談信息化在PCB工程設計中的應用

楊永利 陳顯任 雷周駱 陳 林 蔡 寧

（珠海方正科技多層電路板有限公司（F7），廣東 珠海 519000)

為滿足PCB生產(chǎn)企業(yè)智能化建設的要求，工程設計信息化建設應運而生，信息化對于PCB工程設計而言，是一場全新啟動的技術革命，工程設計信息化減少了很多繁雜的人工程序，在為公司帶來設計產(chǎn)能大幅增長的同時也為公司節(jié)省下了較多的人工成本。

1 工程設計信息化的概念及實施難點

1.1 工程設計信息化的概念

PCB工程設計的信息化是指在PCB生產(chǎn)企業(yè)工程設計過程中，通過充分利用計算機技術、網(wǎng)絡技術等高科技技術，實現(xiàn)對客戶PCB設計資料導入、解析、設計、審核、輸出等過程的整合。并對設計過程中的信息進行收集、存儲、加工等，幫助設計者決策，從而達到提高工程設計水平與效率、降低設計成本的目標。

1.2 工程設計信息化的實施難點

在PCB工程設計中，信息化應用有不少難點：

（1）客戶訂單結構不同：當前中國已成為PCB生產(chǎn)大國，PCB生產(chǎn)企業(yè)的客戶地域分布跨度大，而且訂單結構廣泛分布在通訊、服務器、數(shù)據(jù)存儲、工控、醫(yī)療、軍工、汽車、消費類電子等領域，PCB生產(chǎn)企業(yè)很難全面地、及時地對客戶訂單結構的變化進行監(jiān)控，因此難以將客戶訂單結構標準化，對PCB工程設計信息化推進形成阻礙。

（2）產(chǎn)品信息獲取滯后與解析困難：目前PCB行業(yè)絕大多數(shù)是通過Gerber格式文件轉(zhuǎn)換和傳輸圖數(shù)據(jù)，PCB生產(chǎn)企業(yè)在接收到客戶PCB資料后，不經(jīng)過工程設計軟件分析無法獲取到完整的產(chǎn)品設計信息（如疊構、阻抗、線路、鉆孔、成型等設計特點），故難以在接收客戶資料的第一時間對客戶訂單的結構進行分類，產(chǎn)品設計的難易程度很難預判。此外，客戶資料中還有一部分設計要求是描述在word或pdf文檔中，產(chǎn)品信息沒有數(shù)字化，設計人員需用人工解析該類要求文檔，篩選并手動錄入設計參數(shù)至軟件中，這種方式帶來信息同步實時性差、數(shù)據(jù)錄入難、核對難、易出錯、效率低等缺點。

（3）工程設計自動化程度不高：由于PCB產(chǎn)品應用范圍廣，不同領域的產(chǎn)品特性不同，甚至同一領域不同終端產(chǎn)品的設計要求也存在很大差異，PCB生產(chǎn)企業(yè)需要對不同特性的產(chǎn)品設計采用與之對應的生產(chǎn)流程與工藝配方，每類產(chǎn)品用到的工序不同，而且每個工序需要的工藝配方因為設計要求的不同而相差甚遠，生產(chǎn)流程的多樣使得工程設計與工藝參數(shù)的管理不能完全模塊化，從而不能建立通用的工程設計標準導致工程設計自動化程度不盡人意。

（4）工程設計參數(shù)數(shù)字化程度低：傳統(tǒng)的制造信息（MI）中的很多內(nèi)容是將參數(shù)值與設計要求合并描述為一整段文字，其字符串形式的信息，解析難度和參數(shù)傳輸難度大，這種信息傳遞方式無法將數(shù)據(jù)直接對接至其他智能化軟件或設備平臺中。

