CAD-CAM数据转换的新趋势

cad-cam数据转换的新趋势
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。
关键词:fms、cad、cam、cat、dfx、标准
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。
一、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。
二、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。
三、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。
四、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。
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)

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