对CAD/CAM间数据转换的研究

　　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。