PCB可靠性在汽車(chē)中的應用

1.前言、背景

　　汽車(chē)電子其實(shí)并非與其它復雜電子產(chǎn)品完全不同：多個(gè)中央處理器、網(wǎng)絡(luò )、實(shí)時(shí)數據收集，以及極為復雜的PCB。汽車(chē)行業(yè)的設計壓力與其它類(lèi)型的電子產(chǎn)品相似：設計時(shí)間短，市場(chǎng)競爭激烈。那么汽車(chē)電子與例如一些高端娛樂(lè )產(chǎn)品電子之間有什么區別？天壤之別！如果PCB在娛樂(lè )產(chǎn)品中發(fā)生故障，人們的性命不受威脅；但要是在汽車(chē)中發(fā)生故障，人們的性命就岌岌可危了。因此，汽車(chē)電子部件的可靠性設計是設計過(guò)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)間和費用壓力

　　與承受著(zhù)設計時(shí)間和開(kāi)發(fā)費用壓力的所有產(chǎn)品一樣，汽車(chē)部件也不例外。一項開(kāi)發(fā)實(shí)踐能給電子產(chǎn)品公司滿(mǎn)足這些基本商業(yè)目標提供很大幫助，它是使用虛擬樣機來(lái)對設計進(jìn)行分析，并且無(wú)需費用和時(shí)間來(lái)建立多種物理樣機，測試這些模型以及根據測試結果做出遞增修改。另外，影響產(chǎn)品可靠性的許多因素需要經(jīng)過(guò)數周、數月或者數年的物理破壞才能發(fā)現。因此這些情況下的物理樣機不是可行的方式。即使在實(shí)驗艙內，你也不可能精準無(wú)誤地復制數年的物理振蕩、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，已經(jīng)成為了設計過(guò)程中越來(lái)越重要的步驟。正如明導電子的Expedition Enterprise一樣，一個(gè)復雜的PCB系統設計解決方案含有多種形式的虛擬樣機功能。

　　圖1–虛擬原型應當在整個(gè)設計過(guò)程中都加以使用，從而減少循環(huán)時(shí)間和費用，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(guò)熱會(huì )隨時(shí)間出現問(wèn)題，汽車(chē)環(huán)境也會(huì )變得非常無(wú)情。例如，過(guò)熱發(fā)動(dòng)機艙里的部件，或開(kāi)車(chē)經(jīng)過(guò)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(kāi)始，貫穿PCB，直至運行環(huán)境下的完整產(chǎn)品，都應能控制熱度。

　　圖2–確定熱捷徑能引導設計人員做出改變，使散熱發(fā)生很大變化。

　　在PCB設計和機械設計領(lǐng)域使用復雜熱分析能帶來(lái)更好的熱管理和可靠性，且無(wú)需建立和測試多種物理樣機。這節約了大量時(shí)間和費用。另外，有了與設計系統緊密整合的方便易用的軟件，設計人員能快速利用多種“假設”場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)驗，并獲得性能更好的解決方案。

　　d.高加速壽命測試

　　車(chē)輛出現可靠性問(wèn)題的另一原因是PCB的持續振動(dòng)及隨后出現的組件引線(xiàn)和附件故障。一般可通過(guò)構建樣機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，以檢測是否出現故障。隨著(zhù)設計的進(jìn)展，這種方法需要構建多個(gè)樣機，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汽車(chē)零部件預期壽命的模擬。這是一項非常耗時(shí)且費用極高的過(guò)程，因此可靠性增強測試可能并不完整和全面。

　　目前有軟件可以在虛擬樣機模式下開(kāi)展同樣的測試。設計人員可利用這種軟件對PCB進(jìn)行界定并輕松開(kāi)展損耗仿真實(shí)驗。該軟件可在幾小時(shí)內完成復雜的分析，并指出可能出現的故障（圖3）。

　　圖3：明導的H.A.L.T.軟件可以在數小時(shí)內完成振蕩、震動(dòng)和溫度循環(huán)故障分析，而在測試室內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)品設計中，電源完整性是一項越來(lái)越復雜的問(wèn)題。

　　圖4：明導的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的長(cháng)期印刷電路板故障

　　空間狹窄可導致嚴重的可靠性問(wèn)題，而這一問(wèn)題可能幾年后才會(huì )顯現。電流過(guò)高會(huì )使空間溫度上升，從而導致PCB像保險絲一樣燒壞或爆板。而目前可在軟件中對這些配電網(wǎng)進(jìn)行分析，并可確定虛擬樣機和高電平電流密度空間。然后設計人員便能夠對空間進(jìn)行擴大或在相鄰層創(chuàng )建平行電流路徑，從而在維持IC充足電流供應的同時(shí)解決這一問(wèn)題。

　　在測試室內通過(guò)使用物理樣機對電流密度問(wèn)題進(jìn)行測試并不實(shí)際，因為它可能在幾年后才能引發(fā)故障。而問(wèn)題可能永遠不會(huì )顯現出來(lái)，導致隨后出現這方面的故障。

　　3.研究報告總結

　　可靠性在汽車(chē)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環(huán)境中相對于測試室內的物理樣機進(jìn)行分析的方法顯得愈發(fā)必要。目前因軟件的存在，從而使電子和機械設計人員可進(jìn)行更多的模擬仿真方案。