CAD-CAM數據轉換的新趨勢分析

摘　要　針對電子行業設計制造信息集成趨勢，介紹當今電子行業CAD/CAM數據轉換標準制定及相關數據轉換格式開發的新動向，特別是EIA和IPC聯合進行的ECCE項目工作情況，闡述了其對設計制造一體化信息集成的重要意義。
　　

The Development of CAD-CAM Data Transfer

　　Zhang Wenjie
Circuits Flex Manufacture Centre of China Academy of Electronics and Information Techmology

　　Abstract　The article aims at the new trend of the electronic design and manufacturing integration, introduces some standards of CAD-CAM data transfer, especialy the detail information of ECCE program, which developed by the ally of EIA and IPC.
　　Keywords　FMS　　CAD　　CAM　　CAT　　DFx　　Standard

　　當今電子制造業的飛速發展，新技術、新工藝、新器件、新材料層出不窮，SMT(表面安裝技術)成為電子制造業的主流，從設計到制造自動化的要求更加強烈，發展產生并逐步應用了一些新的思想，如DFX(面向制造的設計DFM、面向裝配的設計DFA、面向測試的設計DFT等)。CAD系統產生的一些文件可以直接用于電子產品制造，是電子行業實現CAD到CAM自動化的核心，起關鍵的橋梁作用，電子制造業掌握及應用好該類數據文件，是我們實現電子制造業設計制造自動化的關鍵之一。

1　簡介

　　電子制造數據格式主要應用于PCB制作(Fabrication)、PCB組裝(Assembly)、PCB測試(Test，包括光板及組裝板)等方面，現代電子行業CAD已經相當普及并日趨完善，從功能較少的PC級如Protel、PADS、P-CAD，到擁有各類仿真工具集的工作站級如Synopsys、Cadence、Mentor軟件，幾乎都有生成布局、布線后的PCB制作文件的能力，最典型的就是Gerber文件，其主要用途就是PCB版圖繪制(光繪)，最終由PCB制作商完成PCB的制作。
　　Gerber格式也在向適應電子制造發展的方向改進，但對于日趨復雜的設計，一些與PCB制作和組裝的相關信息在Gerber格式中無法表達或包含，例如PCB板料類型、介質厚度及工藝過程參數等，特別是Gerber文件交到PCB制作者后經檢查光繪效果、設計規則沖突等問題，如有問題必須返回設計部門重新生成Gerber文件，再進行PCB的制作，這類工作將花費30 %～50 %的制作時間和精力。即所謂的單向數據傳送(Transfer)，不能進行雙向的數據轉換(Exchange)，而能在PCB制作單位和CAD部門之間進行雙向的、簡單的、全面的數據轉換格式的制定工作將是非常有意義的。

2　電子CAD/CAM數據交換(ECCE)

