規(guī)避嵌入式PCB工程更改的七大訣竅

工程更改(ECO)將推高設(shè)計(jì)成本，造成產(chǎn)品開發(fā)大量延遲，進(jìn)而延遲產(chǎn)品上市時(shí)間。然而，通過(guò)認(rèn)真思考經(jīng)常發(fā)生問(wèn)題的七大關(guān)鍵領(lǐng)域，可以規(guī)避大多數(shù)ECO。這七大領(lǐng)域是：元器件選擇，存儲(chǔ)器，濕度敏感等級(jí)(MSL)，可測(cè)性設(shè)計(jì)(DFT)，冷卻技術(shù)，散熱器以及熱膨脹系數(shù)(CTE)。

元器件選擇

為了規(guī)避ECO，全面通讀元器件規(guī)格書很重要。PCB設(shè)計(jì)師一般都會(huì)例行檢查元器件的電氣和工程數(shù)據(jù)以及產(chǎn)品壽命和可用性。但當(dāng)元器件處于市場(chǎng)推廣的早期階段，數(shù)據(jù)手冊(cè)上可能還沒有全部的關(guān)鍵指標(biāo)。如果元器件上市才幾個(gè)月，或者只能提供小批量樣品，那么當(dāng)前可獲得的可靠性數(shù)據(jù)可能沒有普遍性，或不夠詳細(xì)。舉例來(lái)說(shuō)，最終可能無(wú)法提供足夠多的可靠性數(shù)據(jù)，或有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)失效率的質(zhì)量保證數(shù)據(jù)。

不要輕信規(guī)格書中寫的表面文章很重要，而是要積極聯(lián)系元器件供應(yīng)商，盡可能多地了解元器件的特性以及如何將這些特性應(yīng)用于設(shè)計(jì)。 元件需要處理的最大期望電流或電壓就是一個(gè)很好的例子。如果所選的元件不能處理足夠的電流或電壓，那么元件很可能燒壞。圖1顯示的是一個(gè)燒壞了的電容。

圖1：由于元件選擇不當(dāng)致使電路中流過(guò)相當(dāng)大的電流或電壓將有可能發(fā)生像這個(gè)燒過(guò)的電容這樣的損壞。

讓我們看另外一個(gè)例子——柵格陣列(LGA)封裝的器件。除了電氣和機(jī)械約束外，你可能需要考慮推薦的助焊劑類型、允許或不允許的回流焊溫度以及允許的焊點(diǎn)空洞等級(jí)。目前還沒有專門與LGA器件相關(guān)的空洞方面的IPC標(biāo)準(zhǔn)。目前在一些情況下，空洞等級(jí)最高為30%的LGA器件被認(rèn)為是可靠的。然而一般來(lái)說(shuō)，最大為25%的較低空洞等級(jí)更好，20%最好了。圖2顯示了空洞等級(jí)為20.41%的焊球，這是IPC Class II標(biāo)準(zhǔn)能夠接受的。

圖2：IPC Class II可以接受20.41%空洞等級(jí)的焊球。

在缺少空洞數(shù)據(jù)的條件下，設(shè)計(jì)工程師必須依靠他們的經(jīng)驗(yàn)、技巧和常識(shí)，利用不會(huì)馬上停產(chǎn)、可以從多個(gè)渠道獲得、市場(chǎng)上容易找到的元件開展他們的設(shè)計(jì)。在元器件選擇過(guò)程中進(jìn)行額外的分析和計(jì)算同樣非常重要，比如計(jì)算峰值性能時(shí)的電流或電壓。一個(gè)元器件可能規(guī)定了某個(gè)峰值溫度和電流值時(shí)的性能指標(biāo)。然而，針對(duì)特定的設(shè)計(jì)，PCB設(shè)計(jì)師必須采取行動(dòng)確保他或她親自做了這些關(guān)鍵的計(jì)算。 工程師不僅要負(fù)責(zé)計(jì)算單個(gè)元器件，而且要考慮該元器件與特定設(shè)計(jì)中使用的其它元器件之間的關(guān)系。舉例來(lái)說(shuō)，這種計(jì)算對(duì)于發(fā)熱量很高的模擬元件來(lái)說(shuō)尤其重要。比如有許多模擬元件放置在電路板的同一面，并且彼此挨著。這些元器件會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的功率，因而與電路板的另外一面(自然是數(shù)字器件)相比產(chǎn)生的熱量會(huì)高很多。在這種情況下，插滿了模擬器件的那一面有可能發(fā)生阻焊層剝離現(xiàn)象。 元器件電路的模擬部分會(huì)產(chǎn)生大量熱量。過(guò)熱可能導(dǎo)致阻焊層剝離，在最壞情況下，可能燒壞元器件。圖3顯示了電路板的阻焊層剝離現(xiàn)象。

圖3：散熱不好可能導(dǎo)致PCB阻焊層的剝離。

設(shè)計(jì)和版圖工程師需要在版圖設(shè)計(jì)階段合作開展元器件的布局，避免元器件太靠近電路板邊緣，或太靠近另外的元器件，避免相互間沒留出足夠的空間。在計(jì)算機(jī)上很容易設(shè)計(jì)元器件布局，但如果在版圖中沒有精確地創(chuàng)建元器件封裝，那么貼片機(jī)可能無(wú)法完美地將這些器件緊鄰放置。例如，圖4顯示了元器件稍突出于電路板的情況。

