应数据的下传和上行。一旦规划数据以ASC Ⅱ方法传至PCB 板加工车间，加工者就可顺畅施行流程操作，如蚀刻补偿、面板成像、输出钻孔、布线和照持平。
ODB + + 选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、特定过孔衔接板层等更多的体系特点；②选用所见即所得(WYSIWYG) 的信息描绘方法以消除模糊不清的信息描绘；③一切方针的特点处于单特征级别上；④绝无仅有的板层和次第界说；⑤准确的器材封装和管脚建模；⑥支撑元器材清单(BOM) 数据的嵌入。
ODB + + 选用一种规范的文件结构，它将一个规划表明为一个文件途径树，规划文件夹下包括一系列相关规划信息的子文件夹。该途径树可在不同体系间移植而不丢掉数据。与单一大文件比较，在对文件进行读写操作时，该树结构答应规划中的某些数据被独自读写而无需读写整个大文件。ODB ++ 文件途径树的13 个层次分别为多层步( steps) 、多步矩阵(matrix) 、步内符号(symbols) 、层叠( stackups) 、作业界说表(work forms) 、作业流程(work flows) 、特点(attributes) 、孔径表(wheels) 、承受多输入(input) 、输出(output) 多种设备格局、用户自界说(user) 、第三方
扩展(extension) 及日志(log) 等。
一个一般的ODB + + 规划，在上述文件夹中最多可包括53 种规划文件，在ODB + + 库规划中还别的包括2 种文件。ODB + + 共支撑26 种规范图形符号。
因为PCB 规划的特殊性，数据库中有一些大文件不适于结构化的存储方法。为此，ODB + + 选用了行记载文本的文件方法，每一行均包括多个信息位，之间以空格分隔。文件中行的次序很重要，特定行能够要求后续行有必要恪守某种次序方法。每一行行首的字符又能够界说该行所描绘信息的类型。
Valor 于1997 年向大众发布ODB + +；2000 年推出支撑XML 规范的ODB + + (X) 1. 0 版别；2001年发布了ODB + + (X) 3. 1A 版别。ODB + + (X) 改写了ODB + + 的信息安排方法，意图是更便利规划与制作间的数据交流，而其信息模型并没有太大改动。一个ODB + + (X) 文件包括六大子元素，即内容(ODX-CONTENTS) 、物料清单(ODX-BOM) 、授权厂商(ODX-AVL) 、辅助规划(ODX-CAD) 、供给信息(ODX-LOGISTICS-HEADER) 及改动(ODX-HISTORYREC)等，以构成一个高档元素(ODX) 。
EDA 软件商，如Cadence ，Mentor ， PADS ，VeriBest和Zuken 等，现已开端支撑ODB + + / ODB + + (X) 。PCB 的CAM 软件商，如Mitron ，FABmaster ，Unicam 和Graphic 等也现已选用了ODB + + 技能。这些软件公司间组成了Valor 用户联盟，只要将EDA 数据交流中性文件进行处理，就能够构成设备驱动程序、检测程序等。
EIA EDIF400
电子规划交流格局( Electronic Design InterchangeFormat ，EDIF) 由EIA 拟定并发布。它实践是一种建模的言语描绘计划。EDIF 选用BNF 描绘方法， 是一种结构化的ASC Ⅱ文本文件。EDIF300 今后的版别均选用了EXPRESS3 信息建模言语。EDIF300描绘的信息分为层次信息、连通性信息、库信息、图形信息、可实例化方针信息、规划办理信息、模块行为信息、仿真信息以及注释信息等部分。
EIA 于1996 年发布了新版别EDIF400。除了EDIF300 所具有的支撑原理图( schematics) 和连通性(connectivity) 的才干外，EDIF400 新增了对印制电路板和多芯片模块(MCM) 的工艺安装的描绘手法。在PCB 规划与制作间呈现的许多问题，包括Gerber数据的校准、不一致的数据格局、过错的元器材库调用和供给电子数据的方法等，EDIF 400 都给出了比较好的处理计划。它把EDA 东西生成的单一实体(entities) 数据，变换成制作拼装进程所需的多种信息。包括Mentor 和Candence 在内的许多EDA 开发商都现已正式选用EDIF400。
其他PCB数据交流格局
除了上述Gerber ， GenCAM， ODB + + 以及EDIF400 外，还有一些在用的PCB 数据交流规范，它们是：①原始图形交流规范( Initial Graphics ExchangeSpecification ， GES) ———ANSI 规范，用于三维立体几何模型和工程描绘，包括技能描绘、工程图形、电子规划数据、制作规划数据和数控信息等；②产品模型数据交流规范(STEP) ———ISO 规范，其终究意图是替代一切现存的世界规划/ 制作数据交流规范；③硬件描绘言语(VHSIC Hardware Description Language ，VHDL) ———IEEE 规范，用于界说数字电路体系的功用和逻辑结构联系，也能够对PCB 进行行为和逻辑结构描绘；④DPF 和BARCO 格局———IPC – D – 351规范; ⑤EIA494 – CNC 格局———IPC – D – 352 规范；⑥IDF 2. 0 和IDF 3. 0 格局———IPC – D – 356 ，IPC – D- 355 规范；⑦INCASES 格局(SULTAN) ———IEC 1182- 10 规范。
