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如何避免嵌入式PCB工程变更的设计途径

发布时间 :2017-12-13 14:38 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷PCB设计部
工程变更订单(ECO)经常使得PCB设计成本增加,造成产品开发延迟,从而导致昂贵的产品上市时程延缓。然而,透过仔细关注经常发生问题的七个关键领域,可以避免大多数的ECO。这七大领域是元件选择、记忆体、湿度敏感等级(MSL)、可测试设计(DFT)、冷却技术、散热片以及热膨胀系数(CTE)。
 
元件选择
为了避免ECO,全面通读元件规格表至关重要。PCB设计者一般都会例行检查元件的电气和工程数据以及产品寿命和可用性。但当元件在市场推广的早期阶段,资料表上可能还无法包括全部的关键指标。如果元件上市才几个月,或者只能提供小量样品,那么目前可取得的可靠性数据并不具有普遍性或不够详细,最后可能无法提供充份可靠的数据或现场故障率的品质保证数据。
 
更重要的是不要轻信规格表中所写的表面数据,而是要积极联系元件供应商,尽可能多方了解元件的特性以及如何将这些特性应用于设计中。
 
元件所需处理的最大期望电流或电压就是一个很好的例子。如果所选的元件不足以足够的电流或电压,那么元件很可能烧坏。图1显示的是一个烧坏了的电容器。
 
元件选择不当导致大量电流或电压流经电路,将会发生像这个烧融电容器的损坏情形。
元件选择不当导致大量电流或电压流经电路,将会发生像这个烧融电容器的损坏情形。
 
让我们看另外一个例子──闸格阵列(LGA)封装的元件。除了电气和机械限制以外,你可能还需要考虑建议使用的助焊剂类型、是否允许回流焊温度以及所容许的焊点空洞程度。
 
目前还没有专门的IPC标淮适用于与LGA元件有关的空洞淮则。在一些情况下,空洞等级最高为30%的LGA元件被认为是可靠的。然而,一般来说,最大为25%的较低空洞级更好,20%更好。图2显示空洞级为20.41%的焊球,这是IPC Class II标淮所能接受的淮则。
 
IPC Class II可接受空洞等级为20.41%的焊球。
IPC Class II可接受空洞等级为20.41%的焊球。
 
在缺少空洞数据时,设计工程师必须依靠他们的经验、技巧与常识,利用不会很快停产以及拥有多种来源管道而能轻易地在市场上找到的元件来展开设计。
 
在元件选择过程中进行更多的分析和计算同样非常重要,例如计算峰值性能时的电流或电压。一款元件可能被指定用于某种峰值温度和电流值。然而,针对特定的设计,PCB设计者必须采取行动以确保亲自进行这些重要的计算过程。
 
工程师不仅要负责计算单个元件,而且要考虑在特定设计中使用该元件与其它元件之间的关系。举例来说,这种计算对于散热较高的类比元件来说尤其重要。例如有许多类比元件就彼此相邻地放置在电路板的同一侧。这些元件会产生相当大的功率,从而释放较电路板另一侧(自然是数位元件)更高的热量。在这种情况下,插满了类比元件的那一面电路板可能产生阻焊层剥离的现象。
 
元件电路的类比部份会产生大量的热。过热可能导致阻焊层剥离,在最坏情况下,可能烧坏元件。图3显示电路板的阻焊层剥离现象。
 
散热差可能导致PCB阻焊层的剥离。
散热差可能导致PCB阻焊层的剥离。
 
设计与布局工程师在布局设计阶段必须合作展开元件布局,避免将元件放置得太靠近电路板边缘,或太靠近另一个元件而未留出足够的间距。在电脑上很容易设计元件布局,但如果在布局时未能精确地制作元件封装,那么贴片机可能无法完美地将这些元件紧邻放置。例如,图4显示元件稍微突出电路板的情况。
 
连接器边缘稍突出于电路板的边缘。
连接器边缘稍突出于电路板的边缘。
 
记忆体的选择
同样的原则也适用于记忆体的选择。由于不断有新一代更先进的DRAM和快闪记忆体上市,对于PCB设计者而言,如何始终走在技术前端、随时淮确判断不断变化中的记忆体规格如何影响更新的设计,可说是一项极具挑战性的任务。
 
例如DDR2世代DRAM有别于今天的DDR3元件,而DDR3元件也将迥异于未来的DDR4 DRAM。JEDEC已经在去年宣布发行DDR4标淮JESD79-4了。据市场调查公司iSuppli透露,DDR3 DRAM在目前DRAM市场中所占比例为85%至90%。不过该公司也预测,新推出的DDR4在2014年将占有12%的比例,2015年时可望迅速成长到56%。
 
PCB设计者必须随时关注DDR4的崛起,并与PCBA OEM客户保持密切合作,因为他们在推出下一代嵌入式系统时很可能就内建DDR4 DRAM。他们必须有效掌握新的特性和功能动态,以避免设计时的自满而导致工程变更订单。另一件需要注意的事是记忆体价格会产生波动。
 
湿度敏感等级
湿度敏感等级(MSL)很容易被忽略。如果PCBA OEM在设计时未顾及MSL,未能正确处理关键的MSL规格,那么用户很可能也不会考虑MSL资讯,导致电路在现场使用时可能无法正常作业。当实际MSL等级是3、4或5时,这种可能性更高。在这种情况下,烘烤作业可能无法确实进行,湿气可能趁虚而入,最终导致工程变更订单。甚至在涉及LGA时,PCB组装公司将不得不替换掉PCB上的这些封装。图5是元件的一个MSL标签,上面标明敏感等级为5,并注明了密封日期和烘烤指南。
 
元件的MSL标签注明了敏感等级5、密封日期和烘烤指南。
元件的MSL标签注明了敏感等级5、密封日期和烘烤指南。
 
可测试设计
可测试设计(DFT)对于生产过程中展开PCB测试和除错来说非常重要。在将元件布局到电路板时,重要的是密切留意DFT探测点的布局位置,以及探棒接触过孔、焊垫以及其它测试点的角度。
 
在最初设计的早期阶段,还未能进行DFT时,测试成为一项重大问题,而ECO也可能因此产生。在一些极端情况下,如果无法解决ECO的话,就必须重新进行设计。
 
冷却、散热片和热膨胀系数
冷却方法在设计中很容易被忽视,但如能在设计早期仔细评估冷却要求经常能避免ECO。
 
一些冷却类型是水冷法。举例来说,含有大量BGA和微处理器、用于数据密集应用(如动画、图像或视讯处理)的大型专用电脑电路板大部份都要求采取水冷措施。
 
在使用散热片时,PCB或发热元件通常被连接到机箱上,以便于向周遭环境散热。很多时候像图6所示的散热片也常用于帮助散热。如果没有指定正确的散热片,就可能产生工程变更订单。这种工程变更订单必须加以开发以及导入,才能使散热片成功地散热。
 
像这样的散热片十分有助于为元件产生的过多热量散热。
像这样的散热片十分有助于为元件产生的过多热量散热。
 
PCB设计者还必须确保元件在热性能方面匹配热膨胀系数(CTE),并进行所有相关的计算。他必须百分之百地确保不仅在元件与其封装尺寸之间相互匹配,而且也要搭配合用的PCB材料,如FR4、陶瓷板(Rogers)或特氟龙(Teflon),以避免产生大量的热,或产生元件与电路板之间热膨胀系数差异。此外,这也能确保防止出现夹层剥离,以及避免夹层剥离导致元件缺陷,或持续高电气温度,最终导致元件或PCB烧坏。


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