CAD-CAM数据转换的新趋势分析

CAD-CAM数据转换的新趋势分析

摘　要　针对电子行业设计制造信息集成趋势，介绍当今电子行业CAD/CAM数据转换标准制定及相关数据转换格式开发的新动向，特别是EIA和IPC联合进行的ECCE项目工作情况，阐述了其对设计制造一体化信息集成的重要意义。
　　

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

　　当今电子制造业的飞速发展，新技术、新工艺、新器件、新材料层出不穷，SMT(表面安装技术)成为电子制造业的主流，从设计到制造自动化的要求更加强烈，发展产生并逐步应用了一些新的思想，如DFX(面向制造的设计DFM、面向装配的设计DFA、面向测试的设计DFT等)。CAD系统产生的一些文件可以直接用于电子产品制造，是电子行业实现CAD到CAM自动化的核心，起关键的桥梁作用，电子制造业掌握及应用好该类数据文件，是我们实现电子制造业设计制造自动化的关键之一。

1　简介

　　电子制造数据格式主要应用于PCB制作(Fabrication)、PCB组装(Assembly)、PCB测试(Test，包括光板及组装板)等方面，现代电子行业CAD已经相当普及并日趋完善，从功能较少的PC级如Protel、PADS、P-CAD，到拥有各类仿真工具集的工作站级如Synopsys、Cadence、Mentor软件，几乎都有生成布局、布线后的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版图绘制(光绘)，最终由PCB制作商完成PCB的制作。
　　Gerber格式也在向适应电子制造发展的方向改进，但对于日趋复杂的设计，一些与PCB制作和组装的相关信息在Gerber格式中无法表达或包含，例如PCB板料类型、介质厚度及工艺过程参数等，特别是Gerber文件交到PCB制作者后经检查光绘效果、设计规则冲突等问题，如有问题必须返回设计部门重新生成Gerber文件，再进行PCB的制作，这类工作将花费30 %～50 %的制作时间和精力。即所谓的单向数据传送(Transfer)，不能进行双向的数据转换(Exchange)，而能在PCB制作单位和CAD部门之间进行双向的、简单的、全面的数据转换格式的制定工作将是非常有意义的。

2　电子CAD/CAM数据交换(ECCE)

