CAD-CAM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的新趨勢(shì)

摘　要：針對(duì)電子行業(yè)設(shè)計(jì)制造信息集成趨勢(shì)，介紹當(dāng)今電子行業(yè)CAD/CAM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)制定及相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式開(kāi)發(fā)的新動(dòng)向，特別是EIA和IPC聯(lián)合進(jìn)行的ECCE項(xiàng)目工作情況，闡述了其對(duì)設(shè)計(jì)制造一體化信息集成的重要意義。

　　關(guān)鍵詞：FMS、CAD、CAM、CAT、DFx、標(biāo)準(zhǔn)

　　當(dāng)今電子制造業(yè)的飛速發(fā)展，新技術(shù)、新工藝、新器件、新材料層出不窮，SMT(表面安裝技術(shù))成為電子制造業(yè)的主流，從設(shè)計(jì)到制造自動(dòng)化的要求更加強(qiáng)烈，發(fā)展產(chǎn)生并逐步應(yīng)用了一些新的思想，如DFX(面向制造的設(shè)計(jì)DFM、面向裝配的設(shè)計(jì)DFA、面向測(cè)試的設(shè)計(jì)DFT等)。CAD系統(tǒng)產(chǎn)生的一些文件可以直接用于電子產(chǎn)品制造，是電子行業(yè)實(shí)現(xiàn)CAD到CAM自動(dòng)化的核心，起關(guān)鍵的橋梁作用，電子制造業(yè)掌握及應(yīng)用好該類數(shù)據(jù)文件，是我們實(shí)現(xiàn)電子制造業(yè)設(shè)計(jì)制造自動(dòng)化的關(guān)鍵之一。

　　一、簡(jiǎn)介

　　電子制造數(shù)據(jù)格式主要應(yīng)用于PCB制作(Fabrication)、PCB組裝(Assembly)、PCB測(cè)試(Test，包括光板及組裝板)等方面，現(xiàn)代電子行業(yè)CAD已經(jīng)相當(dāng)普及并日趨完善，從功能較少的PC級(jí)如Protel、PADS、P-CAD，到擁有各類仿真工具集的工作站級(jí)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(yīng)電子制造發(fā)展的方向改進(jìn)，但對(duì)于日趨復(fù)雜的設(shè)計(jì)，一些與PCB制作和組裝的相關(guān)信息在Gerber格式中無(wú)法表達(dá)或包含，例如PCB板料類型、介質(zhì)厚度及工藝過(guò)程參數(shù)等，特別是Gerber文件交到PCB制作者后經(jīng)檢查光繪效果、設(shè)計(jì)規(guī)則沖突等問(wèn)題，如有問(wèn)題必須返回設(shè)計(jì)部門(mén)重新生成Gerber文件，再進(jìn)行PCB的制作，這類工作將花費(fèi)30 %～50 %的制作時(shí)間和精力。即所謂的單向數(shù)據(jù)傳送(Transfer)，不能進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換(Exchange)，而能在PCB制作單位和CAD部門(mén)之間進(jìn)行雙向的、簡(jiǎn)單的、全面的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式的制定工作將是非常有意義的。

　　二、電子CAD/CAM數(shù)據(jù)交換(ECCE)

　　電子行業(yè)制造自動(dòng)化是世界發(fā)展的趨勢(shì)，電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)復(fù)雜化，產(chǎn)品生命周期越來(lái)越短。將計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、先進(jìn)的管理軟件應(yīng)用于電子制造，日益被各先進(jìn)國(guó)家及廠商所重視，CAM文件格式的改進(jìn)工作都有相應(yīng)的進(jìn)展并已經(jīng)有所應(yīng)用，國(guó)內(nèi)未能進(jìn)行相應(yīng)研究。

　　現(xiàn)今世界電子行業(yè)公認(rèn)的、影響較大的CAD-CAM 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換項(xiàng)目是ECCE，其具體內(nèi)容可分為CAD和CAM兩大類，即：EDIF 4.0.0(EDIF-The Electronic Design Interchange Format,電子設(shè)計(jì)交互格式)引用及IPC-2510(IPC-The Institute for Packaging and Interconnect,封裝與互連協(xié)會(huì))系列標(biāo)準(zhǔn)的制定。

　　ECCE項(xiàng)目開(kāi)發(fā)組由兩大標(biāo)準(zhǔn)化組織：EIA和IPC聯(lián)合進(jìn)行，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，分別主要進(jìn)行CAD-CAM互連(EDIF 4.0.0擴(kuò)展應(yīng)用)和CAM格式標(biāo)準(zhǔn)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(kuò)展應(yīng)用

