摘　要：為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)印刷電路板數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)Gerber 不能進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交換的缺陷，介紹了新PCB數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的三個(gè)候選格式：IPC 的GenCAM、Valor 的ODB + + 以及EIA 的EDIF400 ;分析了PCB設(shè)計(jì)/制造數(shù)據(jù)交換技術(shù)的研究進(jìn)程；討論了實(shí)施PCB數(shù)據(jù)交換的關(guān)鍵技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化前景。指出必須將目前PCB設(shè)計(jì)和制造的點(diǎn)對點(diǎn)交換模式改變成單一的理想交換模式。

引言

20 多年來，國內(nèi)外電子設(shè)計(jì)/制造業(yè)正在發(fā)生一場由高檔集成電路( Integrated Circuit ， IC) 芯片、高速印制電路板( Printed Circuit Board ， PCB) 和電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化( Electronic Design Automation ， EDA) 技術(shù)引發(fā)的變革。在電子制造業(yè)，PCB作為電子產(chǎn)品的子系統(tǒng)，扮演著核心模塊單元的角色。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期占整個(gè)研制生產(chǎn)周期的60%以上;而成本的80%～90%又是在芯片和PCB子系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)決定的。PCB設(shè)計(jì)/制造數(shù)據(jù)由電子設(shè)計(jì)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(gè)環(huán)節(jié)。PCB數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)是規(guī)范PCB版圖設(shè)計(jì)的一種描述式語言，用來實(shí)現(xiàn)EDA工具或設(shè)計(jì)師之間的數(shù)據(jù)傳遞、原理圖和版圖之間的數(shù)據(jù)交換以及設(shè)計(jì)與制造測試之間的無縫銜接等。

Gerber是事實(shí)上的PCB數(shù)據(jù)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，仍在廣泛應(yīng)用。從1970 年問世的Gerber 原型到1992年的Gerber 274X ，雖經(jīng)不斷改良，但對于日趨復(fù)雜的設(shè)計(jì)，一些與PCB加工和組裝的相關(guān)信息在Ger2ber 格式中仍無法表達(dá)或包含，例如PCB板料類型、介質(zhì)厚度及工藝過程參數(shù)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(huì)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)則沖突等問題，這時(shí)必須返回設(shè)計(jì)部門重新生成Gerber 文件，再進(jìn)行PCB的加工。這類返工耗費(fèi)了研制周期的30 % ，其癥結(jié)在于Gerber 屬于單向數(shù)據(jù)傳送，不能進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交換。Gerber 退出PCB格式的主流圈已成定勢，但是由哪一個(gè)來取代Gerber 成為PCB數(shù)據(jù)新一代的標(biāo)準(zhǔn)，目前尚無定論。

國外正在積極醞釀策劃新的PCB數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，三個(gè)公認(rèn)候選格式是:美國封裝互連協(xié)會(huì)( Institute for Packaging and Interconnect ，IPC)的GenCAM(generic computer aided manufacturing) 、Val2or 的ODB + + 和美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)(Electronic Indus2tries Association ， EIA) 的EDIF400。之所以興師動(dòng)眾研究標(biāo)準(zhǔn)，是因?yàn)榻陙碛捎跀?shù)據(jù)交換的不當(dāng)，已經(jīng)造成數(shù)百萬美元的損失。據(jù)報(bào)道，每年有超過3 %的印制板加工費(fèi)用浪費(fèi)在處理和驗(yàn)證數(shù)據(jù)上。換言之，每年對整個(gè)電子行業(yè)造成的浪費(fèi)竟高達(dá)數(shù)十億美元! 除了直接的浪費(fèi)，由于數(shù)據(jù)不標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)方和制造方之間反復(fù)的交互也消耗了大量的精力和時(shí)間。對于低利潤率的電子制造業(yè)，這又是一筆無形的開銷。

IPC GenCAM

GenCAM是IPC研究開發(fā)的一種PCB設(shè)計(jì)/制造數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)本，而IPC 是美國國家標(biāo)準(zhǔn)局(ANSI) 認(rèn)可的PCB方面的標(biāo)準(zhǔn)化研究機(jī)構(gòu)。Gen-CAM的正式文件命名為IPC - 2511 ，包含IPC - 2510系列的幾個(gè)子標(biāo)準(zhǔn)( IPC - 2512～I(xiàn)PC - 2518) 。IPC -2510 系列標(biāo)準(zhǔn)基于GenCAD 格式(由Mitron 公司推出) ，各子標(biāo)準(zhǔn)間呈互為依存關(guān)系。該標(biāo)準(zhǔn)的文件包括了板型、焊盤、貼片、插裝、板內(nèi)信號(hào)線等信息，幾乎所有PCB加工的信息都可以從GenCAM的參數(shù)中獲取。

