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基于Expedition软件电路中心元件库的构建及未来发展方向

张晨阳1,张华冰2,贾宁3 ,吕志超4,王丹5

北京京东方显示技术有限公司技术企划与管理中心,北京,100176

摘要:本论文重点探讨了在大型EDA设计企业通过Expedition软件构建电路中心元件库的方法及管理经验。通过Expedition软件Library Manger工具可以实现统一集中化的标准元件库的管理能够解决跨地域设计标准不统一、产品转移困难、元件设计导致的贴片不良、元件重复创建、手动组建BOM等问题,有效提升PCB电路设计工作效率,减轻设计人员工作量,提升PCB制成品质。

关键字:Expedition;电路元件库;集中化管理;设计标准化;EDA工具;

Based on Construction and the future direction of the center of the PCB component library ZHANG Chen-yang1, ZHANG Hua-bing2, JIA Ning 3, LV Zhi-chao4,WANG Dan5

Beijing BOE Display Technology Co.,Ltd.,Beijing,100176

Abstract: This paper focuses on the methods and management experience in large-scale enterprises to build circuit EDA design center software component library by Expedition. By Expedition Library Manger software tool can achieve a unified centralized management standard cell libraries to solve design standards are not uniform across geographies, product transfer difficult elements poorly designed patch caused repeated elements created manually set up BOM and other issues, enhance the effective PCB circuit design efficiency, reduce design workload of staff, improve the quality of PCB made.

Key words: Expedition; Circuit Component Library; Centralized management; Design Standardization; EDA Tools

1.研究背景

近二十年中国的电子行业飞速发展,设计复杂程度不断提高,同时管理规模也逐渐增大。在激烈的竞争中,越来越多的企业发现管理是制约产品竞争力的最重要的因素。电子设计涉及到的管理是多方面的,这些内容主要包括:设计工具用的符号封装库、元器件对应的物料信息库、设计完成后的设计数据管理、BOM 管理等。其中元器件是 PCB 板级设计的基础,对元器件的管理,特别是标准化优选元器件库的建设与维护一直都被忽视,EDA 库的不统一、元器件参数属性准确性等问题已经严重影响到了产品研发的进度和最后产品本身的质量,当前 PCB板级设计面临的不仅仅是设计工具和设计能力的提升,更需要通过元器件管理系统的统一管理,建设电子设计平台信息化,有效地帮助企业提高管理水平和团队设计能力。如何建设适合企业实际情况的标准化元器件库和管理平台已经成为企业主管、电子设计领导面前急需解决的核心问题。

2.EDA库管理必要性

本文是基于Mentor Expedition Library manager工具构建大型EDA企业电路中心元件库,由于大型EDA企业分布地域广,设计产品类别多,人员流动性大,缺少统一的设计标准导致Library manager工具的应用存在如下问题:

2.1重复劳动量大:

电路元件库按照管理范围可以分为:个人管理、科室管理、部门管理、本地管理,跨地管理等。随着管理范围的扩大,重复劳动量却逐渐缩小,反之,重复劳动量却是成倍增加。我们都知道,电路器件共用可达80%以上,也就是每创建一个元件就有80%的概率是重复创建。按照个人管理范围计算的话,重复劳动量计算公式为:(企业电路设计人员数量-1)×元件需求数量×元件创建用时×80%,按10个人计算,100ea器件,每个元件创建用时约0.5小时,计算可知重复劳动用时达360小时之多,也就是说随着元件库管理范围的扩大重复劳动时间将大幅度减少不必要的重复劳动用时。

电路元件库管理混乱势必造成元件信息缺失甚至错误,不仅埋下了设计品质隐患,对于电路设计后的BOM管理也将增加相当大的困难与工作量。BOM中重要的组成信息就是企业的物料编号,缺乏管理的元件库,大部分都没有准确甚至没有物料编号,这将导致电路设计工程师在完成设计后要手动组建BOM List,对于器件较少的电路设计来说,其增加的工作量可以忽略不计。但对于大型PCB设计将会用到成百上千的电路元件,使用缺少物料信息的元件库,将带来无法想象的工作难度及工作量,出错的概率也将大幅度提高。BOM List从组建、修订、核对需要至少两人用2~3天时间来完成,但仍不能避免错误的发生。

2.2元件设计能力&品质问题

电路元件设计考验的并不是电路设计知识,而是对PCB制成、贴片工艺知识和经验的积累程度的考验。在众多EDA生产制造企业中,电路设计人员的流动性相对较大,承担设计次数又相对较少,导致元件创建的机会少,加上对上下游制成能力经验的欠缺,就容易造成贴片不良,品质检测不合格等问题。如果没有及时检出或者漏检流入到量产中甚至客户手中,其损失和影响将无法预估。

