PCB在汽车电子可靠性设计中的重要性

　　作者：John Isaac，明导电子 市场开发部总监

　　汽车电子其实并非与其它复杂电子产品完全不同：多个中央处理器、网络、实时数据收集，以及极为复杂的PCB。汽车行业的设计压力与其它类型的电子产品相似：设计时间短，市场竞争激烈。那么汽车电子与例如一些高端娱乐产品电子之间有什么区别？天壤之别！如果PCB在娱乐产品中发生故障，人们的性命不受威胁；但要是在汽车中发生故障，人们的性命就岌岌可危了。因此，汽车电子部件的可靠性设计是设计过程中需要考虑的一个主要方面。

　　时间和费用压力

　　与承受着设计时间和开发费用压力的所有产品一样，汽车部件也不例外。一项开发实践能给电子产品公司满足这些基本商业目标提供很大帮助，它是使用虚拟样机来对设计进行分析，并且无需费用和时间来建立多种物理样机，测试这些模型以及根据测试结果做出递增修改。另外，影响产品可靠性的许多因素需要经过数周、数月或者数年的物理破坏才能发现。因此这些情况下的物理样机不是可行的方式。即使在实验舱内，你也不可能精准无误地复制数年的物理振荡、热环境、震动和温度循环破坏。

　　仿真是关键

　　仿真，或者说虚拟样机，已经成为了设计过程中越来越重要的步骤。正如前文所述，仿真不仅节省开发过程中的时间和费用，还能仿真出汽车苛刻环境中更长期的滥用效应。正如明导电子的Expedition Enterprise一样，一个复杂的PCB系统设计解决方案含有多种形式的虚拟样机功能，包括：

　　●模拟和数字信号完整性分析

　　●电磁干扰

　　●热管理

　　●电源完整性

　　●振荡和震动

　　●制造设计

　　利用了所有这些功能的一个惯例是：一位优秀的设计人员将在整个设计过程中使用所有功能，而非等到最后（图1）。直至过程结束时才开始结合这些仿真结果来重新设计，浪费时间和精力并且容易妥协。将好的虚拟样机整合进行设计过程会引起过度设计（即采用极为保守的设计方法），但通常这样的结果是增加产品成本以及损耗性能，同时还不能保证持续的可靠性。让我们来看看产品开发过程中三例好的虚拟样机做法。

　　

　　图1：虚拟原型应当在整个设计过程中都加以使用，从而减少循环时间和费用，以及制造出一种可靠的产品。

　　热控制

　　影响可靠性的最关键的一点（这里是就性能而言）是热。集成电路（IC）过热会随时间出现问题，汽车环境也会变得非常无情。例如，过热发动机舱里的部件，或开车经过从密歇根州冬季直至亚利桑那州夏季这样的气候。从IC封装开始，贯穿PCB，直至运行环境下的完整产品，都应能控制热度。因此我们需要在设计的各个阶段一直采用虚拟样机功能，以确保我们有一个热可靠的产品。

　　首先IC供应商通常分析元件包装并提供热特性模型。接着我们希望随着设计展开对单机PCB进行分析。PCB设计人员通常需要其工作部件布局的分析，进而确定是否他们制造出了一块很难被冷却的板子。而且此工作不只是粗略的考虑到板子带有的器件热耗散和位置分布。由于散热路径很多（散热器、电路板内层铜、传递、传导和发散……），从PCB设计系统传到热分析的数据必须是完整的。分析软件的设置和执行也必须相当直观，因为你希望使用该软件的PCB设计人员不必要是个热学专家，并且不会延误设计过程。

　　但是最终的虚拟样机必须在能预期的汽车环境下对最终产品外壳里的单个或多个PCB工况下执行。这种分析常见于典型的机械计算机辅助设计（MCAD）系统对产品有完整物理定义的机械设计领域，完整定义包括外壳、安装方法、散热器和热轨，及 PCB等。PCB设计人员必须将PCB设计数据传递给机械设计人员，让他们嵌入外壳。MCAD系统对元件及其引线等，以及完整产品的所有成分需要拥有完整的3D物理定义和热特性。机械设计人员接着使用明导的FloTHERM这类软件，运用计算流体力学并结合对流、辐射和热传导分析，来确定IC是否超出临界温度，以及是否可能引起可靠性或性能问题。

