CAD-CAM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的新趨勢(shì)分析

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。
　　

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(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。

1　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。

2　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。

3　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。

4　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。

作者簡(jiǎn)介：張文杰，男，1967年出生，長(zhǎng)春光機(jī)學(xué)院畢業(yè)，工程師，現(xiàn)從事EDMI(設(shè)計(jì)制造一體化)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)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(xiàn)

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