如果在前期元件尺寸设计不合理甚至出现设计错误,在贴片生产过程中将难以弥补。元件设计长、宽、间距将直接影响贴片不良发生,宽度将影响锡膏的体积差,设计过宽将导致器件管脚爬锡高度不够而造成管脚虚焊或者器件偏移;长度将影响锡膏在器件管脚的爬锡空间,没有爬锡空间就容易造成虚焊甚至空焊的发生;器件间距将影响器件管脚焊锡爬锡过程受力情况,间距过大,加上贴片时位置偏移就导致一边爬锡量大一边爬锡量少,从而导致受力不均而形成立碑现象,如图2.2.1所示。

 2.2.1

3. EDA中心元件库搭建方法

Mentor Expedition软件由于有严谨规范的元器件调用流程,结合企业管理标准及网络环境的搭建,可以有效推动中心元件库构成及应用。

 3.1中心标准元件库的架构

企业标准化元器件 EDA库建设,依托于企业物资系统建设或者行业优选元器件库建设的基础,考虑 EDA工具的要求、平台管理集成的要求,完成符合设计实际需要的元器

3.1.1件的原理图符号库、PCB 封装库、元器件映射。它包括两部分:一部分是 EDA 库建设,包括与相关EDA工具密切相关的部分,比如原理图符号库、PCB封装库、仿真模型库等。另一部分是元器件信息库,主要包括物料编码、生产厂家、技术参数、器件手册等元器件信息。

3.2元件库建库规范

建库标准是指导整个建库工作的核心,标准制定的是否全面、合理、是否符合工艺的要求直接关系到整个建库的质量。通过众多项目的实践,提炼出符合工程实践要求的建库规范,可以根据自己的技术条件进行修改或者更新。建库标准主要包括逻辑符号绘制标准和PCB封装建立规范。规范参考 IPC-SM-782A、IPC-7351、GB4728 等国际、国内的行业标准。EDA 库建设,首先是需要制定立足于设计要求、符合国标、行业标准的建库规范,第二步是依照规范制作原理图符号库、PCB 封装库,以及仿真模型库等信息。

原理图符号库符合以下特点:a) 规范性;b) 统一性;c) 属性可继承性。

PCB封装库符合以下特点:a) 统一的分类; b) 规范的焊盘设计;c) 特殊封装标注

3.3元件数据库(Databook)制作

元件数据库主要包括物料编码、生产厂家、技术参数等元器件信息整理等,统一物料编码、规范生产厂家、统一技术参数及填写标准等,再进行数据补充和完善务必确保数据准确性,完成后可以导入Access小型数据库进行管理方便快捷,但数据存储量有限,安全及稳定性也相对较差;也可导入SQL Server中型数据库,数据存储量较大,稳定性、完全性也有相应的保障;对于大型数据库Oracle不做推荐,在采购及维护成本等都过高。

3.4 EDA中心元件库建设

EDA库建库标准流程:建库规范—建库清单—实施建库—最终检查。建库规范参考3.2部分,建设符合企业自身的生产运营情况的设计标准;建库清单整理就是将物料编号与元件建立一一对应关系,并整理出生产厂家、厂商料号、技术参数并按照统一的填写标准进行数据补充完善,完成后结合建库标准实施元件库建设工作,两种方式实施:已量产物料导入方式和新建元件方式。已量产物料导入方式就是将企业已量产物料经过建库规范核对后导入标准元件库,其优势是,已量产器件是经过生产验证有相对的品质保证。新创建元件方式优势是可以结合实际贴片工艺及IPC相关认证标准进行设计,相关细节准确性相对较高,缺点是:没有经过量产验证会存在品质风险。但无论是导入式还是新建式都需要通过IPC等建库标准进行检查确认,未经过量产验证的器件需要关注试产贴片情况,及时发现,及时修订确保量产的贴片品质。

Symbol创建方法:

