小迅课堂 | 极端环境电子产品PCB设计、制造和组装

作者: 迅得电子
发布日期: 2019-01-21 15:08:00

极端环境电子产品的生产涉及电路板布局设计、生产以及组装的一系列关键步骤。一旦得到OEM的认可,口碑良好的电子服务制造商就应该提升自身极端环境电路板的板子规格。只要电子生产服务供应商提供的服务超过OEM的最低要求,并采取相应的安全措施,那么他们生产的板子和终端电子产品无论处在何种环境、地域或者温度下,都能够保持高性能和高可靠性。



提升电子产品可靠性和安全性,可以从这几方面入手:PCB布局设计、PCB生产和PCB组装。电子服务供应商应该让OEM客户充分解释提升板子规格的重要性,而且,供应商应该得到OEM的许可,以便能够使用更新的规格文件继续生产,这在任何情况下都是十分重要的。



PCB设计


一块板子的工作电流设计为5安培,但是,在PCB布局仿真之前,最好加一个缓冲器作为工作电流的预警。这样一来,一旦板子暴露在极端炎热或者恶劣的环境中,它的工作电流就会上升至6到7安培,达到了自身原本规格的极限。



当然,如果该板设计为6层板,那么应该考虑给板子再添加两层。一旦不同层的信号路径之间有发生串扰的可能,那么增加的两层能够提供更多的地层。为PCB增加层数的目的在于保证信号清爽无串扰或者无混合信号干扰,并且保证信号的信噪比处在可接受的范围。地层越稳定,信号彼此分离得越好。相反,假如一个信号层上有多个电源层或者分离层,这些层是不会为线路提供稳定的地层用于限制噪声和串扰的。通过增加电流和增加地层数量的设计,你可以将板子的可靠性提升大约1520%。



在重点线路上(尤其时钟线路上)增加屏蔽,也能将板子的可靠性提升约1520%。对于射频线路来说,增加铝屏蔽能够让敏感信号相互分离,使信号传递变得干净利落。



屏蔽罩通过阻止数码信号从A点流到B点,从而达到保护敏感信号的目的,保证数码信号不与板子上的模拟信号混合,影响信号完整性。这种协助制造干净信号,降低串扰的方法可以为板子提供更多的保护。



其它主要设计方面还包括:增设多个冗余模式和高可用性,元器件选取,反馈回路,监测电路,和模拟/数字信号的额外保护及预警。



拥有内置冗余的好设计即使暴露在极端环境中,也能有效、可靠地工作。在这种条件下,多模式或者冗余模式的功能是相同的,相对于产品的高品质和高可靠性来说,成本已经不是最大的问题了。



一个模块作为电路的主要信号发生器。一旦这个原始的模块失效了,一个完全相同的信号发生器或者备份信号模块会插入进来,获得稳定、连续的操作。有很多不同种类极端环境的应用需要多个模块,两个典型的例子就是军工/航空电子以及油井深钻设备,这些产品都需要冗余和准确的精度。



通常情况下,电子元器件可以分成军工类和商业类,选择正确的类型能够满足极端环境的要求,这点十分重要。军工类型的电子元器件价格更高,因为它们制造的时候使用了极其严格的公差和表面处理工艺,这些能够保证它们在极端恶劣的环境中正常工作。为达到高可靠性要求,最好使用公差只有12%的军工类元器件。元器件封装材料选择至关重要。带有镀银或者镀金引脚的元器件更能应对恶劣环境,价格较低、带有铅合金和铜合金引脚的元器件更适合商业应用。



这样看来,仔细研究规格表是很重要的,因为元器件制造商通常不会特别区分军工和商业等级。因此,EMS供应商和合约制造商需要掌握电子电路方面的专业知识,这样他们能够读懂厚厚的数据表,理解军工和商业规格的区别,不同的操作评级和公差,最终使产品满足极端环境的要求。



在设计极端环境电路时,应当把反馈回路考虑进去。信号在远处连续不断地检测和监测,反馈回路会提供关键数据。对于高度复杂的系统来说,反馈回路能够提供实时信息,必要时能够采取及时的修正措施。



漏电一定不属于设计范围内的,会降低产品在恶劣环境中的性能、可靠性和重复性。信噪比,漏电量和串扰必须严格控制,设计时要格外小心。



电路板生产


电路板生产和布局都需要充分考虑材料选择。在为极端环境中使用的电路板确定材料时,要选择耐高温材料,如FR4-008或者是聚酰亚胺基材,这些材料能够耐得住更高的温度,在极端环境中不会分层,也不会导致阻焊膜脱落。



产品应该在具有军工规格认证的电路板工厂进行生产,这样能够保证电路板的最优质量。由于极端环境中常常遇到多余热量和温度波动,板翘曲需要特别注意。翘曲会切断线路连接,破坏焊点,造成应用故障。



电路板组装


跟常规电路板相比,商业应用的电路板组装需要更具有可重复性和可靠性。为了达到可重复性、可靠性和流程控制,使用拾放机放置元器件比手动放置更加高效。同样的道理也适用于电路板组装流程中的其它自动化步骤。使用自动光学检测系统,锡膏厚度检查仪,热性能分析仪以及其它组装设备可以让操作人员避免一些因为疏忽而导致的问题,这些问题会造成产品质量低,可靠性低。借助矫正完好的机器和设备,组装流程可重复性更高,可靠性更高,产品质量更加可控。



进行仿真后,确认不同组装步骤的完成情况需要严格的指导规则,该过程是在专业的环境测试实验室内进行。首件通常要进行各种测试,包括温度循环测试,掉落以及抖动测试,机械强度测试等。所有这些测试都要在产品开发的最初阶段进行,让问题在早期就得到解决。



总之,想要生产极端环境电子产品,成本需要增加,这一点OEM需要了解。要选择能够提供设计、生产和组装一站式服务的合同制造商或者EMS供应商,因为他们能够充分满足恶劣环境中电子产品的高要求,达到事半功倍的效果。除此之外,拥有生产认证的电子供应商有能力提供高质量PCB电路板和组装产品,比如IPC三级,ROHS等。

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