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如何避免嵌入式PCB工程變更的設計途徑

上網時間: 2014年03月06日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:工程變更  濕度敏感程度  可測試設計  散熱設計  ECO 

作者:Zulki Khan,NexLogic Technologies總裁兼創辦人

工程變更訂單(ECO)經常使得設計成本增加,造成產品開發延遲,從而導致昂貴的產品上市時程延緩。然而,透過仔細關注經常發生問題的七個關鍵領域,可以避免大多數的ECO。這七大領域是元件選擇、記憶體、濕度敏感等級(MSL)、可測試設計(DFT)、冷卻技術、散熱片以及熱膨脹係數(CTE)。

元件選擇

為了避免ECO,全面通讀元件規格表至關重要。PCB設計者一般都會例行檢查元件的電氣和工程數據以及產品壽命和可用性。但當元件在市場推廣的早期階段,資料表上可能還無法包括全部的關鍵指標。如果元件上市才幾個月,或者只能提供小量樣品,那麼目前可取得的可靠性數據並不具有普遍性或不夠詳細,最後可能無法提供充份可靠的數據或現場故障率的品質保證數據。

更重要的是不要輕信規格表中所寫的表面數據,而是要積極聯繫元件供應商,盡可能多方了解元件的特性以及如何將這些特性應用於設計中。

元件所需處理的最大期望電流或電壓就是一個很好的例子。如果所選的元件不足以足夠的電流或電壓,那麼元件很可能燒壞。圖1顯示的是一個燒壞了的電容器。

元件選擇不當導致大量電流或電壓流經電路,將會發生像這個燒融電容器的損壞情形。
元件選擇不當導致大量電流或電壓流經電路,將會發生像這個燒融電容器的損壞情形。

讓我們看另外一個例子──閘格陣列(LGA)封裝的元件。除了電氣和機械限制以外,你可能還需要考慮建議使用的助焊劑類型、是否允許回流焊溫度以及所容許的焊點空洞程度。

目前還沒有專門的IPC標準適用於與LGA元件有關的空洞準則。在一些情況下,空洞等級最高為30%的LGA元件被認為是可靠的。然而,一般來說,最大為25%的較低空洞級更好,20%更好。圖2顯示空洞級為20.41%的焊球,這是IPC Class II標準所能接受的準則。

IPC Class II可接受空洞等級為20.41%的焊球。
IPC Class II可接受空洞等級為20.41%的焊球。

在缺少空洞數據時,設計工程師必須依靠他們的經驗、技巧與常識,利用不會很快停產以及擁有多種來源管道而能輕易地在市場上找到的元件來展開設計。

在元件選擇過程中進行更多的分析和計算同樣非常重要,例如計算峰值性能時的電流或電壓。一款元件可能被指定用於某種峰值溫度和電流值。然而,針對特定的設計,PCB設計者必須採取行動以確保親自進行這些重要的計算過程。

工程師不僅要負責計算單個元件,而且要考慮在特定設計中使用該元件與其它元件之間的關係。舉例來說,這種計算對於散熱較高的類比元件來說尤其重要。例如有許多類比元件就彼此相鄰地放置在電路板的同一側。這些元件會產生相當大的功率,從而釋放較電路板另一側(自然是數位元件)更高的熱量。在這種情況下,插滿了類比元件的那一面電路板可能產生阻焊層剝離的現象。

元件電路的類比部份會產生大量的熱。過熱可能導致阻焊層剝離,在最壞情況下,可能燒壞元件。圖3顯示電路板的阻焊層剝離現象。

散熱差可能導致PCB阻焊層的剝離。
散熱差可能導致PCB阻焊層的剝離。

設計與佈局工程師在佈局設計階段必須合作展開元件佈局,避免將元件放置得太靠近電路板邊緣,或太靠近另一個元件而未留出足夠的間距。在電腦上很容易設計元件佈局,但如果在佈局時未能精確地製作元件封裝,那麼貼片機可能無法完美地將這些元件緊鄰放置。例如,圖4顯示元件稍微突出電路板的情況。

