電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)廠商 Mentor Graphics（明導(dǎo)國(guó)際）近日發(fā)布一份題為《PCB可靠性在汽車應(yīng)用中至關(guān)重要》的研究報(bào)告。中文版的報(bào)告全文可在 Mentor Graphics 的官方網(wǎng)站閱讀和下載： http://mentorg.com.cn/aboutus/view.php?id=185
1.報(bào)告作者介紹
市場(chǎng)開發(fā)部總監(jiān)JohnIsaac先生在電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化行業(yè)擁有超過(guò)40年的從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，專攻 PCB 和 IC 技術(shù)。職業(yè)生涯之初，他就職于 IBM, 主要負(fù)責(zé)用于 IBM 高端IC和PCB內(nèi)部設(shè)計(jì)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化系統(tǒng)的開發(fā)。之后 Isaac 先生加盟明導(dǎo)，在PCB和IC產(chǎn)品部門擔(dān)任多個(gè)營(yíng)銷職位。目前他主要負(fù)責(zé)該公司系統(tǒng)設(shè)計(jì)部門的全球市場(chǎng)開發(fā)工作。
2.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(lè)產(chǎn)品電子之間有什么區(qū)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(guò)程中需要考慮的一個(gè)主要方面。
3.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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)熱會(huì)隨時(shí)間出現(xiàn)問(wèn)題，汽車環(huán)境也會(huì)變得非常無(wú)情。例如，過(guò)熱發(fā)動(dòng)機(jī)艙里的部件，或開車經(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。
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(wèn)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(guò)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(guò)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）。
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(wèn)題。
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(wèn)題，而這一問(wèn)題可能幾年后才會(huì)顯現(xiàn)。電流過(guò)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(wèn)題。
在測(cè)試室內(nèi)通過(guò)使用物理樣機(jī)對(duì)電流密度問(wèn)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(wèn)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。
4.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。
關(guān)于 Mentor Graphics
Mentor Graphics 集團(tuán)（納斯達(dá)克代碼：MENT）是電子硬件和軟件設(shè)計(jì)解決方案的全球領(lǐng)導(dǎo)者，為世界上最成功的電子和半導(dǎo)體公司提供優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品、咨詢服務(wù)和支持，所提供的支 持曾多次獲獎(jiǎng)。公司成立于1981年，在過(guò)去的12個(gè)月中實(shí)現(xiàn)營(yíng)業(yè)收入約10.15億美元。公司總部地址：8005 S.W. Boeckman Road, Wilsonville, Oregon 97070-7777（美國(guó)俄勒岡州）。官方網(wǎng)站： http://www.mentor.com 。