　　电子行业制造自动化是世界发展的趋势，电子产品设计复杂化，产品生命周期越来越短。将计算机、网络、先进的管理软件应用于电子制造，日益被各先进国家及厂商所重视，CAM文件格式的改进工作都有相应的进展并已经有所应用，国内未能进行相应研究。
　　现今世界电子行业公认的、影响较大的CAD-CAM 数据转换项目是ECCE，其具体内容可分为CAD和CAM两大类，即：EDIF 4.0.0(EDIF-The Electronic Design Interchange Format,电子设计交互格式)引用及IPC-2510(IPC-The Institute for Packaging and Interconnect,封装与互连协会)系列标准的制定。
　　ECCE项目开发组由两大标准化组织：EIA和IPC联合进行，IPC负责制定格式和参数标准，EIA负责建立信息模型，分别主要进行CAD-CAM互连(EDIF 4.0.0扩展应用)和CAM格式标准建立(IPC-2510系列)的工作。以下概括介绍一下，供同行们探讨。
2.1　EDIF 4.0.0扩展应用
2.1.1　目的及形式
　　EDIF 4.0.0现在已经成为EDA标准，许多EDA开发商如：Mentor、Candence等都已采用。在此，扩展应用EDIF 4.0.0标准主要是想解决或至少改进CAD在PCB制作和组装过程的一些主要问题，特别是能够实现从CAD工作站的单一实体(Entities)转换成CAM工作站信息的方法及技术。介于设计与制造环节的这些问题涉及：Gerber数据的校准、不一致的数据格式、错误的元器件库调用、提供电子数据的方式等，最终解决的是数据的正确性、一致性、完整性，这一目标是非常必要的，这是因为电子设计的复杂性必然导致出现PCB的多层、元器件的多种类型应用，而生产快速转换、紧急需求，进而产生迎合用户要求的制造控制机制分析、最大限度的集成等技术的产生。
　　EDIF 4.0.0由EIA(Electronic Industries Association,电子工业协会)发布，实际上是电子设计CAD建模的新方法，为一种语言描述形式。将此标准格式扩展应用于CAD输出格式，同时建立CAD/CAM的交互模式，便于设计者和制作者、组装者的沟通。
2.1.2　主要内容
　　所有ECCE项目中的活动模型(Activity Model)的设计方法都使用IDEF0(IDEF为ICAM Definition缩写，ICAM为Integrated Computer Aided Manufacturing)，在ECCE项目里就是指制作PCBs、组装PCAs(电路组件，含PCB、元器件等)及MCMs(Multi-Chip Modules,多芯片组件)，具体一点即是：
　　?．制作和测试PCB光板；
　　?．组装元器件到PCB光板上；
　　?．测试组装板。
　　因为面向制造的设计可分为多个活动，这些活动需要有相应的信息传送或反馈，利用EDIF 4.0.0建立IM(Information Model，信息模型)可以在CAD阶段完成以下信息的传送：
　　?．制作和测试光板的信息；
　　?．组装PCB光板的信息；
　　?．面向制造相关信息；
　　?．容易引起制造阶段问题的提示信息。
　　有关EDIF 4.0.0的详细内容笔者在此不进行解释，大家可以查阅相关资料。
　　相关数据(如PCA/MCM等)模型的处理由多种CAD进行了验证，EDIF 4.0.0能描述大致覆盖95 %的CAD-CAM转换信息的范畴。EDIF 4.0.0标准能够保证相关数据信息模型在不同CAD间进行传送并被验证和认可，经过一定的简化、约束处理，将能够作为CAM-IM开发的初始草本。
　　CAM-IM主要有以下的信息内容：
　　?．组装板；
　　?．版图子集；
　　?．电连接版图；
　　?．电连接版图层次目录；
　　?．设计层次目录；
　　?．设计管理；
　　?．几何图形描述；
　　?．文档；
　　?．图形；
　　?．制作PCB的几何图形描述；
　　?．材料；
　　?．封装(插装及贴装)；
　　?．元件、器件、部件；
　　?．技术信息；
　　?．逻辑关系(功能)描述；
　　?．管脚及模片(Die)描述；
　　?．布线；
　　?．测试；
　　?．拼版；
　　?．用户自定义信息。
　　此外还有其他一些信息未详细列出。
2.1.3　开发机构及组织介绍
　　由于EDIF 4.0.0属CAD-CAM互连开发小组的工作，其成员大多是世界上著名的EDA供应商及一些电子行业有影响力的协会等，主要由：EIA、IPC、曼彻斯特大学(University of Manchester)、Mentor Graphics、Solectron和Hadco Santa Clara等机构与组织组成。
2.2　IPC-2510系列标准
2.2.1　目标
　　IPC-2510系列标准基于GenCAD格式(Mitron推出)，并于1998年定稿。其最终是使电子EDA和PCB制作、组装、测试者之间建立一种灵活沟通方法，规定数据转换的标准格式，并推广应用于电子行业OEM(源设备制造商)、合同制造商等。该标准类型的文件包括了版型、焊盘、贴片、插装、版内信号线等信息，几乎所有外加工PCB的有关资料都可以从GenCAM(GenCAD的扩展和增加)参数中提取到。
2.2.2　主要内容
　　IPC-2510系列标准有许多单个的标准，互相依赖，现只以其中的IPC-2511也即GenCAM为主说明。
　　GenCAM文件包括20种类型内容：
　　?．文件头—每个文件的开头，包括名称、公司文件类型、数量、版本等；
　　?．板—PCB板的描述，如轮廊等；
　　?．焊盘图形—印脚(Land Pattern)几何图形，含焊膏、丝印、钻孔；
　　?．焊盘—包含CAD系统数据中的过孔及其焊盘信息；
　　?．形状—复杂的物理形状描述；
　　?．元件—用于区别元件的名称；
　　?．器件—元件描述信息，含器件号码；
　　?．信号—网表信息；
　　?．导线—导线信息，如宽度、厚度等；
　　?．层/结构—制板信息描述，包括层数、阻焊、厚度等；
　　?．布线—导线物理信息，含光绘信息；
　　?．机械—机械相关信息，如定位、孔、辅助项等；
　　?．测试点—测试点定位、名称、类型；
　　?．电源—地线、电源线信息描述；
　　?．别名—给用户以与其他文件格式进行转换使用；
　　?．更改—标识修改内容；
　　?．附属—不是与电路相关的特性几何信息，如标识、图形等；
　　?．电原理—相关设计电路原理信息，主要用于安排测试顺序；
　　?．版面—PCB制作版面(如拼版)、组装排列等相关信息；
　　?．ECO—电气检查及修改后的相关信息。
　　有关IPC-2511系列标准的信息详细内容在此不进行展开，IPC-2510系列标准刚刚颁布，其应用的实际意义是显而易见的。
2.2.3　开发机构及组织
　　IPC-2510系列标准开发小组主要由这几个厂商或组织组成：Mitron、GraphiCode、Valor、FABmaster和IGL。由于其源于GenCAD格式，所以也有许多EDA厂商也加入进来，如Mentor。