　　2.1.1　目的及形式

　　EDIF 4.0.0現(xiàn)在已經(jīng)成為EDA標(biāo)準(zhǔn)，許多EDA開(kāi)發(fā)商如：Mentor、Candence等都已采用。在此，擴(kuò)展應(yīng)用EDIF 4.0.0標(biāo)準(zhǔn)主要是想解決或至少改進(jìn)CAD在PCB制作和組裝過(guò)程的一些主要問(wèn)題，特別是能夠?qū)崿F(xiàn)從CAD工作站的單一實(shí)體(Entities)轉(zhuǎn)換成CAM工作站信息的方法及技術(shù)。介于設(shè)計(jì)與制造環(huán)節(jié)的這些問(wèn)題涉及：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(kù)調(diào)用、提供電子數(shù)據(jù)的方式等，最終解決的是數(shù)據(jù)的正確性、一致性、完整性，這一目標(biāo)是非常必要的，這是因?yàn)殡娮釉O(shè)計(jì)的復(fù)雜性必然導(dǎo)致出現(xiàn)PCB的多層、元器件的多種類型應(yīng)用，而生產(chǎn)快速轉(zhuǎn)換、緊急需求，進(jìn)而產(chǎn)生迎合用戶要求的制造控制機(jī)制分析、最大限度的集成等技術(shù)的產(chǎn)生。

　　EDIF 4.0.0由EIA(Electronic Industries Association,電子工業(yè)協(xié)會(huì))發(fā)布，實(shí)際上是電子設(shè)計(jì)CAD建模的新方法，為一種語(yǔ)言描述形式。將此標(biāo)準(zhǔn)格式擴(kuò)展應(yīng)用于CAD輸出格式，同時(shí)建立CAD/CAM的交互模式，便于設(shè)計(jì)者和制作者、組裝者的溝通。

　　2.1.2　主要內(nèi)容

　　所有ECCE項(xiàng)目中的活動(dòng)模型(Activity Model)的設(shè)計(jì)方法都使用IDEF0(IDEF為ICAM Definition縮寫(xiě)，ICAM為Integrated Computer Aided Manufacturing)，在ECCE項(xiàng)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(diǎn)即是：

　　．制作和測(cè)試PCB光板；
　　．組裝元器件到PCB光板上；
　　．測(cè)試組裝板。

　　因?yàn)槊嫦蛑圃斓脑O(shè)計(jì)可分為多個(gè)活動(dòng)，這些活動(dòng)需要有相應(yīng)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(cè)試光板的信息；
　　．組裝PCB光板的信息；
　　．面向制造相關(guān)信息；
　　．容易引起制造階段問(wèn)題的提示信息。

　　有關(guān)EDIF 4.0.0的詳細(xì)內(nèi)容筆者在此不進(jìn)行解釋，大家可以查閱相關(guān)資料。

　　相關(guān)數(shù)據(jù)(如PCA/MCM等)模型的處理由多種CAD進(jìn)行了驗(yàn)證，EDIF 4.0.0能描述大致覆蓋95 %的CAD-CAM轉(zhuǎn)換信息的范疇。EDIF 4.0.0標(biāo)準(zhǔn)能夠保證相關(guān)數(shù)據(jù)信息模型在不同CAD間進(jìn)行傳送并被驗(yàn)證和認(rèn)可，經(jīng)過(guò)一定的簡(jiǎn)化、約束處理，將能夠作為CAM-IM開(kāi)發(fā)的初始草本。

　　CAM-IM主要有以下的信息內(nèi)容：

　　．組裝板；
　　．版圖子集；
　　．電連接版圖；
　　．電連接版圖層次目錄；
　　．設(shè)計(jì)層次目錄；
　　．設(shè)計(jì)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(shù)信息；
　　．邏輯關(guān)系(功能)描述；
　　．管腳及模片(Die)描述；
　　．布線；
　　．測(cè)試；
　　．拼版；
　　．用戶自定義信息。

　　此外還有其他一些信息未詳細(xì)列出。

　　2.1.3　開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)及組織介紹

　　由于EDIF 4.0.0屬CAD-CAM互連開(kāi)發(fā)小組的工作，其成員大多是世界上著名的EDA供應(yīng)商及一些電子行業(yè)有影響力的協(xié)會(huì)等，主要由：EIA、IPC、曼徹斯特大學(xué)(University of Manchester)、Mentor Graphics、Solectron和Hadco Santa Clara等機(jī)構(gòu)與組織組成。

　　2.2　IPC-2510系列標(biāo)準(zhǔn)

　　2.2.1　目標(biāo)