3.4.1

  3.4.2

Cell创建方法:注意限制布线区域即Placement Outline设置一般外延0.15mm,因为器件间最小距离要求是0.3mm。

3.4.3

3.5 中心库管理及维护

标准元件库建设后没有行之有效管理模式,标准元件库的效果就会大打折扣,甚至会将问题点放大,带来严重设计失误或品质问题。如何进行有效管理是建库管理者必须要思考的问题,下面介绍行业内常用的两种模式:第一种是专人审批管理模式;第二种是专人维护管理模式;第一种专人审批模式就是设立专人对元件进行审核,审核通过才可以加入标准元件库中进行使用,优势是库管理员工作量相对较小,但元件标准化管理落地效果不彻底,由于仍是工程师各自创建元件,设计标准很难被工程师彻底实施,监管难以彻底落实导致标准无法有效落地。第二种是较为成功的运营管理模式是由于是专人审批、实施创建,由申请者负责检查验收,这样设计标准可以有效落地,设计专业化能力更强。下面就详细介绍第二种运营模式,首先必须用统一元件申请创建流程及信息填写模板,初期可以通过邮箱和标准模板来实现,稳定后可以通过相关系统实现审批创建标准流程。第一步,由设计工程师填写元件申请模板、提供Datasheet文件通过审批方式上报库管理员;第二步,由库管理员确认需求后进行元件的绘制;第三步,创建完成后由提需求者确认创建结果,如果问题提出修改意见再返回库管理员,库管理员执行修改;第四步,修改后再次交付工程师确认,确认OK后器件加入元件库被调取使用。注意:通常库管理员仅负责库创建工作,对于技术问题全部由设计人员负责。

3.5.1

3.6 元件设计DFM问题预防

元件设计错误导致的贴片不良通过人工检查的方式,由于设计规则多而复杂不能保证100%的检出,《SMT设计标准》仅能减小贴片不良发生率,不能实现完全杜绝DFM问题。

3.6.1

Mentor公司同样提供Valor工具,通过设计Rule、贴片工艺模拟等可以有效检出DFM隐患,提高PCB设计一次成功率及PCB设计品质的同时缩短了产品开发周期。

3.6.2

4. EDA中心元件库未来发展

 4.1精细化管理

随着中心库管理规模及范围的扩大,遇到的困难也将越多,影响面也将越广,所承担的风险也将更大。统一集中化管理起来面临的首要问题就是元件的筛选区分,同样的器件面临不同产品别(如:手机/笔记本/电视)需求不通,地域差别(如:北京、上海),客户需求不同、认证体系差别等导致统一后的元件库,需要进行区分管理:划分产品别,设置专属资产等实施精细化管理模式。以Mentor XDM工具为例,设置明确的岗位职责,利用工具有效将元件进行分类(如手机产品/笔记本产品),手机产品设计人员仅可以使用Mobile库,同理笔记本设计人员仅可以使用NB库,有效避免混料和误用等风险的发生。       

4.1.1

4.2集成化管理

随着行业的发展EDA设计元件选型不能仅考虑技术层面,对于市场、成本、品质认证、生产工艺、库存等信息的要求越来越高,EDA元件库势必要与其他系统进行数据集成,如:PLM、PDM、KM、ERP等系统进行集成,在器件选择过程设计人员可以有更多维度参考,同时可以设置优选件等设置引导工程师使用技术要求符合、成本又低,供货好的器件,可以有效控制开发及生产成本,同时提高产品的开发效率。Mentor XDM工具提供与其他系统集成接口,方便与企业内部系统进行无缝集成,建立设计与管理系统全流程管理体系。

4.2.1

 4.3模块化管理

EDA元件库使用时仅一个器件一个器件调取使用,绘制原理图或器件布局时也存在重复劳动,如果把器件相关组合形成模块化进行管理,比如:电源模块、通信模块、存储模块等设计,这些模块重用率高,同时也到多次量产验证,这样一个新项目设计通过几个模块组合不同组合就可以形成一个新的设计,可以大大提高设计人员工作效率还可以保证设计的品质。XDM工具同样提供Reused功能,方便用户构建及应用模块化管理模式。

4.2.1 电源模块设计

 4.3智能化设计

目前的电路元件设计多数都是通过手动绘制完成,操作的工作量相对也较大,目前在一些主流的EDA设计软件中,都已经有元件自动设计功能,仅需要设置相关属性信息,元件会自动按照规定的建库标准被创建,实现了元件库智能设计、高效、快捷。Mentor公司LP Wizard工具可以实现此功能。

4.3.1 LP Wizard Cell绘制工具

5.结语

通过上诉介绍,我们可以知道Mentor Expedition软件对比其他EDA设计工具更加严谨和规范,结合企业自身的管理制度、设计标准及网络管理技术就可以形成基础的统一中心库管理模式,再结合Mentor XDM、Valor、LP Wizard等工具可以形成企业智能化、精细化、集成化的管理平台,是完整的EDA库解决方案,非常适合大型EDA设计企业的团队式的开发,可以有专门的库管理人员把库管理工作做得非常全面和规范,原理图设计人员和PCB设计人员可以专心于各自的设计,不会被一些琐碎的规范和封装定义所困扰。有效推动企业研发效率,降低研发成本的目标。

参考文献:

 [1]Expedition PCB系列培训材料 Mentor Graphics 2004,2006

[2]郑继广 应用Expedition系列软件进行复杂系统设计