七招教你规避嵌入式PCB工程更改 嵌入式, 工程

作者：NexLogic Technologies有限公司创始人兼总裁Zulki Khan

工程更改(ECO)将推高设计成本，造成产品开发大量延迟，进而延迟产品上市时间。然而，通过认真思考经常发生问题的七大关键领域，可以规避大多数ECO。这七大领域是：元器件选择，存储器，湿度敏感等级(MSL)，可测性设计(DFT)，冷却技术，散热器以及热膨胀系数(CTE)。

元器件选择

为了规避ECO，全面通读元器件规格书很重要。PCB设计师一般都会例行检查元器件的电气和工程数据以及产品寿命和可用性。但当元器件处于市场推广的早期阶段，数据手册上可能还没有全部的关键指标。如果元器件上市才几个月，或者只能提供小批量样品，那么当前可获得的可靠性数据可能没有普遍性，或不够详细。举例来说，最终可能无法提供足够多的可靠性数据，或有关现场失效率的质量保证数据。

不要轻信规格书中写的表面文章很重要，而是要积极联系元器件供应商，尽可能多地了解元器件的特性以及如何将这些特性应用于设计。

元件需要处理的最大期望电流或电压就是一个很好的例子。如果所选的元件不能处理足够的电流或电压，那么元件很可能烧坏。图1显示的是一个烧坏了的电容。



图1：由于元件选择不当致使电路中流过相当大的电流或电压将有可能发生像这个烧过的电容这样的损坏。

让我们看另外一个例子——栅格阵列(LGA)封装的器件。除了电气和机械约束外，你可能需要考虑推荐的助焊剂类型、允许或不允许的回流焊温度以及允许的焊点空洞等级。

目前还没有专门与LGA器件相关的空洞方面的IPC标准。目前在一些情况下，空洞等级最高为30%的LGA器件被认为是可靠的。然而一般来说，最大为25%的较低空洞等级更好，20%最好了。图2显示了空洞等级为20.41%的焊球，这是IPC Class II标准能够接受的。



图2：IPC Class II可以接受20.41%空洞等级的焊球。

在缺少空洞数据的条件下，设计工程师必须依靠他们的经验、技巧和常识，利用不会马上停产、可以从多个渠道获得、市场上容易找到的元件开展他们的设计。

在元器件选择过程中进行额外的分析和计算同样非常重要，比如计算峰值性能时的电流或电压。一个元器件可能规定了某个峰值温度和电流值时的性能指标。然而，针对特定的设计，PCB设计师必须采取行动确保他或她亲自做了这些关键的计算。

工程师不仅要负责计算单个元器件，而且要考虑该元器件与特定设计中使用的其它元器件之间的关系。举例来说，这种计算对于发热量很高的模拟元件来说尤其重要。比如有许多模拟元件放置在电路板的同一面，并且彼此挨着。这些元器件会产生相当大的功率，因而与电路板的另外一面(自然是数字器件)相比产生的热量会高很多。在这种情况下，插满了模拟器件的那一面有可能发生阻焊层剥离现象。

元器件电路的模拟部分会产生大量热量。过热可能导致阻焊层剥离，在最坏情况下，可能烧坏元器件。图3显示了电路板的阻焊层剥离现象。



图3：散热不好可能导致PCB阻焊层的剥离。

设计和版图工程师需要在版图设计阶段合作开展元器件的布局，避免元器件太靠近电路板边缘，或太靠近另外的元器件，避免相互间没留出足够的空间。在计算机上很容易设计元器件布局，但如果在版图中没有精确地创建元器件封装，那么贴片机可能无法完美地将这些器件紧邻放置。例如，图4显示了元器件稍突出于电路板的情况。



图4：连接器边缘稍突出于电路板的边缘。

同样的原则也适用于存储器的选择。由于不断有新一代更先进的DRAM和闪存上市，PCB设计师要想始终走在技术前沿、及时准确地判断不断变化的存储器规范如何影响更新的设计是极具挑战性的一项任务。

比如DDR2代DRAM有别于今天的DDR3器件，而DDR3器件将有别于未来的DDR4 DRAM。在写这篇文章时，JEDEC已经宣布发行DDR4标准——JESD79-4。据市场调查公司iSuppli透露，DDR3 DRAM在目前DRAM市场中所占份额是85%至90%。不过该公司预测，新推出的DDR4在2014年将占到12%的份额，并且到2015年将迅速增长到56%。

PCB设计师需要随时关注DDR4的崛起，并与OEM客户保持紧密合作，因为他们在推出下一代嵌入式系统时很可能包含DDR4 DRAM。他们必须很好地掌握新的特性和功能动态，避免设计上的满足感以及因此导致的工程更改单。另外一件需要注意的事是，存储器价格会发生波动。

湿度敏感等级(MSL)

湿度敏感等级(MSL)很容易被忽视。如果OEM厂商在设计中不顾及MSL，关键的MSL规范没有得到正确对待，那么用户很可能不会考虑MSL信息，电路在现场使用时也就可能无法正常工作。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，烘烤可能无法正确完成，湿气可能乘虚而入，最终导致工程更改单。当涉及LGA时，PCB装配公司将不得不替换PCB上的这些封装。图5是元器件的一个MSL标签，上面标明敏感度等级为5，并注明了密封日期和烘烤指南。



图5：元器件的MSL标签，上面写有敏感度等级5以及密封日期和烘烤指南。

可测性设计

可测性设计(DFT)对于生产过程中开展PCB测试和调试来说非常重要。在将元器件布局到电路板上时，重要的是密切留意DFT探测点的布局位置，以及探针伸过去接触过孔、焊盘和其它测试点时的角度。

在初始设计的早期阶段，DFT还没被允许之时，测试成为了一个大问题，ECO也就产生了。在一些极端情况下，如果ECO也不能解决的话，就需要重新设计才能解决问题。

冷却、散热器和热膨胀系数

冷却方法在设计中很容易被忽视，但在设计早期认真评估冷却要求常常能避免ECO。

一些冷却类型是水冷。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、图像或视频处理)的大型专用电脑板大部分要求采取水冷措施。

在使用散热器时，PCB或发热器件通常被连接到机箱上，以便向周围环境散发热量。很多时候像图6所示的散热器也常用于帮助散热。如果没有指定正确的散热器，那就可能产生工程更改单。这种工程更改单是必须开发和引入的，以便散热器成功地散热。



图6：像这样的散热器非常有助于散发一些器件产生的过多热量。

PCB设计师需要确保元器件在热性能方面匹配热膨胀系数(CTE)，并进行了所有相关的计算。他必须百分之百地确保不仅在器件和它们的封装尺寸之间相互匹配，而且匹配PCB材料(如FR4、罗杰斯或特氟纶)，以避免产生大量的热量，或产生器件与电路板之间热膨胀系数的差异。这种保证还可以防止出现层的剥离，而这种剥离常常导致缺陷的器件，或维持很高的电气温度，最终导致元器件或PCB烧坏。

作者简介：

Zulki Khan是NexLogic Technologies公司。在加入NexLogic公司之前，他是位于伊利诺州绍姆堡市的Imagineering有限公司总经理。他还负责高速PCB设计及信号完整性分析。Zulki Khan拥有N.E.D大学的学士学位和爱荷华大学的MBA学位，还是嵌入式系统行业杂志积极的特约作者。