GenCAM的文件結(jié)構(gòu)使設(shè)計(jì)師和制造工程師都能訪問數(shù)據(jù)。在向制造方輸出的數(shù)據(jù)中，還可以擴(kuò)展數(shù)據(jù)，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(hào)。GenCAM一共包括20 個(gè)信息節(jié)，詳細(xì)描述設(shè)計(jì)要求和制造細(xì)節(jié)。每一節(jié)表達(dá)一個(gè)功能或一項(xiàng)作業(yè)。每一節(jié)在邏輯上是獨(dú)立的，都可以作為一個(gè)單獨(dú)文件。GenCAM 的20 個(gè)信息節(jié)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(jī)械信息(mechani2cals) 、元件(components) 、布線(routes) 、電源/地(power) 、測試點(diǎn)(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(gè)信息節(jié)在文件中出現(xiàn)一次，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(jié)構(gòu)，每個(gè)制造設(shè)備只處理與其作業(yè)相關(guān)的信息節(jié)內(nèi)容。

GenCAM 2. 0 以前版本的文件符合巴科斯范式(BNF) 規(guī)則。GenCAM 2. 0 版本采用了XML 文件格式標(biāo)準(zhǔn)和XML 方案，但I(xiàn)PC - 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(nèi)容未變。

目前，已有不少EDA 和PCB的CAM 軟件商支持GenCAM作為數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫(Open Data Base ，ODB + + ) 由以色列Valor 計(jì)算系統(tǒng)公司推出，它允許將面向制造的設(shè)計(jì)(DFM) 規(guī)則體現(xiàn)在設(shè)計(jì)過程之中。ODB + + 采用可擴(kuò)展的ASC Ⅱ格式，可在單個(gè)數(shù)據(jù)庫中保存PCB制造和裝配所必須的全部工程數(shù)據(jù)。單個(gè)數(shù)據(jù)庫包含圖形、鉆孔信息、布線、元件、網(wǎng)表、規(guī)格、繪圖、工程處理定義、報(bào)表功能、ECO 和DFM結(jié)果等。設(shè)計(jì)師在進(jìn)行DFM 設(shè)計(jì)時(shí)可以更新這些數(shù)據(jù)庫，以便在裝配之前發(fā)現(xiàn)潛在的布局布線問題。

ODB + + 是一種雙向格式，允許數(shù)據(jù)的下傳和上行。一旦設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)以ASC Ⅱ形式傳至PCB板加工車間，加工者就可順利實(shí)施流程操作，如蝕刻補(bǔ)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(jié)構(gòu)，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(tǒng)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(jí)別上；④獨(dú)一無二的板層和次序定義；⑤精確的器件封裝和管腳建模；⑥支持元器件清單(BOM) 數(shù)據(jù)的嵌入。

ODB + + 采用一種標(biāo)準(zhǔn)的文件結(jié)構(gòu)，它將一個(gè)設(shè)計(jì)表示為一個(gè)文件路徑樹，設(shè)計(jì)文件夾下包含一系列相關(guān)設(shè)計(jì)信息的子文件夾。該路徑樹可在不同系統(tǒng)間移植而不丟失數(shù)據(jù)。與單一大文件相比，在對文件進(jìn)行讀寫操作時(shí)，該樹結(jié)構(gòu)允許設(shè)計(jì)中的某些數(shù)據(jù)被單獨(dú)讀寫而無需讀寫整個(gè)大文件。ODB ++ 文件路徑樹的13 個(gè)層次分別為多層步( steps) 、多步矩陣(matrix) 、步內(nèi)符號(hào)(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(shè)備格式、用戶自定義(user) 、第三方擴(kuò)展(extension) 及日志(log) 等。

一個(gè)普通的ODB + + 設(shè)計(jì)，在上述文件夾中最多可包含53 種設(shè)計(jì)文件，在ODB + + 庫設(shè)計(jì)中還另外包含2 種文件。ODB + + 共支持26 種標(biāo)準(zhǔn)圖形符號(hào)。

由于PCB設(shè)計(jì)的特殊性，數(shù)據(jù)庫中有一些大文件不適于結(jié)構(gòu)化的存儲(chǔ)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(gè)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(xù)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(fā)布ODB + +；2000 年推出支持XML 標(biāo)準(zhǔn)的ODB + + (X) 1. 0 版本；2001年發(fā)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(shè)計(jì)與制造間的數(shù)據(jù)交換，而其信息模型并沒有太大改變。一個(gè)ODB + + (X) 文件包含六大子元素，即內(nèi)容(ODX-CONTENTS) 、物料清單(ODX-BOM) 、授權(quán)廠商(ODX-AVL) 、輔助設(shè)計(jì)(ODX-CAD) 、供應(yīng)信息(ODX-LOGISTICS-HEADER) 及變更(ODX-HISTORYREC)等，以構(gòu)成一個(gè)高級(jí)元素(ODX) 。

