为医疗电子产品设计小型、密集的布局

作者：Zulki Khan

随着电子技术的迅速发展以及对便携式产品需求的增加，随身携带的医疗器械以及紧凑型和无线设备在医院、医疗保健中心和急救车辆中变得越来越普遍。像这样的小尺寸产品基于紧凑的PCB，其紧密间隔的数字和模拟电路彼此相邻。

由于产品功能增加，紧凑型医疗电子设备的复杂性大大增加了PCB层数。随着技术的进步，这些小型设备现在比其台式机前身执行更多的电子功能。因此，执行信号路由的层数正在增加，以及其他功能。较新的紧凑型医疗设备通常需要包含10-12个PCB层的PCB，有时甚至更多。

设备萎缩

随着设备大小的减小，层和路由变得更加复杂。有源器件的尺寸正在缩小，并采用先进的封装，如球栅阵列（BGA）、四方扁平封装（QFP）和芯片级封装（CSP），增加了与小尺寸PCB相关的复杂性和难度。更多细间距BGA正被用于紧凑型医疗设备。MicroBGA 器件的间距范围从 0.5 mm 到 0.3 mm 不等，这使得组装过程极具挑战性。

电阻器和电容器等无源器件也在不断缩小。五年前，1206 和 0805 封装类型被频繁使用。如今，Äôs 0402 和 0201 封装的物理尺寸是早期设备封装的一半到四分之一。这些较小的封装可实现更小的布局，但通过昂贵的拾取和放置、表面贴装生产线和其他辅助返工站，使组装变得困难，并且需要相当的精度。

一次通过产生预期

考虑到令人生畏的产品挑战，PCB设计、制造和组装过程变得非常复杂。因此，审慎的医疗电子OEM必须仔细审查一次通过的产量，以确定有多少产品通过。同样，电子制造服务（EMS）提供商团队必须接受第一次就正确进行设计，制造和组装的口号。

一次通过良率对于紧凑型医疗电子设备的设计和组装更为重要，原因很简单，它们比大型产品更难制造和返工。一次通过良率过程在组装和测试完成后进行。评估测试覆盖率以确定故障率并执行故障分析。第一遍良率必须确保创建和应用正确的热曲线，元件极性准确，不使用缺失或错误的元件，分配足够的焊膏，并使用正确的助焊剂。

通常，原型水平的一次通过率应为75%或更高。然而，当涉及生命关键型产品时，医疗OEM厂商需要90%的一次通过率。这意味着经验丰富的EMS提供商必须制定一个流程来定期审查设计和装配数据，并进行必要的改进，以创造90%或更高的高一次通过率。

“一次通过产量”指标表示 EMS 提供商的 Äôs 设计和装配程序有多严格，以及为确保产品可靠性而实施的检查和平衡的效率。

设计注意事项

医疗产品的装配设计 （DFA） 在很大程度上依赖于多个团队的互动。分配给给定PCB项目的设计，制造，装配和组件采购团队必须精确调整到项目的“Äôs”规范。设计工程师必须充分了解某些装配方面，同样，装配工程师必须详细了解项目‘Äôs设计的复杂性，例如自动放置和检查问题以及返工要求。

这些团队一起工作可以在根本原因级别处理和解决大多数问题。例如，如果设计团队指定了一个组件，其延长的交货时间为 12 周或更长时间，则采购团队可以标记此问题并建议随时可用的替换组件。

高效的DFA需要解决以下注意事项：

应在PCB布局阶段全面部署足够的测试点，以便在飞针或ICT测试或直接探测期间完全访问和覆盖。医疗设备测试需要多个冗余测试点来精确捕获数据。如果需要，测试工程师通过访问两个或三个测试节点点来检查此覆盖范围。

在制造电路板时，重要的是要考虑镶板而不是一次制造一块电路板。当电路板尺寸相对较小时尤其如此，例如30平方英寸或更小。这种镶板（如图 2 所示）提高了制造和装配速度，从而降低了 OEM 成本。

在布局阶段放置元件时，如果可能的话，谨慎的做法是使用电路板的一侧而不是使用两侧。仅在一侧使用组件可降低装配和测试阶段的非经常性工程成本。它还加快了拾取和放置机器上的组件放置，并减少了ICT或飞针的组件测试时间，从而节省了OEM的金钱和时间。仅将组件放置在顶部还可以减少返工、质量控制和调试时间，所有这些都可以降低装配成本。

在PCB设计阶段，出于DFA考虑，所有机械因素都应牢记在心，例如为PCB设计至少两个（如果不是三个）安装孔。此外，应设计每个有源元件的基准标记，并在电路板上的丝印上明确定义极化元件上的极性。这种做法消除了在组件放置、测试和调试阶段可能出现的混淆，从而降低了生产成本。

在设计阶段指定组件的硬件工程师应尽可能多地使用经过时间测试和验证的组件。使用这些组件可减少调试和测试时间，并使医疗产品更加可靠和可预测。有效的DFA还要求使用常用的组件，其规格和功能已经在众多其他系统应用中一次又一次地得到验证。

