汽車(chē)電子設計中PCB的可靠性如何檢測？
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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。
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。
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。正如前文所述，仿真不僅節省開(kāi)發(fā)過(guò)程中的時(shí)間和費用，還能仿真出汽車(chē)苛刻環(huán)境中更長(cháng)期的濫用效應。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，包括：
模擬和數字信號完整性分析
電磁干擾
熱管理
電源完整性
振蕩和震動(dòng)
制造設計
利用了所有這些功能的一個(gè)慣例是：一位優(yōu)秀的設計人員將在整個(gè)設計過(guò)程中使用所有功能，而非等到最后（圖1）。直至過(guò)程結束時(shí)才開(kāi)始結合這些仿真結果來(lái)重新設計，浪費時(shí)間和精力并且容易妥協(xié)。將好的虛擬樣機整合進(jìn)行設計過(guò)程會(huì )引起過(guò)度設計（即采用極為保守的設計方法），但通常這樣的結果是增加產(chǎn)品成本以及損耗性能，同時(shí)還不能保證持續的可靠性。讓我們來(lái)看看產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中三例好的虛擬樣機做法。
圖1：虛擬原型應當在整個(gè)設計過(guò)程中都加以使用
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。因此我們需要在設計的各個(gè)階段一直采用虛擬樣機功能，以確保我們有一個(gè)熱可靠的產(chǎn)品。
首先IC供應商通常分析元件包裝并提供熱特性模型。接著(zhù)我們希望隨著(zhù)設計展開(kāi)對單機PCB進(jìn)行分析。PCB設計人員通常需要其工作部件布局的分析，進(jìn)而確定是否他們制造出了一塊很難被冷卻的板子。而且此工作不只是粗略的考慮到板子帶有的器件熱耗散和位置分布。由于散熱路徑很多（散熱器、電路板內層銅、傳遞、傳導和發(fā)散……），從PCB設計系統傳到熱分析的數據必須是完整的。分析軟件的設置和執行也必須相當直觀(guān)，因為你希望使用該軟件的PCB設計人員不必要是個(gè)熱學(xué)專(zhuān)家，并且不會(huì )延誤設計過(guò)程。
但是最終的虛擬樣機必須在能預期的汽車(chē)環(huán)境下對最終產(chǎn)品外殼里的單個(gè)或多個(gè)PCB工況下執行。這種分析常見(jiàn)于典型的機械計算機輔助設計(MCAD)系統對產(chǎn)品有完整物理定義的機械設計領(lǐng)域，完整定義包括外殼、安裝方法、散熱器和熱軌，及PCB等。PCB設計人員必須將PCB設計數據傳遞給機械設計人員，讓他們嵌入外殼。MCAD系統對元件及其引線(xiàn)等，以及完整產(chǎn)品的所有成分需要擁有完整的3D物理定義和熱特性。機械設計人員接著(zhù)使用明導的FloTHERM這類(lèi)軟件，運用計算流體力學(xué)并結合對流、輻射和熱傳導分析，來(lái)確定IC是否超出臨界溫度，以及是否可能引起可靠性或性能問(wèn)題。
FloTHERM如今已經(jīng)擴展到不僅能確定IC結溫溫度，還能給設計人員指導可能引起問(wèn)題的原因以及如何解決問(wèn)題。該軟件可找出“熱瓶頸”來(lái)顯示熱流路徑哪部分被限制。設計人員利用這一信息能找出可替代的元件安裝技術(shù)，以及PCB至外殼的更好熱傳導路徑等，從而緩解瓶頸。
另一個(gè)有價(jià)值的做法是確定“熱捷徑”，其能指出可加快散熱的潛在可能性設計方案。圖2的例子顯示了高熱IC的原始問(wèn)題以及解決問(wèn)題的捷徑確定。這種情況下在IC和外殼之間增加填充墊，能形成更直接的環(huán)境熱傳遞路徑。這個(gè)簡(jiǎn)單的變化能使IC溫度降低74%。
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