谈信息化在PCB工程设计中的应用

杨永利 陈显任 雷周骆 陈 林 蔡 宁

（珠海方正科技多层电路板有限公司（F7），广东 珠海 519000)

为满足PCB生产企业智能化建设的要求，工程设计信息化建设应运而生，信息化对于PCB工程设计而言，是一场全新启动的技术革命，工程设计信息化减少了很多繁杂的人工程序，在为公司带来设计产能大幅增长的同时也为公司节省下了较多的人工成本。

1 工程设计信息化的概念及实施难点

1.1 工程设计信息化的概念

PCB工程设计的信息化是指在PCB生产企业工程设计过程中，通过充分利用计算机技术、网络技术等高科技技术，实现对客户PCB设计资料导入、解析、设计、审核、输出等过程的整合。并对设计过程中的信息进行收集、存储、加工等，帮助设计者决策，从而达到提高工程设计水平与效率、降低设计成本的目标。

1.2 工程设计信息化的实施难点

在PCB工程设计中，信息化应用有不少难点：

（1）客户订单结构不同：当前中国已成为PCB生产大国，PCB生产企业的客户地域分布跨度大，而且订单结构广泛分布在通讯、服务器、数据存储、工控、医疗、军工、汽车、消费类电子等领域，PCB生产企业很难全面地、及时地对客户订单结构的变化进行监控，因此难以将客户订单结构标准化，对PCB工程设计信息化推进形成阻碍。

（2）产品信息获取滞后与解析困难：目前PCB行业绝大多数是通过Gerber格式文件转换和传输图数据，PCB生产企业在接收到客户PCB资料后，不经过工程设计软件分析无法获取到完整的产品设计信息（如叠构、阻抗、线路、钻孔、成型等设计特点），故难以在接收客户资料的第一时间对客户订单的结构进行分类，产品设计的难易程度很难预判。此外，客户资料中还有一部分设计要求是描述在word或pdf文档中，产品信息没有数字化，设计人员需用人工解析该类要求文档，筛选并手动录入设计参数至软件中，这种方式带来信息同步实时性差、数据录入难、核对难、易出错、效率低等缺点。

（3）工程设计自动化程度不高：由于PCB产品应用范围广，不同领域的产品特性不同，甚至同一领域不同终端产品的设计要求也存在很大差异，PCB生产企业需要对不同特性的产品设计采用与之对应的生产流程与工艺配方，每类产品用到的工序不同，而且每个工序需要的工艺配方因为设计要求的不同而相差甚远，生产流程的多样使得工程设计与工艺参数的管理不能完全模块化，从而不能建立通用的工程设计标准导致工程设计自动化程度不尽人意。

（4）工程设计参数数字化程度低：传统的制造信息（MI）中的很多内容是将参数值与设计要求合并描述为一整段文字，其字符串形式的信息，解析难度和参数传输难度大，这种信息传递方式无法将数据直接对接至其他智能化软件或设备平台中。

（5）工程变更申请频繁：在绝大部分PCB生产企业，都是通过编写规则将生产流程所用到的工艺参数建立在MI设计软件的系统中，工程人员在设计生产流程时，工艺参数会通过程序自动匹配产品信息而生成在MI中，由于工艺参数是个变量值，在工厂制程能力提升或新设备引进时，该类参数容易变更。由于工艺参数与工程设计绑定在一起，导致工艺参数变更时，工程版本也须随之升级，而且工艺参数的变更往往对旧版本工程设计也有更新要求，常常出现一个变更影响全部生产型号的现象，处理频繁的变更申请严重影响工程设计的产出。

2 工程设计信息化的实施举措

2.1 建立标准化的客户订单结构系统

建立标准化的客户订单结构系统首先要对公司所能承接的所有产品进行分类，并结合公司的定位与制程能力定义好产品线，然后在产品线中添加产品设计信息作为产品线的属性。其次需要将产品线属性标准化、数字化，其设定需要具有代表性，每一类产品线都应有其独特的产品线属性组合。产品线属性实现数字化有以下建议：

（1）与客户的采购系统对接，实现在线上进行采购需求下发，下发的同时自动传递产品线属性。

（2）建立标准化的产品线属性模板提供给客户，客户导出设计资料的同时将产品线属性值导入该模板。

（3）引入自动导入和解析Gerber资料的软件平台，在接收客户资料后自动对其进行解析获取产品线属性值。

以上前两种方式不仅可以解决PCB生产企业获取客户产品信息时误识别、漏识别带来的风险，还可以有效解决产品信息获取滞后与解析困难所带来的问题，缩短工程设计周期。

2.2 提高工程设计自动化

提高工程设计自动化，必须结合各产品线的特点，在工程设计标准流程中建立通用设计标准和专用产品线设计标准，并将两者结合在一起，主要有如下几点：

2.2.1 提高资料导入（Input）自动化

对历史Gerber文件进行整理分析，结合不同PCB设计软件导出的Gerber文件所具有的不同特点，总结其文件命名的规律，灵活运用正则表达式的应用技巧在资料导入的软件平台中开发程序，自动匹配Gerber文件名称及属性定义，根据产品线的设计特点建立标准的光圈模板避免重复性的手动操作。实现资料的自动化导入，可大幅缩短资料导入的时间并提高资料导入的准确性。