（5）工程變更申請頻繁：在絕大部分PCB生產(chǎn)企業(yè)，都是通過編寫規(guī)則將生產(chǎn)流程所用到的工藝參數(shù)建立在MI設計軟件的系統(tǒng)中，工程人員在設計生產(chǎn)流程時，工藝參數(shù)會通過程序自動匹配產(chǎn)品信息而生成在MI中，由于工藝參數(shù)是個變量值，在工廠制程能力提升或新設備引進時，該類參數(shù)容易變更。由于工藝參數(shù)與工程設計綁定在一起，導致工藝參數(shù)變更時，工程版本也須隨之升級，而且工藝參數(shù)的變更往往對舊版本工程設計也有更新要求，常常出現(xiàn)一個變更影響全部生產(chǎn)型號的現(xiàn)象，處理頻繁的變更申請嚴重影響工程設計的產(chǎn)出。

2 工程設計信息化的實施舉措

2.1 建立標準化的客戶訂單結構系統(tǒng)

建立標準化的客戶訂單結構系統(tǒng)首先要對公司所能承接的所有產(chǎn)品進行分類，并結合公司的定位與制程能力定義好產(chǎn)品線，然后在產(chǎn)品線中添加產(chǎn)品設計信息作為產(chǎn)品線的屬性。其次需要將產(chǎn)品線屬性標準化、數(shù)字化，其設定需要具有代表性，每一類產(chǎn)品線都應有其獨特的產(chǎn)品線屬性組合。產(chǎn)品線屬性實現(xiàn)數(shù)字化有以下建議：

（1）與客戶的采購系統(tǒng)對接，實現(xiàn)在線上進行采購需求下發(fā)，下發(fā)的同時自動傳遞產(chǎn)品線屬性。

（2）建立標準化的產(chǎn)品線屬性模板提供給客戶，客戶導出設計資料的同時將產(chǎn)品線屬性值導入該模板。

（3）引入自動導入和解析Gerber資料的軟件平臺，在接收客戶資料后自動對其進行解析獲取產(chǎn)品線屬性值。

以上前兩種方式不僅可以解決PCB生產(chǎn)企業(yè)獲取客戶產(chǎn)品信息時誤識別、漏識別帶來的風險，還可以有效解決產(chǎn)品信息獲取滯后與解析困難所帶來的問題，縮短工程設計周期。

2.2 提高工程設計自動化

提高工程設計自動化，必須結合各產(chǎn)品線的特點，在工程設計標準流程中建立通用設計標準和專用產(chǎn)品線設計標準，并將兩者結合在一起，主要有如下幾點：

2.2.1 提高資料導入（Input）自動化

對歷史Gerber文件進行整理分析，結合不同PCB設計軟件導出的Gerber文件所具有的不同特點，總結其文件命名的規(guī)律，靈活運用正則表達式的應用技巧在資料導入的軟件平臺中開發(fā)程序，自動匹配Gerber文件名稱及屬性定義，根據(jù)產(chǎn)品線的設計特點建立標準的光圈模板避免重復性的手動操作。實現(xiàn)資料的自動化導入，可大幅縮短資料導入的時間并提高資料導入的準確性。

2.2.2 提高MI設計自動化和計算機輔助制造（CAM）設計自動化。

MI設計與CAM設計是工程設計中最關鍵的兩個部分，而且是相輔相成的。如何高效完成工程設計是老生常談的問題，提及最多的就是系統(tǒng)自動化的支持，產(chǎn)品線的定義對工程系統(tǒng)自動化提供了很好的平臺。

（1）作業(yè)流程標準化。提高MI設計和CAM設計自動化首先要定義一個合理的工程設計作業(yè)標準流程，結合不同產(chǎn)品線的設計要求，明確操作的前后步驟，并對操作步驟進行監(jiān)控，防止漏做錯做。標準化的作業(yè)流程不僅可以提高設計效率，還可縮短新員工的培訓周期。

（2）系統(tǒng)集成。將ERP、MES系統(tǒng)等其他智能化系統(tǒng)中工程設計所需要的參數(shù)通過系統(tǒng)接口或通過中間數(shù)據(jù)庫中轉(zhuǎn)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時同步，通過編寫接口自動加載至工程設計軟件系統(tǒng)中。各工程軟件系統(tǒng)中的參數(shù)盡可能采用鍵值對的形式存在，尤其是MI軟件系統(tǒng)中的客戶SPEC（技術規(guī)范）信息，要采用Attributes的形式錄入系統(tǒng)，盡量避免采用Note形式存儲，參數(shù)實現(xiàn)數(shù)字化后，可以有效避免重復分析和手動錄入，提高了信息的存儲性、傳遞性和可加工性。