EDA 軟件商，如Cadence ，Mentor ， PADS ，VeriBest和Zuken 等，已經(jīng)開始支持ODB + + /ODB + + (X) 。PCB的CAM 軟件商，如Mitron ，F(xiàn)ABmaster ，Unicam 和Graphic 等也已經(jīng)采納了ODB + + 技術(shù)。這些軟件公司間組成了Valor 用戶聯(lián)盟，只要將EDA 數(shù)據(jù)交換中性文件進(jìn)行處理，就可以形成設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、檢測程序等。

EIA EDIF400

電子設(shè)計(jì)交換格式( Electronic Design InterchangeFormat ，EDIF) 由EIA 制定并發(fā)布。它實(shí)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(jié)構(gòu)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(shí)例化對象信息、設(shè)計(jì)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(fā)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(shè)計(jì)與制造間出現(xiàn)的許多問題，包括Gerber數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)、不一致的數(shù)據(jù)格式、錯(cuò)誤的元器件庫調(diào)用和提供電子數(shù)據(jù)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(shí)體(entities) 數(shù)據(jù)，變換成制造組裝過程所需的多種信息。包括Mentor 和Candence 在內(nèi)的許多EDA 開發(fā)商都已經(jīng)正式采用EDIF400。

其他PCB數(shù)據(jù)交換格式

除了上述Gerber ， GenCAM， ODB + + 以及EDIF400 外，還有一些在用的PCB數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，它們是：①原始圖形交換規(guī)格( Initial Graphics ExchangeSpecification ， GES) ———ANSI 標(biāo)準(zhǔn)，用于三維立體幾何模型和工程描述，包括技術(shù)描述、工程圖形、電子設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、制造設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和數(shù)控信息等；②產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)(STEP) ———ISO 標(biāo)準(zhǔn)，其最終目的是取代所有現(xiàn)存的國際設(shè)計(jì)/制造數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)；③硬件描述語言(VHSIC Hardware Description Language ，VHDL) ———IEEE 標(biāo)準(zhǔn)，用于定義數(shù)字電路系統(tǒng)的功能和邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系，也可以對PCB進(jìn)行行為和邏輯結(jié)構(gòu)描述；④DPF 和BARCO 格式———IPC - D - 351標(biāo)準(zhǔn); ⑤EIA494 - CNC 格式———IPC - D - 352 標(biāo)準(zhǔn)；⑥IDF 2. 0 和IDF 3. 0 格式———IPC - D - 356 ，IPC - D- 355 標(biāo)準(zhǔn)；⑦INCASES 格式(SULTAN) ———IEC 1182- 10 標(biāo)準(zhǔn)。

PCB數(shù)據(jù)交換技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化

當(dāng)前，在EDA 軟件、CAM 設(shè)備經(jīng)歷巨大變革的同時(shí)，有專家稱，在PCB產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換領(lǐng)域的進(jìn)展已滯后了20 多年，數(shù)據(jù)交換欠缺標(biāo)準(zhǔn)化間接導(dǎo)致了設(shè)計(jì)/制造的成本上升。

改變PCB數(shù)據(jù)交換模式的迫切性

現(xiàn)有的PCB數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，例如IPC D350 ，普遍傾向于在兩個(gè)特定對象(設(shè)計(jì)工具和設(shè)計(jì)工具、設(shè)計(jì)工具和制造應(yīng)用) 之間做點(diǎn)對點(diǎn)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)， A 代表不同的應(yīng)用，雙線箭頭表示點(diǎn)對點(diǎn)的PCB數(shù)據(jù)交換。EDA 工具輸出和制造應(yīng)用之間多對多的映射關(guān)系，是亂象的根源。

在EDA 工具T 的輸出端和制造應(yīng)用設(shè)備A 的輸入端，如果用于交換的只有單一的PCB數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)D ，則將大大簡化PCB的信息交換。

PCB數(shù)據(jù)格式的競爭

在PCB數(shù)據(jù)交換格式標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程中，最激烈的競爭在GenCAM和ODB + + 之間展開。Valor 表示愿意把ODB + + 捐贈(zèng)給IPC ，并提議該組織宣布ODB + + 為IPC/ANSI 標(biāo)準(zhǔn); 相反， IPC要求Valor 采用GenCAM作為數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，而將ODB ++ 作為本地?cái)?shù)據(jù)庫。然而，Valor 認(rèn)為ODB + + 是最好的數(shù)據(jù)庫，拒絕采用GenCAM。IPC認(rèn)為，如果將ODB + + 作為一個(gè)正式標(biāo)準(zhǔn)，那么格式的升級(jí)將由Valor 控制，這對PCB行業(yè)不利;Valor 則認(rèn)為，在推行一個(gè)數(shù)據(jù)格式時(shí)，作為公司行為，可能會(huì)比IPC 這樣的行業(yè)組織更貼近用戶而體現(xiàn)出優(yōu)勢。實(shí)質(zhì)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(lǐng)域卻很實(shí)用。其主要優(yōu)勢在于它能較好地支持電路內(nèi)部測試、人工可讀性強(qiáng)，以及擁有國際標(biāo)準(zhǔn)化組織支持與維護(hù)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(shù)EDA 和CAM 的軟件商均同時(shí)支持這兩種格式。盡管存在激烈競爭，ODB + + 和GenCAM的發(fā)展仍然是密不可分的。Valor 是IPC 的一個(gè)長期會(huì)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(shù)據(jù)交換技術(shù)的關(guān)鍵