　　電子行業制造自動化是世界發展的趨勢，電子產品設計復雜化，產品生命周期越來越短。將計算機、網絡、先進的管理軟件應用于電子制造，日益被各先進國家及廠商所重視，CAM文件格式的改進工作都有相應的進展并已經有所應用，國內未能進行相應研究。
　　現今世界電子行業公認的、影響較大的CAD-CAM 數據轉換項目是ECCE，其具體內容可分為CAD和CAM兩大類，即：EDIF 4.0.0(EDIF-The Electronic Design Interchange Format,電子設計交互格式)引用及IPC-2510(IPC-The Institute for Packaging and Interconnect,封裝與互連協會)系列標準的制定。
　　ECCE項目開發組由兩大標準化組織：EIA和IPC聯合進行，IPC負責制定格式和參數標準，EIA負責建立信息模型，分別主要進行CAD-CAM互連(EDIF 4.0.0擴展應用)和CAM格式標準建立(IPC-2510系列)的工作。以下概括介紹一下，供同行們探討。
2.1　EDIF 4.0.0擴展應用
2.1.1　目的及形式
　　EDIF 4.0.0現在已經成為EDA標準，許多EDA開發商如：Mentor、Candence等都已采用。在此，擴展應用EDIF 4.0.0標準主要是想解決或至少改進CAD在PCB制作和組裝過程的一些主要問題，特別是能夠實現從CAD工作站的單一實體(Entities)轉換成CAM工作站信息的方法及技術。介于設計與制造環節的這些問題涉及：Gerber數據的校準、不一致的數據格式、錯誤的元器件庫調用、提供電子數據的方式等，最終解決的是數據的正確性、一致性、完整性，這一目標是非常必要的，這是因為電子設計的復雜性必然導致出現PCB的多層、元器件的多種類型應用，而生產快速轉換、緊急需求，進而產生迎合用戶要求的制造控制機制分析、最大限度的集成等技術的產生。
　　EDIF 4.0.0由EIA(Electronic Industries Association,電子工業協會)發布，實際上是電子設計CAD建模的新方法，為一種語言描述形式。將此標準格式擴展應用于CAD輸出格式，同時建立CAD/CAM的交互模式，便于設計者和制作者、組裝者的溝通。
2.1.2　主要內容
　　所有ECCE項目中的活動模型(Activity Model)的設計方法都使用IDEF0(IDEF為ICAM Definition縮寫，ICAM為Integrated Computer Aided Manufacturing)，在ECCE項目里就是指制作PCBs、組裝PCAs(電路組件，含PCB、元器件等)及MCMs(Multi-Chip Modules,多芯片組件)，具體一點即是：
　　?．制作和測試PCB光板；
　　?．組裝元器件到PCB光板上；
　　?．測試組裝板。
　　因為面向制造的設計可分為多個活動，這些活動需要有相應的信息傳送或反饋，利用EDIF 4.0.0建立IM(Information Model，信息模型)可以在CAD階段完成以下信息的傳送：
　　?．制作和測試光板的信息；
　　?．組裝PCB光板的信息；
　　?．面向制造相關信息；
　　?．容易引起制造階段問題的提示信息。
　　有關EDIF 4.0.0的詳細內容筆者在此不進行解釋，大家可以查閱相關資料。
　　相關數據(如PCA/MCM等)模型的處理由多種CAD進行了驗證，EDIF 4.0.0能描述大致覆蓋95 %的CAD-CAM轉換信息的范疇。EDIF 4.0.0標準能夠保證相關數據信息模型在不同CAD間進行傳送并被驗證和認可，經過一定的簡化、約束處理，將能夠作為CAM-IM開發的初始草本。