連接器邊緣稍突出於電路板的邊緣。
連接器邊緣稍突出於電路板的邊緣。

記憶體的選擇

同樣的原則也適用於記憶體的選擇。由於不斷有新一代更先進的DRAM和快閃記憶體上市,對於PCB設計者而言,如何始終走在技術前端、隨時準確判斷不斷變化中的記憶體規格如何影響更新的設計,可說是一項極具挑戰性的任務。

例如DDR2世代DRAM有別於今天的DDR3元件,而DDR3元件也將迥異於未來的DDR4 DRAM。JEDEC已經在去年宣佈發行DDR4標準JESD79-4了。據市場調查公司iSuppli透露,DDR3 DRAM在目前DRAM市場中所佔比例為85%至90%。不過該公司也預測,新推出的DDR4在2014年將佔有12%的比例,2015年時可望迅速成長到56%。

PCB設計者必須隨時關注DDR4的崛起,並與OEM客戶保持密切合作,因為他們在推出下一代嵌入式系統時很可能就內建DDR4 DRAM。他們必須有效掌握新的特性和功能動態,以避免設計時的自滿而導致工程變更訂單。另一件需要注意的事是記憶體價格會產生波動。

濕度敏感等級

濕度敏感等級(MSL)很容易被忽略。如果OEM在設計時未顧及MSL,未能正確處理關鍵的MSL規格,那麼用戶很可能也不會考慮MSL資訊,導致電路在現場使用時可能無法正常作業。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,烘烤作業可能無法確實進行,濕氣可能趁虛而入,最終導致工程變更訂單。甚至在涉及LGA時,PCB組裝公司將不得不替換掉PCB上的這些封裝。圖5是元件的一個MSL標籤,上面標明敏感等級為5,並註明了密封日期和烘烤指南。

元件的MSL標籤註明了敏感等級5、密封日期和烘烤指南。
元件的MSL標籤註明了敏感等級5、密封日期和烘烤指南。

可測試設計

可測試設計(DFT)對於生產過程中展開PCB測試和除錯來說非常重要。在將元件佈局到電路板時,重要的是密切留意DFT探測點的佈局位置,以及探棒接觸過孔、焊墊以及其它測試點的角度。

在最初設計的早期階段,還未能進行DFT時,測試成為一項重大問題,而ECO也可能因此產生。在一些極端情況下,如果無法解決ECO的話,就必須重新進行設計。

冷卻、散熱片和熱膨脹係數

冷卻方法在設計中很容易被忽視,但如能在設計早期仔細評估冷卻要求經常能避免ECO。

一些冷卻類型是水冷法。舉例來說,含有大量BGA和微處理器、用於數據密集應用(如動畫、圖像或視訊處理)的大型專用電腦電路板大部份都要求採取水冷措施。

在使用散熱片時,PCB或發熱元件通常被連接到機箱上,以便於向周遭環境散熱。很多時候像圖6所示的散熱片也常用於幫助散熱。如果沒有指定正確的散熱片,就可能產生工程變更訂單。這種工程變更訂單必須加以開發以及導入,才能使散熱片成功地散熱。

像這樣的散熱片十分有助於為元件產生的過多熱量散熱。
像這樣的散熱片十分有助於為元件產生的過多熱量散熱。

PCB設計者還必須確保元件在熱性能方面匹配熱膨脹係數(CTE),並進行所有相關的計算。他必須百分之百地確保不僅在元件與其封裝尺寸之間相互匹配,而且也要搭配合用的PCB材料,如FR4、陶瓷板(Rogers)或特氟龍(Teflon),以避免產生大量的熱,或產生元件與電路板之間熱膨脹係數差異。此外,這也能確保防止出現夾層剝離,以及避免夾層剝離導致元件缺陷,或持續高電氣溫度,最終導致元件或PCB燒壞。

(參考原文:Seven ways to avoid embedded PCB engineering change orders,by Zulki Khan)





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