（3）腳本開發(fā)。工程設計會涉及很多重復性而且有規(guī)律的操作，結合這一點，我們可以采用自動化腳本的方式，將重復且具有規(guī)律的操作和工藝能力結合起來，讓程序去取代煩瑣重復的手動操作。

（4）模塊關聯(lián)自動化。定義好標準的作業(yè)流程后，需要考慮作業(yè)流程中各個模塊間的數(shù)據(jù)關聯(lián)性，對各模塊的參數(shù)建立影響聯(lián)系表，用戶在某一模塊更改設計要求后，通過模塊中的關鍵操作事件觸發(fā)檢測程序，實現(xiàn)自動檢查某一模塊設計要求的變更對其他模塊的影響。

（5）系統(tǒng)自動化程序易維護性。明確自動化需求后，對需求規(guī)則進行邏輯與數(shù)據(jù)分離，將更改較為頻繁的參數(shù)寫入二維表與邏輯代碼分開，避免因參數(shù)變更導致程序代碼頻繁更改。另外在程序編寫過程中需考慮程序的可讀性，變量命名規(guī)則要統(tǒng)一，并有完整的注釋。

（6）人員設計能力標準化。要實現(xiàn)訂單的自動分配提高分配效率，除了將客戶訂單結構標準化外，還需要建立人員設計能力考核機制。通過機制的完善，建立人員的設計能力對照表，通過程序設定分配規(guī)則與訂單結構相對應，就能實現(xiàn)訂單的自動匹配。智能分配不僅減少管理層的主觀意向干預，還能把設計任務及時分配給最合適的設計人員，有助于優(yōu)化人力資源，調(diào)動設計人員積極性，提高管理效率。

2.2.3 提高資料輸出（Output）自動化

工程資料輸出自動化程度低的主要原因是自動獲取工具需求信息難及輸出參數(shù)需手動錄入。為解決這兩個難題，工程系統(tǒng)需要和ERP或MES等智能化平臺相對接，工具需求信息可以通過MES過數(shù)時自動觸發(fā)，并在觸發(fā)申請時自動將系統(tǒng)中的輸出參數(shù)（如Lot號、周期、拉伸系數(shù)等）推送至工程輸出系統(tǒng)，觸發(fā)程序?qū)崿F(xiàn)后臺自動輸出。

2.3 工程設計信息化

2.3.1 數(shù)據(jù)標準化

數(shù)字化是信息化的前提，而數(shù)據(jù)標準化是實現(xiàn)工程設計信息化的基石，以下是在系統(tǒng)自動化實施過程中建立標準化數(shù)據(jù)的一些建議。

（1）數(shù)據(jù)模塊化。數(shù)據(jù)收集可謂是前期信息化需求整理過程中的重要部分，數(shù)據(jù)收集不僅僅是收集用戶所需的數(shù)據(jù)，還要對數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)類型、是否固定值、數(shù)據(jù)大小范圍以及數(shù)據(jù)格式進行定義。收集完數(shù)據(jù)后再對數(shù)據(jù)進行分析整理，結合其來源與用途將數(shù)據(jù)劃分模塊，做到數(shù)據(jù)管理模塊化。

（2）數(shù)據(jù)參數(shù)化。將數(shù)據(jù)參數(shù)化的方法是將文字描述的內(nèi)容用參數(shù)名與參數(shù)值的形式體現(xiàn)（如將“最小鉆頭為0.25 mm”的一段描述轉(zhuǎn)換為參數(shù)表的方法為：參數(shù)名：“最小鉆頭”；參數(shù)值：0.25；參數(shù)單位：mm）。參數(shù)化的數(shù)據(jù)不僅可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性和效率，還可以實時共享或直接下發(fā)給其他設備和軟件平臺，對工程設計信息化建設奠定了基礎。

