CAD-CAM數據轉換的新趨勢

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。

　　關鍵詞：FMS、CAD、CAM、CAT、DFx、標準

　　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。

　　一、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。

　　二、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。

　　三、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。

　　四、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。

　　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)