PCB可靠性在汽車中的應(yīng)用

　　1.前言、背景

　　汽車電子其實(shí)并非與其它復(fù)雜電子產(chǎn)品完全不同：多個(gè)中央處理器、網(wǎng)絡(luò)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集，以及極為復(fù)雜的PCB。汽車行業(yè)的設(shè)計(jì)壓力與其它類型的電子產(chǎn)品相似：設(shè)計(jì)時(shí)間短，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈。那么汽車電子與例如一些高端娛樂產(chǎn)品電子之間有什么區(qū)別？天壤之別！如果PCB在娛樂產(chǎn)品中發(fā)生故障，人們的性命不受威脅；但要是在汽車中發(fā)生故障，人們的性命就岌岌可危了。因此，汽車電子部件的可靠性設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)過程中需要考慮的一個(gè)主要方面。

　　2.全文要點(diǎn)與大綱如下：

　　a.時(shí)間和費(fèi)用壓力

　　與承受著設(shè)計(jì)時(shí)間和開發(fā)費(fèi)用壓力的所有產(chǎn)品一樣，汽車部件也不例外。一項(xiàng)開發(fā)實(shí)踐能給電子產(chǎn)品公司滿足這些基本商業(yè)目標(biāo)提供很大幫助，它是使用虛擬樣機(jī)來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，并且無(wú)需費(fèi)用和時(shí)間來(lái)建立多種物理樣機(jī)，測(cè)試這些模型以及根據(jù)測(cè)試結(jié)果做出遞增修改。另外，影響產(chǎn)品可靠性的許多因素需要經(jīng)過數(shù)周、數(shù)月或者數(shù)年的物理破壞才能發(fā)現(xiàn)。因此這些情況下的物理樣機(jī)不是可行的方式。即使在實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)，你也不可能精準(zhǔn)無(wú)誤地復(fù)制數(shù)年的物理振蕩、熱環(huán)境、震動(dòng)和溫度循環(huán)破壞。

　　b.仿真是關(guān)鍵

　　仿真，或者說(shuō)虛擬樣機(jī)，已經(jīng)成為了設(shè)計(jì)過程中越來(lái)越重要的步驟。正如明導(dǎo)電子的Expedition Enterprise一樣，一個(gè)復(fù)雜的PCB系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決方案含有多種形式的虛擬樣機(jī)功能。

　　圖1–虛擬原型應(yīng)當(dāng)在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中都加以使用，從而減少循環(huán)時(shí)間和費(fèi)用，以及制造出一種可靠的產(chǎn)品。

　　c.熱控制

　　影響可靠性的最關(guān)鍵的一點(diǎn)（這里是就性能而言）是熱。集成電路（IC）過熱會(huì)隨時(shí)間出現(xiàn)問題，汽車環(huán)境也會(huì)變得非常無(wú)情。例如，過熱發(fā)動(dòng)機(jī)艙里的部件，或開車經(jīng)過從密歇根州冬季直至亞利桑那州夏季這樣的氣候。從IC封裝開始，貫穿PCB，直至運(yùn)行環(huán)境下的完整產(chǎn)品，都應(yīng)能控制熱度。

　　圖2–確定熱捷徑能引導(dǎo)設(shè)計(jì)人員做出改變，使散熱發(fā)生很大變化。

　　在PCB設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域使用復(fù)雜熱分析能帶來(lái)更好的熱管理和可靠性，且無(wú)需建立和測(cè)試多種物理樣機(jī)。這節(jié)約了大量時(shí)間和費(fèi)用。另外，有了與設(shè)計(jì)系統(tǒng)緊密整合的方便易用的軟件，設(shè)計(jì)人員能快速利用多種“假設(shè)”場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并獲得性能更好的解決方案。

　　d.高加速壽命測(cè)試

　　車輛出現(xiàn)可靠性問題的另一原因是PCB的持續(xù)振動(dòng)及隨后出現(xiàn)的組件引線和附件故障。一般可通過構(gòu)建樣機(jī)并將它們放置在加速室，使PCB發(fā)生振動(dòng)和溫度循環(huán)試驗(yàn)，以檢測(cè)是否出現(xiàn)故障。隨著設(shè)計(jì)的進(jìn)展，這種方法需要構(gòu)建多個(gè)樣機(jī)，并且通常需要幾周甚至幾個(gè)月的時(shí)間才能完成在加速室對(duì)汽車零部件預(yù)期壽命的模擬。這是一項(xiàng)非常耗時(shí)且費(fèi)用極高的過程，因此可靠性增強(qiáng)測(cè)試可能并不完整和全面。

　　目前有軟件可以在虛擬樣機(jī)模式下開展同樣的測(cè)試。設(shè)計(jì)人員可利用這種軟件對(duì)PCB進(jìn)行界定并輕松開展損耗仿真實(shí)驗(yàn)。該軟件可在幾小時(shí)內(nèi)完成復(fù)雜的分析，并指出可能出現(xiàn)的故障（圖3）。

　　圖3：明導(dǎo)的H.A.L.T.軟件可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)完成振蕩、震動(dòng)和溫度循環(huán)故障分析，而在測(cè)試室內(nèi)則需要幾周甚至幾個(gè)月的時(shí)間。

　　e.電源完整性分析保證高可靠性

　　在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，電源完整性是一項(xiàng)越來(lái)越復(fù)雜的問題。

　　圖4：明導(dǎo)的HyperLynx電源完整性分析可確定高電平電流密度空間和可能出現(xiàn)的長(zhǎng)期印刷電路板故障

　　空間狹窄可導(dǎo)致嚴(yán)重的可靠性問題，而這一問題可能幾年后才會(huì)顯現(xiàn)。電流過高會(huì)使空間溫度上升，從而導(dǎo)致PCB像保險(xiǎn)絲一樣燒壞或爆板。而目前可在軟件中對(duì)這些配電網(wǎng)進(jìn)行分析，并可確定虛擬樣機(jī)和高電平電流密度空間。然后設(shè)計(jì)人員便能夠?qū)臻g進(jìn)行擴(kuò)大或在相鄰層創(chuàng)建平行電流路徑，從而在維持IC充足電流供應(yīng)的同時(shí)解決這一問題。

　　在測(cè)試室內(nèi)通過使用物理樣機(jī)對(duì)電流密度問題進(jìn)行測(cè)試并不實(shí)際，因?yàn)樗赡茉趲啄旰蟛拍芤l(fā)故障。而問題可能永遠(yuǎn)不會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)，導(dǎo)致隨后出現(xiàn)這方面的故障。

　　3.研究報(bào)告總結(jié)

　　可靠性在汽車電子中非常重要，而如今鑒于來(lái)自產(chǎn)品上市時(shí)間和成本縮減的壓力，采取在軟件虛擬樣機(jī)環(huán)境中相對(duì)于測(cè)試室內(nèi)的物理樣機(jī)進(jìn)行分析的方法顯得愈發(fā)必要。目前因軟件的存在，從而使電子和機(jī)械設(shè)計(jì)人員可進(jìn)行更多的模擬仿真方案。