　　IPC-2510系列標(biāo)準(zhǔn)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(cè)試者之間建立一種靈活溝通方法，規(guī)定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)格式，并推廣應(yīng)用于電子行業(yè)OEM(源設(shè)備制造商)、合同制造商等。該標(biāo)準(zhǔn)類型的文件包括了版型、焊盤(pán)、貼片、插裝、版內(nèi)信號(hào)線等信息，幾乎所有外加工PCB的有關(guān)資料都可以從GenCAM(GenCAD的擴(kuò)展和增加)參數(shù)中提取到。

　　2.2.2　主要內(nèi)容

　　IPC-2510系列標(biāo)準(zhǔn)有許多單個(gè)的標(biāo)準(zhǔn)，互相依賴，現(xiàn)只以其中的IPC-2511也即GenCAM為主說(shuō)明。

　　GenCAM文件包括20種類型內(nèi)容：

　　．文件頭—每個(gè)文件的開(kāi)頭，包括名稱、公司文件類型、數(shù)量、版本等；
　　．板—PCB板的描述，如輪廊等；
　　．焊盤(pán)圖形—印腳(Land Pattern)幾何圖形，含焊膏、絲印、鉆孔；
　　．焊盤(pán)—包含CAD系統(tǒng)數(shù)據(jù)中的過(guò)孔及其焊盤(pán)信息；
　　．形狀—復(fù)雜的物理形狀描述；
　　．元件—用于區(qū)別元件的名稱；
　　．器件—元件描述信息，含器件號(hào)碼；
　　．信號(hào)—網(wǎng)表信息；
　　．導(dǎo)線—導(dǎo)線信息，如寬度、厚度等；
　　．層/結(jié)構(gòu)—制板信息描述，包括層數(shù)、阻焊、厚度等；
　　．布線—導(dǎo)線物理信息，含光繪信息；
　　．機(jī)械—機(jī)械相關(guān)信息，如定位、孔、輔助項(xiàng)等；
　　．測(cè)試點(diǎn)—測(cè)試點(diǎn)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(jìn)行轉(zhuǎn)換使用；
　　．更改—標(biāo)識(shí)修改內(nèi)容；
　　．附屬—不是與電路相關(guān)的特性幾何信息，如標(biāo)識(shí)、圖形等；
　　．電原理—相關(guān)設(shè)計(jì)電路原理信息，主要用于安排測(cè)試順序；
　　．版面—PCB制作版面(如拼版)、組裝排列等相關(guān)信息；
　　．ECO—電氣檢查及修改后的相關(guān)信息。

　　有關(guān)IPC-2511系列標(biāo)準(zhǔn)的信息詳細(xì)內(nèi)容在此不進(jìn)行展開(kāi)，IPC-2510系列標(biāo)準(zhǔn)剛剛頒布，其應(yīng)用的實(shí)際意義是顯而易見(jiàn)的。

　　2.2.3　開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)及組織

　　IPC-2510系列標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)小組主要由這幾個(gè)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(jìn)來(lái)，如Mentor。

　　三、其他類型數(shù)據(jù)格式的發(fā)展

　　3.1　Gerber

　　事實(shí)上用于PCB制作的電子工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)仍廣泛應(yīng)用。70年代Gerber出現(xiàn)，到1985年改進(jìn)的Gerber RS-274D產(chǎn)生，再到1992年又產(chǎn)生了更先進(jìn)的Gerber 274X，但不論該數(shù)據(jù)格式如何改進(jìn)發(fā)展，其從輸入、檢查、加工過(guò)程仍非常復(fù)雜且周期長(zhǎng)，不能適應(yīng)現(xiàn)代的CAD/CAM自動(dòng)化和快速進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，在一個(gè)文件就可以嵌入全部必要的信息，給PCB設(shè)計(jì)與制作者提供了較寬松的要求，技術(shù)上是先進(jìn)的，但使用者抱怨其語(yǔ)言界面不很友好，因而未能吸引更多的用戶來(lái)采用，但其中一個(gè)——IPC-D-356，即光板測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)被PCB制作廠商所采納。IPC-D-350系列標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有組裝板測(cè)試內(nèi)容，因而該標(biāo)準(zhǔn)不能被所有電子行業(yè)所接納。