　　CAM-IM主要有以下的信息內容：
　　?．組裝板；
　　?．版圖子集；
　　?．電連接版圖；
　　?．電連接版圖層次目錄；
　　?．設計層次目錄；
　　?．設計管理；
　　?．幾何圖形描述；
　　?．文檔；
　　?．圖形；
　　?．制作PCB的幾何圖形描述；
　　?．材料；
　　?．封裝(插裝及貼裝)；
　　?．元件、器件、部件；
　　?．技術信息；
　　?．邏輯關系(功能)描述；
　　?．管腳及模片(Die)描述；
　　?．布線；
　　?．測試；
　　?．拼版；
　　?．用戶自定義信息。
　　此外還有其他一些信息未詳細列出。
2.1.3　開發機構及組織介紹
　　由于EDIF 4.0.0屬CAD-CAM互連開發小組的工作，其成員大多是世界上著名的EDA供應商及一些電子行業有影響力的協會等，主要由：EIA、IPC、曼徹斯特大學(University of Manchester)、Mentor Graphics、Solectron和Hadco Santa Clara等機構與組織組成。
2.2　IPC-2510系列標準
2.2.1　目標
　　IPC-2510系列標準基于GenCAD格式(Mitron推出)，并于1998年定稿。其最終是使電子EDA和PCB制作、組裝、測試者之間建立一種靈活溝通方法，規定數據轉換的標準格式，并推廣應用于電子行業OEM(源設備制造商)、合同制造商等。該標準類型的文件包括了版型、焊盤、貼片、插裝、版內信號線等信息，幾乎所有外加工PCB的有關資料都可以從GenCAM(GenCAD的擴展和增加)參數中提取到。
2.2.2　主要內容
　　IPC-2510系列標準有許多單個的標準，互相依賴，現只以其中的IPC-2511也即GenCAM為主說明。
　　GenCAM文件包括20種類型內容：
　　?．文件頭—每個文件的開頭，包括名稱、公司文件類型、數量、版本等；
　　?．板—PCB板的描述，如輪廊等；
　　?．焊盤圖形—印腳(Land Pattern)幾何圖形，含焊膏、絲印、鉆孔；
　　?．焊盤—包含CAD系統數據中的過孔及其焊盤信息；
　　?．形狀—復雜的物理形狀描述；
　　?．元件—用于區別元件的名稱；
　　?．器件—元件描述信息，含器件號碼；
　　?．信號—網表信息；
　　?．導線—導線信息，如寬度、厚度等；
　　?．層/結構—制板信息描述，包括層數、阻焊、厚度等；
　　?．布線—導線物理信息，含光繪信息；
　　?．機械—機械相關信息，如定位、孔、輔助項等；
　　?．測試點—測試點定位、名稱、類型；
　　?．電源—地線、電源線信息描述；
　　?．別名—給用戶以與其他文件格式進行轉換使用；
　　?．更改—標識修改內容；
　　?．附屬—不是與電路相關的特性幾何信息，如標識、圖形等；
　　?．電原理—相關設計電路原理信息，主要用于安排測試順序；
　　?．版面—PCB制作版面(如拼版)、組裝排列等相關信息；
　　?．ECO—電氣檢查及修改后的相關信息。
　　有關IPC-2511系列標準的信息詳細內容在此不進行展開，IPC-2510系列標準剛剛頒布，其應用的實際意義是顯而易見的。
2.2.3　開發機構及組織
　　IPC-2510系列標準開發小組主要由這幾個廠商或組織組成：Mitron、GraphiCode、Valor、FABmaster和IGL。由于其源于GenCAD格式，所以也有許多EDA廠商也加入進來，如Mentor。