　　FloTHERM如今已经扩展到不仅能确定IC结温温度，还能给设计人员指导可能引起问题的原因以及如何解决问题。该软件可找出“热瓶颈”来显示热流路径哪部分被限制。设计人员利用这一信息能找出可替代的元件安装技术，以及PCB至外壳的更好热传导路径等，从而缓解瓶颈。

　　另一个有价值的做法是确定“热捷径”，其能指出可加快散热的潜在可能性设计方案。图2的例子显示了高热IC的原始问题以及解决问题的捷径确定。这种情况下在IC和外壳之间增加填充垫，能形成更直接的环境热传递路径。这个简单的变化能使IC温度降低74%。

　　

　　图2：确定热捷径能引导设计人员做出改变，使散热发生很大变化。

　　在PCB设计和机械设计领域使用复杂热分析能带来更好的热管理和可靠性，且无需建立和测试多种物理样机。这节约了大量时间和费用。另外，有了与设计系统紧密整合的方便易用的软件，设计人员能快速利用多种“假设”场景进行实验，并获得性能更好的解决方案。

　　高加速寿命测试

　　车辆出现可靠性问题的另一原因是PCB的持续振动及随后出现的组件引线和附件故障。一般可通过构建样机并将它们放置在加速室，使PCB发生振动和温度循环试验，以检测是否出现故障。随着设计的进展，这种方法需要构建多个样机，并且通常需要几周甚至几个月的时间才能完成在加速室对汽车零部件预期寿命的模拟。这是一项非常耗时且费用极高的过程，因此可靠性增强测试可能并不完整和全面。

　　目前有软件可以在虚拟样机模式下开展同样的测试。设计人员可利用这种软件对PCB进行界定并轻松开展损耗仿真实验。该软件可在几小时内完成复杂的分析，并指出可能出现的故障（图3）。可对这些故障进行校正，并在新的设计版本中重新开展模拟。这种反复的过程可迅速获得合适的可靠性解决方案。以色列国防部早期成功将该软件部署在他们的新一代战车上。如果该软件可以在战车的极端环境下都对可能出现的故障进行分析，那么我将信赖其应用在我的汽车上。

　　

　　图3：明导的H.A.L.T. 软件可以在数小时内完成振荡、震动和温度循环故障分析，而在测试室内则需要几周甚至几个月的时间。

　　电源完整性分析保证高可靠性

　　在电子产品设计中，电源完整性是一项越来越复杂的问题。几年前，所有的IC都是在5伏的电压下工作，您只需要一个5V电源和接地层即可为零部件提供充足稳定的电源。而如今，IC可在多个电压模式下工作，电压可低至0.9伏。因此，单个印刷电路板需要多个复杂的配电网来提供这些电压和地线。为节省成本，计算机辅助设计人员不得不将这些多个配电网（PDN）放入尽可能少的接地层中。结果可能会出现像图4一样的配电网，内部空间非常狭窄（颈部起伏），但又需要为 IC提供高电平电流。

　　

　　图4：明导的HyperLynx电源完整性分析可确定高电平电流密度空间和可能出现的长期印刷电路板故障

　　空间狭窄可导致严重的可靠性问题，而这一问题可能几年后才会显现。电流过高会使空间温度上升，从而导致PCB像保险丝一样烧坏或爆板。而目前可在软件中对这些配电网进行分析，并可确定虚拟样机和高电平电流密度空间。然后设计人员便能够对空间进行扩大或在相邻层创建平行电流路径，从而在维持IC充足电流供应的同时解决这一问题。

　　在测试室内通过使用物理样机对电流密度问题进行测试并不实际，因为它可能在几年后才能引发故障。而问题可能永远不会显现出来，导致随后出现这方面的故障。

　　结论

　　可靠性在汽车电子中非常重要，而如今鉴于来自产品上市时间和成本缩减的压力，采取在软件虚拟样机环境中相对于测试室内的物理样机进行分析的方法显得愈发必要。目前因软件的存在，从而使电子和机械设计人员可进行更多的模拟仿真方案。