PCB数据交流技能及规范化
当时，在EDA 软件、CAM 设备阅历巨大革新的一起，有专家称，在PCB 产品数据交流范畴的开展已滞后了20 多年，数据交流短缺规范化直接导致了规划/ 制作的本钱上升。
改动PCB数据交流方法的迫切性
现有的PCB 数据规范，例如IPC D350 ，遍及倾向于在两个特定方针(规划东西和规划东西、规划东西和制作使用) 之间做点对点的交流。图1 可形象化地阐明这种紊乱局势。其间， T 代表不同的东西，D 代表不同的PCB 数据结构， A 代表不同的使用，双线箭头表明点对点的PCB 数据交流。EDA 东西输出和制作使用之间多对多的映射联系，是乱象的本源。
图1 规划东西与制作使用之间点对点的交流
在EDA 东西T 的输出端和制作使用设备A 的输入端，假如用于交流的只要单一的PCB 数据格局规范D ，则将大大简化PCB 的信息交流(如图2) 。
图2 规划东西与制作使用之间抱负的单一PCB 数据转化
PCB数据格局的竞赛
在PCB 数据交流格局规范化的进程中，最剧烈的竞赛在GenCAM和ODB + + 之间打开。Valor 表明乐意把ODB + + 捐赠给IPC ，并提议该安排宣告ODB + + 为IPC/ ANSI 规范; 相反， IPC要求Valor 选用GenCAM作为数据规范，而将ODB ++ 作为本地数据库。但是，Valor 以为ODB + + 是最好的数据库，回绝选用GenCAM。IPC以为，假如将ODB + + 作为一个正式规范，那么格局的晋级将由Valor 操控，这对PCB 职业晦气;Valor 则以为，在推广一个数据格局时，作为公司行为，或许会比IPC 这样的职业安排更靠近用户而体现出优势。实质上，ODB + + 与GenCAM 二者的信息模型很类似。比较而言， GenCAM 在蚀刻和潮湿工艺方面不是太好，但在制作范畴却很有用。其主要优势在于它能较好地支撑电路内部测验、人工可读性强，以及具有世界规范化安排支撑与保护等。而ODB+ + 则没有包括满足的制作信息、原理图以及测验固定信息，并且文件较大。
现在大都EDA 和CAM 的软件商均一起支撑这两种格局。虽然存在剧烈竞赛，ODB + + 和GenCAM的开展仍然是密不可分的。Valor 是IPC 的一个长时间会员，ODB + + 和GenCAM 之间的这种竞赛将促进这两种格局日趋完善。
PCB数据交流技能的要害
以规划为源头的PCB 数据交流计划和规范化进程，有必要着力处理以下要害的技能问题，才干取得成功：①寻求完善的PCB 单一数据结构；②研发出EDA 东西的PCB 输出交流器；③研发出CAM 软件和制作设备的PCB 输入交流器，以便将规划数据顺畅变换成驱动设备操控数据； ④征得PCB 规划制作业各厂商的全方位认可。
PCB数据交流研讨和远景
近年来，在PCB 制作业影响最大的规划/ 制作数据交流研讨项目是电子规划/ 制作数据交流(Electronic CAD/ CAM Exchange ，ECCE) 和数据交流集合项目(Data Exchange Convergence Project ， DECP) ，其间，ECCE 项目现已完结，DECP 正在进行傍边。ECCE项目由IPC 和EIA 两大规范化安排联合推进: IPC 担任拟定格局和参数规范，EIA 担任树立 信息模型。研讨内容触及规划/ 制作互连( EDIF 400扩展使用) 和CAM 格局规范的筹建( IPC – 2510 系列) 。项目施行的终究成果是使IPC 发布了愈加完善的GenCAM数据交流规范。
DECP 项意图策划者是美国国家电子制作促进会(National Electronics Manufacturing Initiative ，NEMI) ，参加者有IPC 以及Valor 公司;其意图是促进PCB 规划/ 制作一致数据交流规范的构成。NEMI 竭力压服IPC 和Valor 完结协作，以Valor 公司的ODB + + (X)数据格局为原型，吸纳IPC GenCAM 的强势部分，然后发生一个待发布的整合规范IPC – 2581 ，并终究交由IPC 保护和办理。
现在， PCB 职业已有数十家EDA 和CAM 的软件商以及供给链各环节的安排都参加到DECP 中。假如在产业链各环节能够成功施行，将带来本钱和研发周期的巨大收益。完结这一方针，显然是任重而道远。参加者和业界对此持慎重的达观情绪。
结束语
跟着PCB 进入高频率、高密度阶段，促进规划 师有必要更多地折衷考虑测验与制作需求，吸纳制作安装方的参加和互动。这种互动的成果将频频地改动原始规划，然后防止或削减制作中的过错。规划师、测验工程师、制作工程师都需求取得完好的数据信息，才干够进行必要的双向交流。因而，有必要抛弃以EDA 东西输出为中心的传统交流结构，选用以数据为中心的新式方法。以数据为中心的PCB 数据交流方法，呼喊着能习惯各种EDA 软件和制作设备的数据格局规范的诞生。
PCB 规划/ 制作数据的交流是电子规划制作一体化信息集成的要害，因而，拟定新的PCB 数据交流格局规范现已刻不容缓。现在大大都研讨处于测验阶段，如DECP 数据交流项目仍在继续进行。能够预见，一套一致、完善的数据交流格局规范行将面世。因为国内对这一研讨活动的参加程度一向很低，推进并介入相应内容的研讨有着活跃的现实意义。
