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PCB数据交换的关键技术分析

为了增补传统印刷电路板数据标准Gerber不能进行双向数据互换的缺陷,先容了新PCB数据标准的三个候选款式:IPC的GenCAM、Valor的ODB + +以及EIA的EDIF400 ;阐发了PCB设计/制造数据互换技巧的钻研进程;评论争论了实施PCB数据互换的关键技巧和标准化前景。指出必须将今朝PCB设计和制造的点对点互换模式转变成单一的抱负互换模式。

小序

20多年来,国内外电子设计/制造业正在发生一场由高级集成电路( Integrated Circuit,IC)芯片、高速印制电路板( Printed Circuit Board,PCB)和电子设计自动化( Electronic Design Automation,EDA)技巧激发的厘革。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,电子产品的设计周期占全部研制临盆周期的60%以上;而资源的80%~90%又是在芯片和PCB子系统设计环节抉择的。PCB设计/制造数据由电子设计师用EDA对象天生,包括PCB的光绘制版(fabricaTIon)、组装(assembly)和测试(test)等各个环节。PCB数据款式标准是规范PCB疆土设计的一种描述式说话,用来实现EDA对象或设计师之间的数据通报、道理图和疆土之间的数据互换以及设计与制造测试之间的无缝毗连等。

Gerber是事实上的PCB数据工业标准,仍在广泛利用。从1970年问世的Gerber原型到1992年的Gerber 274X,虽经赓续改善,但对付日趋繁杂的设计,一些与PCB加工和组装的相关信息在Ger2ber款式中仍无法表达或包孕,例如PCB板料类型、介质厚度及工艺历程参数等。尤其是Gerber文件交到PCB加工者今后,经由过程反省光绘效果,经常会发明设计规则冲突等问题,这时必须返回设计部门从新天生Gerber文件,再进行PCB的加工。这类返工消费了研制周期的30 %,其要害在于Gerber属于单向数据传送,不能进行双向数据互换。Gerber退出PCB款式的主流圈已成定势,然则由哪一个来取代Gerber成为PCB数据新一代的标准,今朝尚无定论。

国外正在积极酝酿策划新的PCB数据互换标准,三个公认候选款式是: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.之以是调兵遣将钻研标准,是由于近年情因为数据互换的欠妥,已经造成数百万美元的丧掉。据报道,每年有跨越3 %的印制板加工用度挥霍在处置惩罚和验证数据上。换言之,每年对全部电子行业造成的挥霍竟高达数十亿美元!除了直接的挥霍,因为数据不标准,设计方和制造方之间反复的交互也耗损了大年夜量的精力和光阴。对付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钻研开拓的一种PCB设计/制造数据互换标准底本,而IPC是美国国家标准局(ANSI)认可的PCB方面的标准化钻研机构。Gen-CAM的正式文件命名为IPC - 2511,包孕IPC - 2510系列的几个子标准( IPC - 2512~IPC - 2518)。IPC -2510系列标准基于GenCAD款式(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、板内旌旗灯号线等信息,险些所有PCB加工的信息都可以从GenCAM的参数中获取。

GenCAM的文件布局使设计师和制造工程师都能造访数据。在向制造方输出的数据中,还可以扩展数据,例如添加加工历程容许的容差、为面板制造给出多种信息等。GenCAM采纳ASCⅡ款式,支持14种图形符号。GenCAM一共包括20个信息节,具体描述设计请乞降制造细节。每一节表达一个功能或一项功课。麦斯艾姆(massembly)贴片常识讲堂,用普通的翰墨先容专业贴片常识。麦斯艾姆科技,全国首家PCB(麦斯艾姆常识讲堂)样板打板,元器件代采购,及贴片的一站式办事供给者!每一节在逻辑上是自力的,都可以作为一个零丁文件。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)、机器信息(mechani2cals)、元件(components)、布线(routes)、电源/地(power)、测试点(testconnects)、板信息(boards)、制造组装节制(panels)、放置(flxtures)、绘制(drawings)以及变化(changes)等。

GenCAM容许且只容许上述20个信息节在文件中呈现一次,经由过程组合的变更向制造工序供给不合的信息。GenCAM保留了信息语义的层次和布局,每个制造设备只处置惩罚与其功课相关的信息节内容。

GenCAM 2. 0曩昔版本的文件相符巴科斯范式(BNF)规则。GenCAM 2. 0版本采纳了XML文件款式标准和XML规划,但IPC - 2511A中根本的信息模型险些没有改变,新版本只是改写了信息的组织要领,而信息的内容未变。

今朝,已有不少EDA和PCB的CAM软件商支持GenCAM作为数据互换款式。这些EDA公司中有MentorCadence,Zuken,OrCADPADS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谋略系统公司推出,它容许将面向制造的设计(DFM)规则体现在设计历程之中。ODB + +采纳可扩展的ASCⅡ款式,可在单个数据库中保存PCB制造和装置所必须的整个工程数据。单个数据库包孕图形、钻孔信息、布线、元件、网表、规格、绘图、工程处置惩罚定义、报表功能、ECO和DFM结果等。设计师在进行DFM设计时可以更新这些数据库,以便在装置之前发明潜在的结构布线问题。