另一个主要考虑因素涉及仔细监控与设备相关的特征和物理公差。以医疗产品的PCB制造过程中用于钻孔的钻机为例。钻入PCB的钻头可以蜿蜒或徘徊。DFA要求在这方面保持严格的公差，特别是如果设计了更小的孔尺寸，例如8密耳或更小。此外，保持多个对称组件的正确对齐也至关重要。如果涉及模块化设计，则必须保持所有模块相同，以便当IC放置在一个模块中时，相似的IC将相同地放置在第二，第三，第四和后续编号模块中。这对于小型且人口稠密的医疗产品尤其重要。

同样，电阻和电容器网络必须以类似的方式放置，以减少SMT机器编程和放置时间。在某些情况下，PCB可能大小不一或形状奇特。因此，在DFA中一开始就明确了这一特定功能，以便在装配过程中使用所需的夹具时，预先指定其局限性，以使装配过程顺利，更可预测和高效。

最后，设计、制造和装配说明方面的详细文档是DFA的一个重要方面。这种严格的程序可确保在制造和装配过程中正确执行设计的所有元素。如果涉及多个供应商，则准备充分的说明尤其重要;设计布局可以由一家公司执行，PCB制造可以由另一家公司执行，第三家公司进行组装阶段，第四家公司进行返工和测试。

混合信号设计

为了解决紧凑型医疗产品上混合信号设计的DFA问题，应确定明确定义和明确的策略，以便：

降低信噪比
根据元件位置正确定义电源和接地信号以及平面
屏蔽来自模拟段的高速数字信号

如果在布局时没有采用这些DFA策略，则产品可能会产生不可接受的噪音水平，并需要重新设计，从而花费更多的时间，资源和金钱。

每个混合信号板设计都是不同的，需要专业混合信号设计人员和紧凑型医疗设备OEM之间的交互式设计谈判。在PCB布局上设计混合信号元件时，某些考虑因素对于实现最佳性能至关重要。

混合信号设计非常困难，因为与数字元件相比，ADI器件具有不同的特性，例如不同的额定功率、电流和电压标注、散热要求和信号速度。因此，识别某些有问题的区域，然后在混合信号医疗设计中正确实施解决方案非常重要。

糟糕，更好，最好的布局

图 3

混合信号电路的PCB放置是更重要的DFA点之一。首先，观察错误的方法。如图3a所示，模拟和数字接地层之间的中间存在分离，表现为L形或S形图，走线穿过该分离。这是一个糟糕的布局，因为平面分离中的迹线不连续性和缺乏返回路径会导致噪声和交叉扰动。

缺少的是位于迹线下方的相应实体平面，以允许该迹线上的连续阻抗。此外，从模拟平面到数字平面的迹线交叉会阻止这些特定迹线的良好返回路径。一个好的DFA设计应该在模拟和数字接地层之间保持分离平面的明显分离，并在模拟分割平面下保持模拟迹线，在数字分割平面下保持数字迹线。否则，电路板上会产生噪声并发出信号恶化。

理想情况下，电路板的模拟部分必须在放置、布线和平面创建方面完全隔离。此外，模拟走线应仅在其模拟基准电源或接地层以下运行。相反，数字走线应运行在具有相应电源和接地层的数字部分下，如图3b所示。这样可以保持阻抗恒定，并为信号提供良好的返回路径。

然而，在某些情况下，由于PCB空间的机械和/或空间限制，完全的模拟和数字分离是不可能的。这里最好的方法是在单独的层上运行模拟和数字迹线。如果各层之间没有平面分隔，则经验法则是垂直运行它们以保持信号真实性。但它们永远不应该彼此平行运行。

图 5

图3c显示了以模数转换器（ADC）IC为例的最佳贴装方法。IC的一侧将模拟引脚正好放在模拟平面的顶部，而另一侧的数字引脚正好位于数字平面上。

当分离与本ADC IC示例一样精确和理想时，器件级的混合信号电路分离需要仔细的设计技术。以封装在BGA中的混合信号器件为例。器件中的模拟和数字电路以约15密耳宽的间隙隔离，因此所有模拟信号和迹线都在模拟侧，其对应的数字部分位于数字侧。

坚固的设计

对更坚固性、高质量、更高可靠性和更好良率的需求都与紧凑型医疗电子设备有关。ISO 9001：2000 和 ISO 13485 等 ISO 标准为 EMS 公司提供了额外的资格，以符合这些要求，并允许他们向医疗产品 OEM 保证高标准的产品质量。这些产品制造不需要这些ISO标准;但是，它们可以为医疗设备OEM提供更大的产品质量和可靠性保证。

虽然遵循这些标准很重要，但通过关注DFA过程的细节来超越标准，对紧凑型设备设计的成功产生了最终的影响。严格的DFA方法可以节省成本和空间，从而为生命攸关的产品提供坚固的PCB设计。