2.2.2 提高MI设计自动化和计算机辅助制造（CAM）设计自动化。

MI设计与CAM设计是工程设计中最关键的两个部分，而且是相辅相成的。如何高效完成工程设计是老生常谈的问题，提及最多的就是系统自动化的支持，产品线的定义对工程系统自动化提供了很好的平台。

（1）作业流程标准化。提高MI设计和CAM设计自动化首先要定义一个合理的工程设计作业标准流程，结合不同产品线的设计要求，明确操作的前后步骤，并对操作步骤进行监控，防止漏做错做。标准化的作业流程不仅可以提高设计效率，还可缩短新员工的培训周期。

（2）系统集成。将ERP、MES系统等其他智能化系统中工程设计所需要的参数通过系统接口或通过中间数据库中转，实现数据实时同步，通过编写接口自动加载至工程设计软件系统中。各工程软件系统中的参数尽可能采用键值对的形式存在，尤其是MI软件系统中的客户SPEC（技术规范）信息，要采用Attributes的形式录入系统，尽量避免采用Note形式存储，参数实现数字化后，可以有效避免重复分析和手动录入，提高了信息的存储性、传递性和可加工性。

（3）脚本开发。工程设计会涉及很多重复性而且有规律的操作，结合这一点，我们可以采用自动化脚本的方式，将重复且具有规律的操作和工艺能力结合起来，让程序去取代烦琐重复的手动操作。

（4）模块关联自动化。定义好标准的作业流程后，需要考虑作业流程中各个模块间的数据关联性，对各模块的参数建立影响联系表，用户在某一模块更改设计要求后，通过模块中的关键操作事件触发检测程序，实现自动检查某一模块设计要求的变更对其他模块的影响。

（5）系统自动化程序易维护性。明确自动化需求后，对需求规则进行逻辑与数据分离，将更改较为频繁的参数写入二维表与逻辑代码分开，避免因参数变更导致程序代码频繁更改。另外在程序编写过程中需考虑程序的可读性，变量命名规则要统一，并有完整的注释。

（6）人员设计能力标准化。要实现订单的自动分配提高分配效率，除了将客户订单结构标准化外，还需要建立人员设计能力考核机制。通过机制的完善，建立人员的设计能力对照表，通过程序设定分配规则与订单结构相对应，就能实现订单的自动匹配。智能分配不仅减少管理层的主观意向干预，还能把设计任务及时分配给最合适的设计人员，有助于优化人力资源，调动设计人员积极性，提高管理效率。

2.2.3 提高资料输出（Output）自动化

工程资料输出自动化程度低的主要原因是自动获取工具需求信息难及输出参数需手动录入。为解决这两个难题，工程系统需要和ERP或MES等智能化平台相对接，工具需求信息可以通过MES过数时自动触发，并在触发申请时自动将系统中的输出参数（如Lot号、周期、拉伸系数等）推送至工程输出系统，触发程序实现后台自动输出。

2.3 工程设计信息化

2.3.1 数据标准化

数字化是信息化的前提，而数据标准化是实现工程设计信息化的基石，以下是在系统自动化实施过程中建立标准化数据的一些建议。

（1）数据模块化。数据收集可谓是前期信息化需求整理过程中的重要部分，数据收集不仅仅是收集用户所需的数据，还要对数据来源、数据类型、是否固定值、数据大小范围以及数据格式进行定义。收集完数据后再对数据进行分析整理，结合其来源与用途将数据划分模块，做到数据管理模块化。

（2）数据参数化。将数据参数化的方法是将文字描述的内容用参数名与参数值的形式体现（如将“最小钻头为0.25 mm”的一段描述转换为参数表的方法为：参数名：“最小钻头”；参数值：0.25；参数单位：mm）。参数化的数据不仅可以提高数据传输的准确性和效率，还可以实时共享或直接下发给其他设备和软件平台，对工程设计信息化建设奠定了基础。

（3）前端限制。在用户交换界面中设定数据的录入方式，主要有复选型、列表选择型和手动输入型三类。前两类为固化类型，所产生的数据均为可预知值，因此在用户交互界面实施中应优先使用，标准化的数据也利于将来大数据分析。对于第三种类型的使用，也要利用一些辅助类的方法对手动输入内容进行规则限制，例如运用正则表达式结合控件的事件，对用户输入的内容进行实时监视，对不符合规则的输入进行预警提示或者直接限制其输入，达到数据可控的目的。

（4）后端规范。后端规范指的是在数据库中定义数据存储类型。数据存储作为数据接收的最后一道防线要与前端数据类型相匹配。以MySQL数据库为例，Blob、MediumBlob和LongBlob 均为存储二进制数据类型，但区别在于它们所能存储的数据大小相差甚远（分别为65K/16M/4G）。我们需要保证前后端数据格式的一致性，以规范数据库栏位所需定义的存储类型。