ODB + +是一种双向款式,容许数据的下传和上行。一旦设计数据以ASCⅡ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、布线和拍照等。

ODB + +采纳对照智能的显式布局,详细步伐有: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采纳所见即所得(WYSIWYG)的信息描述要领以打消隐隐不清的信息描述;③所有工具的属性处于单特性级别上;④环球无双的板层温柔序定义;⑤正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 + +采纳一种标准的文件布局,它将一个设计表示为一个文件路径树,设计文件夹下包孕一系列相关设计信息的子文件夹。该路径树可在不合系统间移植而不损掉数据。与单一大年夜文件比拟,在对文件进行读写操作时,该树布局容许设计中的某些数据被零丁读写而无需读写全部大年夜文件。ODB ++文件路径树的13个层次分手为多层步( steps)、多步矩阵(matrix)、步内符号(symbols)、层叠( stackups)、事情定义表(work forms)、事情流程(work flows)、属性(attributes)、孔径表(wheels)、吸收多输入(input)、输出(output)多种设备款式、用户自定义(user)、第三方扩展(extension)及日志(log)等。

一个通俗的ODB + +设计,在上述文件夹中最多可包孕53种设计文件,在ODB + +库设计中还别的包孕2种文件。ODB + +共支持26种标准图形符号。

因为PCB设计的特殊性,数据库中有一些大年夜文件不适于布局化的存储要领。为此,ODB + +采纳了行记录文本的文件要领,每一行均包括多个信息位,之间以空格分开。文件中行的顺序很紧张,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"民众,"宣布ODB + +;2000年推出支持XML标准的ODB + + (X) 1. 0版本;2001年宣布了ODB + + (X) 3. 1A版本。ODB + + (X)改写了ODB + +的信息组织要领,目的是更方便设计与制造间的数据互换,而其信息模型并没有太大年夜改变。一个ODB + + (X)文件包孕六大年夜子元素,即内容(ODX-CONTENTS)、物料清单(ODX-BOM)、授权厂商(ODX-AVL)、帮助设计(ODX-CAD)、供应信息(ODX-LOGISTICS-HEADER)及变化(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,已经开始支持ODB + + / ODB + + (X)。PCB的CAM软件商,如Mitron,FABmaster,Unicam和Graphic等也已经采用了ODB + +技巧。这些软件公司间组成了Valor用户同盟,只要将EDA数据互换中性文件进行处置惩罚,就可以形成设备驱动法度榜样、检测法度榜样等。

EIA EDIF400电子设计互换款式( Electronic Design InterchangeFormat,EDIF)由EIA拟订并宣布。它实际是一种建模的说话描述规划。EDIF采纳BNF描述要领,是一种布局化的ASCⅡ文本文件。EDIF300今后的版本均采纳了EXPRESS3信息建模说话。EDIF300描述的信息分为层次信息、连通性信息、库信息、图形信息、可实例化工具信息、设计治理信息、模块行径信息、仿真信息以及注释信息等部分。

EIA于1996年宣布了新版本EDIF400.除了EDIF300所具有的支持道理图( 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)的工艺装置的描述手段。在PCB设计与制造间呈现的许多问题,包括Gerber数据的校准、不同等的数据款式、差错的元器件库调用和供给电子数据的要领等,EDIF 400都给出了对照好的办理规划。它把EDA对象天生的单一实体(entities)数据,变换成制造组装历程所需的多种信息。包括Mentor和Candence在内的许多EDA开拓商都已经正式采纳EDIF400.其他PCB数据互换款式除了上述Gerber,GenCAM,ODB + +以及EDIF400外,还有一些在用的PCB数据互换标准,它们是:①原始图形互换规格( Initial Graphics ExchangeSpecification,GES)———ANSI标准,用于三维立体几何模型和工程描述,包括技巧描述、工程图形、电子设计数据、制造设计数据和数控信息等;②产品模型数据互换标准(STEP)———ISO标准,其终纵目的是取代所有现存的国际设计/制造数据互换标准;③硬件描述说话(VHSIC Hardware Description Language,VHDL)———IEEE标准,用于定义数字电路系统的功能和逻辑布局关系,也可以对PCB进行行径和逻辑布局描述;④DPF和BARCO款式———IPC - D - 351标准;⑤EIA494 - CNC款式———IPC - D - 352标准;⑥IDF 2. 0和IDF 3. 0款式———IPC - D - 356,IPC - D- 355标准;⑦INCASES款式(SULTAN)———IEC 1182- 10标准。

PCB数据互换技巧及标准化当前,在EDA软件、CAM设备经历伟大年夜厘革的同时,有专家称,在PCB产品数据互换领域的进展已滞后了20多年,数据互换欠缺标准化间接导致了设计/制造的资源上升。