（3）前端限制。在用戶交換界面中設定數(shù)據(jù)的錄入方式，主要有復選型、列表選擇型和手動輸入型三類。前兩類為固化類型，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)均為可預知值，因此在用戶交互界面實施中應優(yōu)先使用，標準化的數(shù)據(jù)也利于將來大數(shù)據(jù)分析。對于第三種類型的使用，也要利用一些輔助類的方法對手動輸入內(nèi)容進行規(guī)則限制，例如運用正則表達式結合控件的事件，對用戶輸入的內(nèi)容進行實時監(jiān)視，對不符合規(guī)則的輸入進行預警提示或者直接限制其輸入，達到數(shù)據(jù)可控的目的。

（4）后端規(guī)范。后端規(guī)范指的是在數(shù)據(jù)庫中定義數(shù)據(jù)存儲類型。數(shù)據(jù)存儲作為數(shù)據(jù)接收的最后一道防線要與前端數(shù)據(jù)類型相匹配。以MySQL數(shù)據(jù)庫為例，Blob、MediumBlob和LongBlob 均為存儲二進制數(shù)據(jù)類型，但區(qū)別在于它們所能存儲的數(shù)據(jù)大小相差甚遠（分別為65K/16M/4G）。我們需要保證前后端數(shù)據(jù)格式的一致性，以規(guī)范數(shù)據(jù)庫欄位所需定義的存儲類型。

2.3.2 CAM設計指示電子化

有了設計參數(shù)信息化的基礎，各類設計要求和參數(shù)值都可以存儲在數(shù)據(jù)庫中，這樣可以利用信息化的技術取代傳統(tǒng)通過紙質(zhì)文檔為媒介傳遞MI設計參數(shù)與CAM設計指示要求。傳統(tǒng)的紙質(zhì)CAM設計指示是在MI軟件系統(tǒng)（如InPlan）生成后轉(zhuǎn)成PDF檔，或直接在OFFICE文檔中編輯生成指示，打印后將紙質(zhì)指示文檔交予CAM人員作業(yè)，這種傳統(tǒng)做法存在以下三個缺點：

（1）傳統(tǒng)的CAM設計指示將指示內(nèi)容添加在MI設計軟件中的Note模塊中，用戶可隨意修改編輯，不能對其錄入內(nèi)容進行防呆管控。

（2）指示內(nèi)容不夠標準化，不同設計人員對相同要求的描述不盡相同，造成指示五花八門，自動化程序從該類指示要求中提取可用參數(shù)的難度大，而且不利于數(shù)據(jù)分類。

（3）在變更指示要求的過程中，這種運作機制給MI人員提供了直接修改PDF文檔中的內(nèi)容而不從源頭在系統(tǒng)中修改參數(shù)的漏洞，存在軟件系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)和CAM實際接收到的紙質(zhì)檔數(shù)據(jù)不一致的風險，而且紙質(zhì)文檔中的信息檢索難、核對難。

為解決以上難題，我們使用MI設計軟件中Attribute模塊替換Note模塊的方式進行CAM指示設計，這樣就可以將CAM指示內(nèi)容轉(zhuǎn)換為參數(shù)表（參數(shù)名與參數(shù)值）存儲于MI設計軟件的用戶自定義屬性（UDA）中，用戶通過交互界面將指示內(nèi)容存儲在數(shù)據(jù)庫中。這種模式下若要更新指示內(nèi)容，只能通過運行交互界面中的控件觸發(fā)程序修改UDA的值才能重新生成CAM設計指示，修改源頭得到控制，保證了CAM指示中的數(shù)據(jù)與MI設計軟件中的數(shù)據(jù)一致性，然后在CAM系統(tǒng)中開發(fā)交互界面自動加載并顯示中間數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容，實現(xiàn)了電子CAM設計指示單取代傳統(tǒng)的紙質(zhì)CAM設計指示單。電子化的CAM設計指示界面還能對指示要求的執(zhí)行情況進行監(jiān)控，避免漏設計、錯設計。CAM系統(tǒng)自動化程序還可以從數(shù)據(jù)庫中自動加載MI設計參數(shù)，避免CAM編輯人員手動錄入，防止參數(shù)錄入錯誤，有效提高腳本自動化率。