圖4：連接器邊緣稍突出于電路板的邊緣。

存儲(chǔ)器

同樣的原則也適用于存儲(chǔ)器的選擇。由于不斷有新一代更先進(jìn)的DRAM和閃存上市，PCB設(shè)計(jì)師要想始終走在技術(shù)前沿、及時(shí)準(zhǔn)確地判斷不斷變化的存儲(chǔ)器規(guī)范如何影響更新的設(shè)計(jì)是極具挑戰(zhàn)性的一項(xiàng)任務(wù)。

比如DDR2代DRAM有別于今天的DDR3器件，而DDR3器件將有別于未來(lái)的DDR4 DRAM。在寫這篇文章時(shí)，JEDEC已經(jīng)宣布發(fā)行DDR4標(biāo)準(zhǔn)——JESD79-4。據(jù)市場(chǎng)調(diào)查公司iSuppli透露，DDR3 DRAM在目前DRAM市場(chǎng)中所占份額是85%至90%。不過(guò)該公司預(yù)測(cè)，新推出的DDR4在2014年將占到12%的份額，并且到2015年將迅速增長(zhǎng)到56%。

PCB設(shè)計(jì)師需要隨時(shí)關(guān)注DDR4的崛起，并與OEM客戶保持緊密合作，因?yàn)樗麄冊(cè)谕瞥鱿乱淮?a target="_blank">嵌入式系統(tǒng)時(shí)很可能包含DDR4 DRAM。他們必須很好地掌握新的特性和功能動(dòng)態(tài)，避免設(shè)計(jì)上的滿足感以及因此導(dǎo)致的工程更改單。另外一件需要注意的事是，存儲(chǔ)器價(jià)格會(huì)發(fā)生波動(dòng)。

濕度敏感等級(jí)(MSL)

濕度敏感等級(jí)(MSL)很容易被忽視。如果OEM廠商在設(shè)計(jì)中不顧及MSL，關(guān)鍵的MSL規(guī)范沒有得到正確對(duì)待，那么用戶很可能不會(huì)考慮MSL信息，電路在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)也就可能無(wú)法正常工作。當(dāng)實(shí)際MSL等級(jí)是3、4或5時(shí)，這種可能性更高。在這種情況下，烘烤可能無(wú)法正確完成，濕氣可能乘虛而入，最終導(dǎo)致工程更改單。當(dāng)涉及LGA時(shí)，PCB裝配公司將不得不替換PCB上的這些封裝。圖5是元器件的一個(gè)MSL標(biāo)簽，上面標(biāo)明敏感度等級(jí)為5，并注明了密封日期和烘烤指南。

圖5：元器件的MSL標(biāo)簽，上面寫有敏感度等級(jí)5以及密封日期和烘烤指南。

可測(cè)性設(shè)計(jì)

可測(cè)性設(shè)計(jì)(DFT)對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程中開展PCB測(cè)試和調(diào)試來(lái)說(shuō)非常重要。在將元器件布局到電路板上時(shí)，重要的是密切留意DFT探測(cè)點(diǎn)的布局位置，以及探針伸過(guò)去接觸過(guò)孔、焊盤和其它測(cè)試點(diǎn)時(shí)的角度。 在初始設(shè)計(jì)的早期階段，DFT還沒被允許之時(shí)，測(cè)試成為了一個(gè)大問(wèn)題，ECO也就產(chǎn)生了。在一些極端情況下，如果ECO也不能解決的話，就需要重新設(shè)計(jì)才能解決問(wèn)題。

冷卻、散熱器和熱膨脹系數(shù)

冷卻方法在設(shè)計(jì)中很容易被忽視，但在設(shè)計(jì)早期認(rèn)真評(píng)估冷卻要求常常能避免ECO。一些冷卻類型是水冷。舉例來(lái)說(shuō)，含有大量BGA和微處理器、用于數(shù)據(jù)密集應(yīng)用(如動(dòng)畫、圖像或視頻處理)的大型專用電腦板大部分要求采取水冷措施。在使用散熱器時(shí)，PCB或發(fā)熱器件通常被連接到機(jī)箱上，以便向周圍環(huán)境散發(fā)熱量。很多時(shí)候像圖6所示的散熱器也常用于幫助散熱。如果沒有指定正確的散熱器，那就可能產(chǎn)生工程更改單。這種工程更改單是必須開發(fā)和引入的，以便散熱器成功地散熱。

圖6：像這樣的散熱器非常有助于散發(fā)一些器件產(chǎn)生的過(guò)多熱量。

PCB設(shè)計(jì)師需要確保元器件在熱性能方面匹配熱膨脹系數(shù)(CTE)，并進(jìn)行了所有相關(guān)的計(jì)算。他必須百分之百地確保不僅在器件和它們的封裝尺寸之間相互匹配，而且匹配PCB材料(如FR4、羅杰斯或特氟綸)，以避免產(chǎn)生大量的熱量，或產(chǎn)生器件與電路板之間熱膨脹系數(shù)的差異。這種保證還可以防止出現(xiàn)層的剝離，而這種剝離常常導(dǎo)。