　　3.3 ODB++(Open Data Base)——公開(kāi)數(shù)據(jù)庫(kù)

　　ODB++由Valor公司推出，其出現(xiàn)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)展的結(jié)果，其思想最適應(yīng)當(dāng)今設(shè)計(jì)制造一體化的要求，真正可以達(dá)到將DFM規(guī)則嵌入設(shè)計(jì)過(guò)程。ODB++實(shí)質(zhì)也是建模，結(jié)構(gòu)及格式非常簡(jiǎn)單易用，提供了許多先進(jìn)的開(kāi)發(fā)模塊，如圖形界面、網(wǎng)表、鉆孔及路徑文件、圖形注釋、ECN/ECO設(shè)計(jì)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(xì)節(jié)格式和結(jié)構(gòu)的描述都已形成文本文件，且可以從某些地方(Internet)免費(fèi)得到。CAD數(shù)據(jù)庫(kù)非常復(fù)雜以至于，各家EDA都不提供其數(shù)據(jù)格式給外人，某些EDA開(kāi)發(fā)商，如Mentor、Cadence、Zuken-Redac和PADS提供了相應(yīng)的轉(zhuǎn)換器軟件(Translator)。如果能夠知道CAD的數(shù)據(jù)格式，利用ODB++技術(shù)加以開(kāi)發(fā)就可以在各類EDA環(huán)境中達(dá)到數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)一定程度上的集成。

　　CAM軟件開(kāi)發(fā)商如Mitron、FABmaster、Unicam、Graphic等已經(jīng)使用了ODB++技術(shù)，CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果為中性文件，再將此中性文件進(jìn)行內(nèi)部處理，最終形成設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、檢測(cè)程序等。

　　3.4　企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)交換格式

　　在上述各類標(biāo)準(zhǔn)未推廣使用之前，許多先進(jìn)的電子企業(yè)從系統(tǒng)集成角度出發(fā)也進(jìn)行了相應(yīng)的研究，如Philips公司1988年就推出了其自己的用于產(chǎn)品制造和產(chǎn)品測(cè)試的CAT/CAM轉(zhuǎn)換格式標(biāo)準(zhǔn)—TA-CAT/CAM，主要用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)準(zhǔn)備部門(mén)間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換應(yīng)用，其功能包括CAD產(chǎn)品模塊、實(shí)體、板、電路、基準(zhǔn)點(diǎn)、定位孔、元器件、印腳定義等。類似的工作其他大型先進(jìn)企業(yè)也有相應(yīng)的工作，在此不再敘述。

　　3.5 其他一些數(shù)據(jù)格式

　　除上述的情況外，還有一些數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)正在運(yùn)用或開(kāi)發(fā)中，他們是：

　　．IGES(Initial Graphics Exchange Specification)—美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局1979年推出，機(jī)械上用得較多，是三維立體幾何模型和工程描述的可靠標(biāo)準(zhǔn)，其內(nèi)容包括技術(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)、數(shù)控信息等，電子上的應(yīng)用還需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。

　　．STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data)—ISO(The International Standards Organization，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織)1984年推出，屬實(shí)體與關(guān)系(Relationship)建模工具集，使用EXPRESS語(yǔ)言，仍在進(jìn)行開(kāi)發(fā)和擴(kuò)展，機(jī)械行業(yè)已有廣泛應(yīng)用。其最終目的是取代所有現(xiàn)存的國(guó)際CAD/CAM數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。

　　．VHDL—VHSIC Hardware Description Language, 硬件描述語(yǔ)言，IEEE(The Institute of Electrical and Electronic Engineers，國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì))標(biāo)準(zhǔn)，主要用于定義數(shù)字電路系統(tǒng)的功能和邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系，是數(shù)字電路和數(shù)據(jù)通信設(shè)計(jì)、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(jié)束語(yǔ)

　　綜上所述，電子行業(yè)CAD-CAM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)工作仍在繼續(xù)進(jìn)行當(dāng)中，大部分處于測(cè)試階段，ECCE項(xiàng)目計(jì)劃才剛剛開(kāi)始進(jìn)入角色，IPC-2510系列標(biāo)準(zhǔn)及CAD信息建模只是其項(xiàng)目的前兩個(gè)步驟，CAM建模(STEP標(biāo)準(zhǔn))尚未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道，而CAM建模工作是完成ECCE項(xiàng)目最重要的一環(huán)，CAM信息模型將能與其他通常格式或標(biāo)準(zhǔn)信息相關(guān)聯(lián)，如測(cè)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(biāo)準(zhǔn)。

　　當(dāng)今柔性制造系統(tǒng)(FMS-Flexible Manufacturing System)的發(fā)展逐漸走向設(shè)計(jì)制造集成應(yīng)用，CAD-CAM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是其信息集成的關(guān)鍵，開(kāi)展相應(yīng)的開(kāi)發(fā)工作有著重要的意義。

　　參考文獻(xiàn)

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