七招教你規避嵌入式PCB工程更改

發布時間：2014-3-17 14:38 發布者：eechina

作者：NexLogic Technologies有限公司創始人兼總裁Zulki Khan

工程更改(ECO)將推高設計成本，造成產品開發大量延遲，進而延遲產品上市時間。然而，通過認真思考經常發生問題的七大關鍵領域，可以規避大多數ECO。這七大領域是：元器件選擇，存儲器，濕度敏感等級(MSL)，可測性設計(DFT)，冷卻技術，散熱器以及熱膨脹系數(CTE)。

元器件選擇

為了規避ECO，全面通讀元器件規格書很重要。PCB設計師一般都會例行檢查元器件的電氣和工程數據以及產品壽命和可用性。但當元器件處于市場推廣的早期階段，數據手冊上可能還沒有全部的關鍵指標。如果元器件上市才幾個月，或者只能提供小批量樣品，那么當前可獲得的可靠性數據可能沒有普遍性，或不夠詳細。舉例來說，最終可能無法提供足夠多的可靠性數據，或有關現場失效率的質量保證數據。

不要輕信規格書中寫的表面文章很重要，而是要積極聯系元器件供應商，盡可能多地了解元器件的特性以及如何將這些特性應用于設計。

元件需要處理的最大期望電流或電壓就是一個很好的例子。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顯示的是一個燒壞了的電容。

圖1：由于元件選擇不當致使電路中流過相當大的電流或電壓將有可能發生像這個燒過的電容這樣的損壞。

讓我們看另外一個例子——柵格陣列(LGA)封裝的器件。除了電氣和機械約束外，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空洞等級。

目前還沒有專門與LGA器件相關的空洞方面的IPC標準。目前在一些情況下，空洞等級最高為30%的LGA器件被認為是可靠的。然而一般來說，最大為25%的較低空洞等級更好，20%最好了。圖2顯示了空洞等級為20.41%的焊球，這是IPC Class II標準能夠接受的。

圖2：IPC Class II可以接受20.41%空洞等級的焊球。

在缺少空洞數據的條件下，設計工程師必須依靠他們的經驗、技巧和常識，利用不會馬上停產、可以從多個渠道獲得、市場上容易找到的元件開展他們的設計。

在元器件選擇過程中進行額外的分析和計算同樣非常重要，比如計算峰值性能時的電流或電壓。一個元器件可能規定了某個峰值溫度和電流值時的性能指標。然而，針對特定的設計，PCB設計師必須采取行動確保他或她親自做了這些關鍵的計算。

工程師不僅要負責計算單個元器件，而且要考慮該元器件與特定設計中使用的其它元器件之間的關系。舉例來說，這種計算對于發熱量很高的模擬元件來說尤其重要。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。這些元器件會產生相當大的功率，因而與電路板的另外一面(自然是數字器件)相比產生的熱量會高很多。在這種情況下，插滿了模擬器件的那一面有可能發生阻焊層剝離現象。

元器件電路的模擬部分會產生大量熱量。過熱可能導致阻焊層剝離，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象。

圖3：散熱不好可能導致PCB阻焊層的剝離。

設計和版圖工程師需要在版圖設計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。在計算機上很容易設計元器件布局，但如果在版圖中沒有精確地創建元器件封裝，那么貼片機可能無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。

同樣的原則也適用于存儲器的選擇。由于不斷有新一代更先進的DRAM和閃存上市，PCB設計師要想始終走在技術前沿、及時準確地判斷不斷變化的存儲器規范如何影響更新的設計是極具挑戰性的一項任務。

比如DDR2代DRAM有別于今天的DDR3器件，而DDR3器件將有別于未來的DDR4 DRAM。在寫這篇文章時，JEDEC已經宣布發行DDR4標準——JESD79-4。據市場調查公司iSuppli透露，DDR3 DRAM在目前DRAM市場中所占份額是85%至90%。不過該公司預測，新推出的DDR4在2014年將占到12%的份額，并且到2015年將迅速增長到56%。

PCB設計師需要隨時關注DDR4的崛起，并與OEM客戶保持緊密合作，因為他們在推出下一代嵌入式系統時很可能包含DDR4 DRAM。他們必須很好地掌握新的特性和功能動態，避免設計上的滿足感以及因此導致的工程更改單。另外一件需要注意的事是，存儲器價格會發生波動。

濕度敏感等級(MSL)

濕度敏感等級(MSL)很容易被忽視。如果OEM廠商在設計中不顧及MSL，關鍵的MSL規范沒有得到正確對待，那么用戶很可能不會考慮MSL信息，電路在現場使用時也就可能無法正常工作。當實際MSL等級是3、4或5時，這種可能性更高。在這種情況下，烘烤可能無法正確完成，濕氣可能乘虛而入，最終導致工程更改單。當涉及LGA時，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MSL標簽，上面標明敏感度等級為5，并注明了密封日期和烘烤指南。

圖5：元器件的MSL標簽，上面寫有敏感度等級5以及密封日期和烘烤指南。

可測性設計

可測性設計(DFT)對于生產過程中開展PCB測試和調試來說非常重要。在將元器件布局到電路板上時，重要的是密切留意DFT探測點的布局位置，以及探針伸過去接觸過孔、焊盤和其它測試點時的角度。

在初始設計的早期階段，DFT還沒被允許之時，測試成為了一個大問題，ECO也就產生了。在一些極端情況下，如果ECO也不能解決的話，就需要重新設計才能解決問題。

冷卻、散熱器和熱膨脹系數

冷卻方法在設計中很容易被忽視，但在設計早期認真評估冷卻要求常常能避免ECO。

一些冷卻類型是水冷。舉例來說，含有大量BGA和微處理器、用于數據密集應用(如動畫、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，PCB或發熱器件通常被連接到機箱上，以便向周圍環境散發熱量。很多時候像圖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，那就可能產生工程更改單。這種工程更改單是必須開發和引入的，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一些器件產生的過多熱量。

PCB設計師需要確保元器件在熱性能方面匹配熱膨脹系數(CTE)，并進行了所有相關的計算。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)，以避免產生大量的熱量，或產生器件與電路板之間熱膨脹系數的差異。這種保證還可以防止出現層的剝離，而這種剝離常常導致缺陷的器件，或維持很高的電氣溫度，最終導致元器件或PCB燒壞。

作者簡介：

Zulki Khan是NexLogic Technologies公司。在加入NexLogic公司之前，他是位于伊利諾州紹姆堡市的Imagineering有限公司總經理。他還負責高速PCB設計及信號完整性分析。Zulki Khan擁有N.E.D大學的學士學位和愛荷華大學的MBA學位，還是嵌入式系統行業雜志積極的特約作者。

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