2.3.2 CAM设计指示电子化

有了设计参数信息化的基础，各类设计要求和参数值都可以存储在数据库中，这样可以利用信息化的技术取代传统通过纸质文档为媒介传递MI设计参数与CAM设计指示要求。传统的纸质CAM设计指示是在MI软件系统（如InPlan）生成后转成PDF档，或直接在OFFICE文档中编辑生成指示，打印后将纸质指示文档交予CAM人员作业，这种传统做法存在以下三个缺点：

（1）传统的CAM设计指示将指示内容添加在MI设计软件中的Note模块中，用户可随意修改编辑，不能对其录入内容进行防呆管控。

（2）指示内容不够标准化，不同设计人员对相同要求的描述不尽相同，造成指示五花八门，自动化程序从该类指示要求中提取可用参数的难度大，而且不利于数据分类。

（3）在变更指示要求的过程中，这种运作机制给MI人员提供了直接修改PDF文档中的内容而不从源头在系统中修改参数的漏洞，存在软件系统中的数据和CAM实际接收到的纸质档数据不一致的风险，而且纸质文档中的信息检索难、核对难。

为解决以上难题，我们使用MI设计软件中Attribute模块替换Note模块的方式进行CAM指示设计，这样就可以将CAM指示内容转换为参数表（参数名与参数值）存储于MI设计软件的用户自定义属性（UDA）中，用户通过交互界面将指示内容存储在数据库中。这种模式下若要更新指示内容，只能通过运行交互界面中的控件触发程序修改UDA的值才能重新生成CAM设计指示，修改源头得到控制，保证了CAM指示中的数据与MI设计软件中的数据一致性，然后在CAM系统中开发交互界面自动加载并显示中间数据库中的内容，实现了电子CAM设计指示单取代传统的纸质CAM设计指示单。电子化的CAM设计指示界面还能对指示要求的执行情况进行监控，避免漏设计、错设计。CAM系统自动化程序还可以从数据库中自动加载MI设计参数，避免CAM编辑人员手动录入，防止参数录入错误，有效提高脚本自动化率。

2.4 工艺参数独立化

为解决工艺参数变更导致工程设计需同步变更的问题，可以搭建单独的工艺参数平台将工艺参数独立出来形成单独的模块，不再在MI设计的生产流程中备注体现，在该平台中设定规则，当接收到工程设计的产品特性参数后，通过规则自动生成适合该产品的工艺配方并储存在数据库中，生产部门只需通过扫描生产板或载具的二维码就能自动从工艺参数平台中调取生产配方，可以避免工艺参数的手工录入。工艺参数模块独立出来后，频繁的工艺参数变更不会影响到工程设计，只需更改工艺参数模块中的规则即可，旧版本工程设计也不会受到任何影响，不仅减少了工程设计变更带来的工作量，带来设计产能的大幅增长，同时还提高了生产执行效率。

3 工程设计信息化的主要作用

3.1 提高工程设计的效率

利用标准化的工程设计作业流程,规范基本业务并通过系统化的监控减少人工犯错率，增强了整个设计工作流程的完整性与时效性，MI系统和CAM系统之间、工程系统与ERP和MES系统之间信息互通、实时共享，避免了重复的数据加工与手工录入，能有效提升设计效率。

3.2 提高生产效率

工程设计效率的提高，缩短了制前资料的设计时长，同时也缩短了整个PCB制造的生产周期。通过数字化的参数规划，能将生产所需的配方自动发送到各软件或设备机台，减少员工的参数录入，在提升生产效率的同时，又减少可能会出错的环节，实现了品质与效率的双轮驱动。

3.3 提高客户满意度

品质与效率的提升，缩短了交付周期，大大提高了客户的满意度。此外，运用信息化技术搭建对外平台，让客户可随时了解生产进度以及追溯部分生产配方，透明化的生产方式让客户对生产拥有更直观的感受。

3.4 绩效考核机制完善

将信息化技术引入工程管理系统实现订单的智能分配，对订单的设计状态和设计产能进行实时监控，透明化的监管方式，让绩效考核机制更加公平公正，增强了员工间的竞争意识。

3.5 提高管理效率

整个工程设计信息化模式相比于以往依靠纸质文档或PDF文档作为信息的传输媒介，其优势在于通过数据库管理的方法，提高了信息的完整性，还可快速读取和查找设计资料的所有相关数据，增强了信息的可追溯性。最后，信息化建设使得系统具有强大的分析与解读功能，可以对历史数据进行分析、对未来趋势进行预测，并以此依据做出相应的管理决策。

4 结束语

综上所述，高质高效的工程设计是PCB生产企业提高生产效率的重要手段，也是增强PCB生产企业市场竞争力的有力手段之一，PCB工程设计信息化还具有广阔的应用发展前景，合理有效地进行PCB工程设计信息化建设不仅有利于PCB工程设计其管理质量及管理效率的提高，有助于提高PCB生产企业的竞争力和效益以及客户满意度，还有助于PCB生产企业向着智能制造的层面上发展，实现客户与企业共赢。