3　其他类型数据格式的发展

3.1　Gerber
　　事实上用于PCB制作的电子工业标准，现仍广泛应用。70年代Gerber出现，到1985年改进的Gerber RS-274D产生，再到1992年又产生了更先进的Gerber 274X，但不论该数据格式如何改进发展，其从输入、检查、加工过程仍非常复杂且周期长，不能适应现代的CAD/CAM自动化和快速进程的要求。
3.2 IPC-D-350系列
　　IPC从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，可以称为“智能型”格式标准，在一个文件就可以嵌入全部必要的信息，给PCB设计与制作者提供了较宽松的要求，技术上是先进的，但使用者抱怨其语言界面不很友好，因而未能吸引更多的用户来采用，但其中一个——IPC-D-356，即光板测试标准被PCB制作厂商所采纳。IPC-D-350系列标准没有组装板测试内容，因而该标准不能被所有电子行业所接纳。
3.3 ODB++(Open Data Base)——公开数据库
　　ODB++由Valor公司推出，其出现是现代计算机、数据库发展的结果，其思想最适应当今设计制造一体化的要求，真正可以达到将DFM规则嵌入设计过程。ODB++实质也是建模，结构及格式非常简单易用，提供了许多先进的开发模块，如图形界面、网表、钻孔及路径文件、图形注释、ECN/ECO设计等，且其描述与EDIF 4.0.0类似，某些用户自定义的属性也可以包含于其中。
　　ODB++是基于ASC II格式文档描述，其细节格式和结构的描述都已形成文本文件，且可以从某些地方(Internet)免费得到。CAD数据库非常复杂以至于，各家EDA都不提供其数据格式给外人，某些EDA开发商，如Mentor、Cadence、Zuken-Redac和PADS提供了相应的转换器软件(Translator)。如果能够知道CAD的数据格式，利用ODB++技术加以开发就可以在各类EDA环境中达到数据共享，实现一定程度上的集成。
　　CAM软件开发商如Mitron、FABmaster、Unicam、Graphic等已经使用了ODB++技术，CAD数据转换结果为中性文件，再将此中性文件进行内部处理，最终形成设备驱动程序、检测程序等。
3.4　企业内部数据交换格式
　　在上述各类标准未推广使用之前，许多先进的电子企业从系统集成角度出发也进行了相应的研究，如Philips公司1988年就推出了其自己的用于产品制造和产品测试的CAT/CAM转换格式标准—TA-CAT/CAM，主要用于产品设计开发和生产准备部门间的数据转换应用，其功能包括CAD产品模块、实体、板、电路、基准点、定位孔、元器件、印脚定义等。类似的工作其他大型先进企业也有相应的工作，在此不再叙述。
3.5 其他一些数据格式
　　除上述的情况外，还有一些数据格式标准正在运用或开发中，他们是：
　　?．IGES(Initial Graphics Exchange Specification)—美国国家标准局1979年推出，机械上用得较多，是三维立体几何模型和工程描述的可靠标准，其内容包括技术描述、工程图形、电子设计数据、制造设计数据、数控信息等，电子上的应用还需进一步开发。
　　?．STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data)—ISO(The International Standards Organization，国际标准化组织)1984年推出，属实体与关系(Relationship)建模工具集，使用EXPRESS语言，仍在进行开发和扩展，机械行业已有广泛应用。其最终目的是取代所有现存的国际CAD/CAM数据交换标准。
　　?．VHDL—VHSIC Hardware Description Language, 硬件描述语言，IEEE(The Institute of Electrical and Electronic Engineers，国际电气和电子工程师协会)标准，主要用于定义数字电路系统的功能和逻辑结构关系，是数字电路和数据通信设计、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等三种格式已不再被广大用户接受使用。

4　结束语

　　综上所述，电子行业CAD-CAM数据转换格式标准的开发工作仍在继续进行当中，大部分处于测试阶段，ECCE项目计划才刚刚开始进入角色，IPC-2510系列标准及CAD信息建模只是其项目的前两个步骤，CAM建模(STEP标准)尚未见相关报道，而CAM建模工作是完成ECCE项目最重要的一环，CAM信息模型将能与其他通常格式或标准信息相关联，如测试向量(test vector)、仿真模型等，最终将形成完善的一套CAD-CAM全线系列标准。
　　当今柔性制造系统(FMS-Flexible Manufacturing System)的发展逐渐走向设计制造集成应用，CAD-CAM数据转换是其信息集成的关键，开展相应的开发工作有着重要的意义。

作者简介：张文杰，男，1967年出生，长春光机学院毕业，工程师，现从事EDMI(设计制造一体化)项目开发工作。
作者单位：（张文杰）电科院电子电路柔性制造中心(北京　100041)

参考文献

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)