3　其他類型數據格式的發展

3.1　Gerber
　　事實上用于PCB制作的電子工業標準，現仍廣泛應用。70年代Gerber出現，到1985年改進的Gerber RS-274D產生，再到1992年又產生了更先進的Gerber 274X，但不論該數據格式如何改進發展，其從輸入、檢查、加工過程仍非常復雜且周期長，不能適應現代的CAD/CAM自動化和快速進程的要求。
3.2 IPC-D-350系列
　　IPC從70年代起就注意到了 Gerber格式的弊病，并致力改善，到90年代初推出了IPC-D-350系列，可以稱為“智能型”格式標準，在一個文件就可以嵌入全部必要的信息，給PCB設計與制作者提供了較寬松的要求，技術上是先進的，但使用者抱怨其語言界面不很友好，因而未能吸引更多的用戶來采用，但其中一個——IPC-D-356，即光板測試標準被PCB制作廠商所采納。IPC-D-350系列標準沒有組裝板測試內容，因而該標準不能被所有電子行業所接納。
3.3 ODB++(Open Data Base)——公開數據庫
　　ODB++由Valor公司推出，其出現是現代計算機、數據庫發展的結果，其思想最適應當今設計制造一體化的要求，真正可以達到將DFM規則嵌入設計過程。ODB++實質也是建模，結構及格式非常簡單易用，提供了許多先進的開發模塊，如圖形界面、網表、鉆孔及路徑文件、圖形注釋、ECN/ECO設計等，且其描述與EDIF 4.0.0類似，某些用戶自定義的屬性也可以包含于其中。
　　ODB++是基于ASC II格式文檔描述，其細節格式和結構的描述都已形成文本文件，且可以從某些地方(Internet)免費得到。CAD數據庫非常復雜以至于，各家EDA都不提供其數據格式給外人，某些EDA開發商，如Mentor、Cadence、Zuken-Redac和PADS提供了相應的轉換器軟件(Translator)。如果能夠知道CAD的數據格式，利用ODB++技術加以開發就可以在各類EDA環境中達到數據共享，實現一定程度上的集成。
　　CAM軟件開發商如Mitron、FABmaster、Unicam、Graphic等已經使用了ODB++技術，CAD數據轉換結果為中性文件，再將此中性文件進行內部處理，最終形成設備驅動程序、檢測程序等。
3.4　企業內部數據交換格式
　　在上述各類標準未推廣使用之前，許多先進的電子企業從系統集成角度出發也進行了相應的研究，如Philips公司1988年就推出了其自己的用于產品制造和產品測試的CAT/CAM轉換格式標準—TA-CAT/CAM，主要用于產品設計開發和生產準備部門間的數據轉換應用，其功能包括CAD產品模塊、實體、板、電路、基準點、定位孔、元器件、印腳定義等。類似的工作其他大型先進企業也有相應的工作，在此不再敘述。
3.5 其他一些數據格式
　　除上述的情況外，還有一些數據格式標準正在運用或開發中，他們是：
　　?．IGES(Initial Graphics Exchange Specification)—美國國家標準局1979年推出，機械上用得較多，是三維立體幾何模型和工程描述的可靠標準，其內容包括技術描述、工程圖形、電子設計數據、制造設計數據、數控信息等，電子上的應用還需進一步開發。
　　?．STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data)—ISO(The International Standards Organization，國際標準化組織)1984年推出，屬實體與關系(Relationship)建模工具集，使用EXPRESS語言，仍在進行開發和擴展，機械行業已有廣泛應用。其最終目的是取代所有現存的國際CAD/CAM數據交換標準。
　　?．VHDL—VHSIC Hardware Description Language, 硬件描述語言，IEEE(The Institute of Electrical and Electronic Engineers，國際電氣和電子工程師協會)標準，主要用于定義數字電路系統的功能和邏輯結構關系，是數字電路和數據通信設計、分析的有力工具。
　　?．DPF，BARCO格式—IPC-D-351；
　　?．EIA494-CNC格式—IPC-D-352；
　　?．IDF 2.0、IDF 3.0格式——IPC-D356、IPC-D-355；
　　?．INCASES格式(SULTAN)——IEC 1182-10。
　　另外如Postscript、HPGL、DXF等三種格式已不再被廣大用戶接受使用。

4　結束語

　　綜上所述，電子行業CAD-CAM數據轉換格式標準的開發工作仍在繼續進行當中，大部分處于測試階段，ECCE項目計劃才剛剛開始進入角色，IPC-2510系列標準及CAD信息建模只是其項目的前兩個步驟，CAM建模(STEP標準)尚未見相關報道，而CAM建模工作是完成ECCE項目最重要的一環，CAM信息模型將能與其他通常格式或標準信息相關聯，如測試向量(test vector)、仿真模型等，最終將形成完善的一套CAD-CAM全線系列標準。
　　當今柔性制造系統(FMS-Flexible Manufacturing System)的發展逐漸走向設計制造集成應用，CAD-CAM數據轉換是其信息集成的關鍵，開展相應的開發工作有著重要的意義。

作者簡介：張文杰，男，1967年出生，長春光機學院畢業，工程師，現從事EDMI(設計制造一體化)項目開發工作。
作者單位：（張文杰）電科院電子電路柔性制造中心(北京　100041)

參考文獻

1　Design-to-Production Transition.Surface Mount Technology,1993,(1)
2　Mitron CIMBridge′97
3　Valor公司 Enterprise/Genesis ODB++ Softwere Version 4.1
4　Damian Kieran,David Reed.Practical approaches to DFM.Circuit Assembly,1998,(8)