改变PCB数据互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工具(设计对象和设计对象、设计对象和制造利用)之间做点对点的互换。图1可形象化地阐明这种纷乱场所场面。此中,T代表不合的对象,D代表不合的PCB数据布局,A代表不合的利用,双线箭头表示点对点的PCB数据互换。EDA对象输出和制造利用之间多对多的映射关系,是乱象的根源。

图1设计对象与制造利用之间点对点的互换在EDA对象T的输出端和制造利用设备A的输入端,假如用于互换的只有单一的PCB数据款式标准D,则将大年夜大年夜简化PCB的信息互换(如图2)。

图2设计对象与制造利用之间抱负的单一PCB数据转换PCB数据款式的竞争在PCB数据互换款式标准化的进程中,最猛烈的竞争在GenCAM和ODB + +之间展开。Valor表示乐意把ODB + +捐赠给IPC,并发起该组织发布ODB + +为IPC/ ANSI标准;相反,IPC要求Valor采纳GenCAM作为数据标准,而将ODB ++作为本地数据库。然而,Valor觉得ODB + +是最好的数据库,回绝采纳GenCAM.IPC觉得,假如将ODB + +作为一个正式标准,那么款式的进级将由Valor节制,这对PCB行业晦气;Valor则觉得,在执行一个数据款式时,作为公司行径,可能会比IPC这样的行业组织更切近用户而表现出上风。实质上,ODB + +与GenCAM二者的信息模型很相似。比拟而言,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。其主要上风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掩护等。而ODB+ +则没有包孕足够的制造信息、道理图以及测试固定信息,而且文件较大年夜。

今朝多半EDA和CAM的软件商均同时支持这两种款式。只管存在猛烈竞争,ODB + +和GenCAM的成长仍旧是密弗因素的。Valor是IPC的一个经久会员,ODB + +和GenCAM之间的这种竞争将匆匆使这两种款式日趋完善。

PCB数据互换技巧的关键以设计为泉源的PCB数据互换规划和标准化进程,必须出力办理以下关键的技巧问题,才能得到成功:①寻求完善的PCB单一数据布局;②研制出EDA对象的PCB输出互换器;③研制出CAM软件和制造设备的PCB输入互换器,以便将设计数据顺利变换成驱动设备节制数据;④征得PCB设计制造业各厂商的全方位认可。

PCB数据互换钻研和前景近年来,在PCB制造业影响最大年夜的设计/制造数据互换钻研项目是电子设计/制造数据互换(Electronic CAD/ CAM Exchange,ECCE)和数据互换汇合项目(Data Exchange Convergence Project,DECP),此中,ECCE项目已经完成,DECP正在进行傍边。ECCE项目由IPC和EIA两大年夜标准化组织联合推进: IPC认真拟订款式和参数标准,EIA认真建立信息模型。钻研内容涉及设计/制造互连( EDIF 400扩展利用)和CAM款式标准的筹建( IPC - 2510系列)。项目实施的最遣散果是使IPC宣布了加倍完善的GenCAM数据互换标准。

DECP项目的策划者是美国国家电子制造匆匆进会(National Electronics Manufacturing Initiative,NEMI),介入者有IPC以及Valor公司;其目的是匆匆进PCB设计/制造统一数据互换标准的形成。NEMI逝世力说服IPC和Valor实现相助,以Valor公司的ODB + + (X)数据款式为原型,吸纳IPC GenCAM的强势部分,从而孕育发生一个待公布的整合标准IPC - 2581,并终极交由IPC掩护和治理。

今朝,PCB行业已稀有十家EDA和CAM的软件商以及供应链各环节的组织都介入到DECP中。假如在财产链各环节能够成功实施,将带来资源和研制周期的伟大年夜收益。实现这一目标,显然是任重而道远。介入者和业界对此持审慎的乐不雅立场。

停止语

跟着PCB进入高频率、高密度阶段,匆匆使设计师必须更多地协调斟酌测试与制造需求,吸纳制造装置方的介入和互动。这种互动的结果将频繁地改变原始设计,从而避免或削减制造中的差错。设计师、测试工程师、制造工程师都必要得到完备的数据信息,才能够进行需要的双向交流。是以,必须放弃以EDA对象输出为中间的传统互换布局,采纳以数据为中间的新型模式。以数据为中间的PCB数据互换模式,招呼着能适应各类EDA软件和制造设备的数据款式标准的出生。

PCB设计/制造数据的互换是电子设计制造一体化信息集成的关键,是以,拟订新的PCB数据互换款式标准已经刻不容缓。今朝大年夜多半钻研处于测试阶段,如DECP数据互换项目仍在继承进行。可以预见,一套统一、完善的数据互换款式标准即将问世。因为海内对这一钻研活动的介入程度不停很低,推动并参与响应内容的研讨有着积极的现实意义。

滥觞:EEFOCUS

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