以設(shè)計(jì)為源頭的PCB數(shù)據(jù)交換方案和標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，必須著力解決以下關(guān)鍵的技術(shù)問題，才能獲得成功：①尋求完善的PCB單一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；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(shè)備的PCB輸入交換器，以便將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)順利變換成驅(qū)動(dòng)設(shè)備控制數(shù)據(jù)； ④征得PCB設(shè)計(jì)制造業(yè)各廠商的全方位認(rèn)可。

PCB數(shù)據(jù)交換研究和前景

近年來，在PCB制造業(yè)影響最大的設(shè)計(jì)/制造數(shù)據(jù)交換研究項(xiàng)目是電子設(shè)計(jì)/制造數(shù)據(jù)交換(Electronic CAD/CAM Exchange ，ECCE) 和數(shù)據(jù)交換匯合項(xiàng)目(Data Exchange Convergence Project ， DECP) ，其中，ECCE 項(xiàng)目已經(jīng)完成，DECP 正在進(jìn)行當(dāng)中。ECCE項(xiàng)目由IPC 和EIA 兩大標(biāo)準(zhǔn)化組織聯(lián)合推進(jìn): IPC 負(fù)責(zé)制定格式和參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，EIA 負(fù)責(zé)建立　信息模型。研究內(nèi)容涉及設(shè)計(jì)/制造互連( EDIF 400擴(kuò)展應(yīng)用) 和CAM 格式標(biāo)準(zhǔn)的籌建( IPC - 2510 系列) 。項(xiàng)目實(shí)施的最終結(jié)果是使IPC 發(fā)布了更加完善的GenCAM數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。

DECP 項(xiàng)目的策劃者是美國國家電子制造促進(jìn)會(huì)(National Electronics Manufacturing Initiative ，NEMI) ，參與者有IPC 以及Valor 公司;其目的是促進(jìn)PCB設(shè)計(jì)/制造統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)的形成。NEMI 極力說服IPC 和Valor 實(shí)現(xiàn)合作，以Valor 公司的ODB + + (X)數(shù)據(jù)格式為原型，吸納IPC GenCAM 的強(qiáng)勢部分，從而產(chǎn)生一個(gè)待公布的整合標(biāo)準(zhǔn)IPC - 2581 ，并最終交由IPC 維護(hù)和管理。

目前， PCB行業(yè)已有數(shù)十家EDA 和CAM 的軟件商以及供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)的組織都參與到DECP 中。如果在產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)能夠成功實(shí)施，將帶來成本和研制周期的巨大收益。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，顯然是任重而道遠(yuǎn)。參與者和業(yè)界對此持謹(jǐn)慎的樂觀態(tài)度。

結(jié)束語

隨著PCB進(jìn)入高頻率、高密度階段，促使設(shè)計(jì)　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(dòng)。這種互動(dòng)的結(jié)果將頻繁地改變原始設(shè)計(jì)，從而避免或減少制造中的錯(cuò)誤。設(shè)計(jì)師、測試工程師、制造工程師都需要獲得完整的數(shù)據(jù)信息，才能夠進(jìn)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(tǒng)交換結(jié)構(gòu)，采用以數(shù)據(jù)為中心的新型模式。以數(shù)據(jù)為中心的PCB數(shù)據(jù)交換模式，呼喚著能適應(yīng)各種EDA 軟件和制造設(shè)備的數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)的誕生。

PCB設(shè)計(jì)/制造數(shù)據(jù)的交換是電子設(shè)計(jì)制造一體化信息集成的關(guān)鍵，因此，制定新的PCB數(shù)據(jù)交換格式標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)刻不容緩。目前大多數(shù)研究處于測試階段，如DECP 數(shù)據(jù)交換項(xiàng)目仍在繼續(xù)進(jìn)行。可以預(yù)見，一套統(tǒng)一、完善的數(shù)據(jù)交換格式標(biāo)準(zhǔn)即將問世。由于國內(nèi)對這一研究活動(dòng)的參與程度一直很低，推動(dòng)并介入相應(yīng)內(nèi)容的研討有著積極的現(xiàn)實(shí)意義。