2.4 工藝參數(shù)獨立化

為解決工藝參數(shù)變更導致工程設計需同步變更的問題，可以搭建單獨的工藝參數(shù)平臺將工藝參數(shù)獨立出來形成單獨的模塊，不再在MI設計的生產(chǎn)流程中備注體現(xiàn)，在該平臺中設定規(guī)則，當接收到工程設計的產(chǎn)品特性參數(shù)后，通過規(guī)則自動生成適合該產(chǎn)品的工藝配方并儲存在數(shù)據(jù)庫中，生產(chǎn)部門只需通過掃描生產(chǎn)板或載具的二維碼就能自動從工藝參數(shù)平臺中調(diào)取生產(chǎn)配方，可以避免工藝參數(shù)的手工錄入。工藝參數(shù)模塊獨立出來后，頻繁的工藝參數(shù)變更不會影響到工程設計，只需更改工藝參數(shù)模塊中的規(guī)則即可，舊版本工程設計也不會受到任何影響，不僅減少了工程設計變更帶來的工作量，帶來設計產(chǎn)能的大幅增長，同時還提高了生產(chǎn)執(zhí)行效率。

3 工程設計信息化的主要作用

3.1 提高工程設計的效率

利用標準化的工程設計作業(yè)流程,規(guī)范基本業(yè)務并通過系統(tǒng)化的監(jiān)控減少人工犯錯率，增強了整個設計工作流程的完整性與時效性，MI系統(tǒng)和CAM系統(tǒng)之間、工程系統(tǒng)與ERP和MES系統(tǒng)之間信息互通、實時共享，避免了重復的數(shù)據(jù)加工與手工錄入，能有效提升設計效率。

3.2 提高生產(chǎn)效率

工程設計效率的提高，縮短了制前資料的設計時長，同時也縮短了整個PCB制造的生產(chǎn)周期。通過數(shù)字化的參數(shù)規(guī)劃，能將生產(chǎn)所需的配方自動發(fā)送到各軟件或設備機臺，減少員工的參數(shù)錄入，在提升生產(chǎn)效率的同時，又減少可能會出錯的環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了品質(zhì)與效率的雙輪驅(qū)動。

3.3 提高客戶滿意度

品質(zhì)與效率的提升，縮短了交付周期，大大提高了客戶的滿意度。此外，運用信息化技術搭建對外平臺，讓客戶可隨時了解生產(chǎn)進度以及追溯部分生產(chǎn)配方，透明化的生產(chǎn)方式讓客戶對生產(chǎn)擁有更直觀的感受。

3.4 績效考核機制完善

將信息化技術引入工程管理系統(tǒng)實現(xiàn)訂單的智能分配，對訂單的設計狀態(tài)和設計產(chǎn)能進行實時監(jiān)控，透明化的監(jiān)管方式，讓績效考核機制更加公平公正，增強了員工間的競爭意識。

3.5 提高管理效率

整個工程設計信息化模式相比于以往依靠紙質(zhì)文檔或PDF文檔作為信息的傳輸媒介，其優(yōu)勢在于通過數(shù)據(jù)庫管理的方法，提高了信息的完整性，還可快速讀取和查找設計資料的所有相關數(shù)據(jù)，增強了信息的可追溯性。最后，信息化建設使得系統(tǒng)具有強大的分析與解讀功能，可以對歷史數(shù)據(jù)進行分析、對未來趨勢進行預測，并以此依據(jù)做出相應的管理決策。

4 結束語

綜上所述，高質(zhì)高效的工程設計是PCB生產(chǎn)企業(yè)提高生產(chǎn)效率的重要手段，也是增強PCB生產(chǎn)企業(yè)市場競爭力的有力手段之一，PCB工程設計信息化還具有廣闊的應用發(fā)展前景，合理有效地進行PCB工程設計信息化建設不僅有利于PCB工程設計其管理質(zhì)量及管理效率的提高，有助于提高PCB生產(chǎn)企業(yè)的競爭力和效益以及客戶滿意度，還有助于PCB生產(chǎn)企業(yè)向著智能制造的層面上發(fā)展，實現(xiàn)客戶與企業(yè)共贏。