电路可靠性在质量和性能中的作用

关键的外卖

• 设计师如何将可靠性最佳实践融入电路板的预制造阶段。
• 在制造过程中最大化可靠的设计选择。
• 控制电路可靠性的IPC标准，即分类和使用凭条。

电路可靠性包括分析复杂的逻辑图的功能

除了不安全之外，电子产品最糟糕的特性就是不可靠。设备是劳动力和材料的复杂产品，因此诊断可靠性问题很快就会变得耗时。虽然可靠性问题让每个人都感到沮丧，但在一些关键操作中，可靠性问题可能意味着更危险的事情，甚至与安全直接相关。在这种情况下，设计师和制造商必须非常积极地认为，已经尽了一切努力来确保不间断的性能。

在某种程度上，电路的可靠性决定着每一项设计，尽管在即使是暂时的故障或故障也可能导致严重后果的情况下，其重要性可能更加突出。因此，它渗透到PCB生产的每一步，设计团队的每个成员都需要理解并致力于最佳实践，以确保持续运行。

电路可靠性始于设计之初

确保电路板的正常功能以及高性能涉及到产品开发的每一步，从设计一直到制造。重要的是，在大规模生产之前的每个阶段都提供了对之前选择的有价值的反馈，允许工程师、ECAD团队和其他人通过多次修订慢慢改进电路板。

• 设计-可以说是所有制造前步骤中最复杂的，在设计中有许多与电源设计和EMI预防相关的可靠性实例。
  • 叠加的设计取决于信号与平面层的接近程度以及非迂回返回路径的接地面的位置，从而决定可靠性的好坏。
  • 电源和接地风扇走线应赋予额外的宽度，以避免产生可能阻塞电流流和饿死组件的热点。
  • 电磁干扰可以辐射能量，这可能会导致低功耗设计不稳定。为了避免这种情况，应该遵循最佳的缓解实践，例如避免在参考平面的间隙上路由。
  • 去耦电容是多功能的。最重要的是，它们可以被认为是次要电源，承担一些负载，并确保每个有源设备的个别功率问题得到满足。这可以防止一个设备的抽出影响另一个设备的操作。由于RC电路固有的低通特性，可以确保稳定的直流继续馈电电路，而高频交流则被过滤掉，因此它们还可以作为直接到地面的瞬态分流器。
• 模拟-仿真为设计人员提供了一种快速准确地评估电路拓扑结构的方法，而不必依赖于设备或物理板的设计和构造。这可以包括对模拟波形及其相关特性的分析，或者对电路数字逻辑的更抽象的研究。它还可能包括确保在设计中适当考虑到物理约束，例如信号上升/下降时间或倾斜。
• 验证-需要检查设计，以确保其据称执行的功能与意图一致。这包括设计的不同模块，包括逻辑、时序，甚至是电路板的物理形式。
• 准备-电路板在组装后需要进行第二步验证，以确保设计和制造过程能够正确地生产出设计团队所概述的电路板。为此目的，被称为内置自检的逻辑结构被设计用于持续测试设计帮助及早发现故障或故障。

制造实践决定了电路的可靠性

制造是生产物理板的每个设计过程的顶点，因此，它对最终产品的影响最大。从不同的角度来看，最好的制造工艺将能够捕捉并纠正糟糕设计的实例(铜之间不可能制造的间隙，超出工具可用性的功能等)，但如果糟糕的制造工艺起作用，最好的设计只会导致不可靠的性能，潜在的返工和昂贵的报废。也就是说，设计师仍然应该通过遵循一些关键的为制造而设计的实践来支持制造商:

• 与商店协商-设计团队可能犯的最大错误是未能尽早让制造商参与设计过程。这种情况不太可能发生在内部制造中，但在任何一种情况下，重要的是要确定是董事会在推动制造，还是相反。前一种情况可能会遇到严重的性能问题，但可能是由尖端板的需求所必需的，在这种情况下，原型设计期间的优化可能不是一个问题。另一方面，在适用的情况下，让技术驱动设计规则将导致制造过程顺利进行，设计团队能够确保板的性能保持适当的高标准。
• 铜的平衡在分层过程中，堆叠的元素在压力机中经历高温，这意味着液化预浸料中的环氧树脂(或其他类似材料)，使其流过板的各层，最终将设计设置到位。然而，制造商必须注意热膨胀系数，或材料的CTE，在压力机内。由于预浸料的非金属元素与箔和芯的金属之间的固有性质可能存在巨大差异，因此必须努力在任何可能的情况下创建材料的均匀分布。在实践中，这意味着可能只需要一小部分总面积的铜特征层将取而代之，以提供更好的热响应。平衡有助于抑制板的翘曲，翘曲会对非表面层互连施加大量压力。
• 温度耗散-一般来说，热是电路运行的敌人，长期暴露在高温下可能会使材料退化，加速故障。为了解决这个问题，设计需要考虑有效散热的缓解技术特别是来自快速发电(即电力)的地区。首先，连接到电源和接地网的引脚应加宽，以提供额外的表面积，用于大电流绘制。特别是电源电路，将需要大量的铜浇注与多个热通孔，以引导热量远离源。更极端的防止热量积聚的方法可能包括散热器或更积极的冷却措施，如风扇。
• 通过结构-一般来说，较大的钻孔孔在结构上更可靠，在焊接过程中不太可能出现导致开裂和断开的问题。FPGA引脚上的HDI设计和间距可能会迫使设计人员采用更小的通孔(只要它不违反最大纵横比)，并且可能需要更密集的通孔设计，如盲孔、埋孔或激光钻孔。

一个有代表性的截面，显示了一些有价值的性能，以提高结构的可靠性

将可靠性与行业标准联系起来

关于可靠性的讨论不包括PCB的类别是不完整的。正如IPC所概述的，PCB分类着眼于最终产品的一般责任。随着类别的增加，可生产性降低，以满足更严格的制造规范:

1. 通用电子-这些电路板不需要超过产品的寿命(可能包括计划报废)，在早期失效的情况下，最多是一个麻烦。这种类型的板是高度可更换和一次性的，但由于相对宽松的生产资格，是便宜的，不太可能经历重大的产量损失时，正确制造。
2. 专用服务电子产品-这一级别的产品期望在长时间内以高水平运行，理想地将功能中断降到最低，但在合理范围内是允许的。在这一级别的板失败的后果比1类板更可怕，但不一定会造成或加重伤害。作为类的中点，可生产性标准比类1更严格，导致产量下降，但没有类3那么多。
3. 高可靠性电子产品-这些电路板工作在即使是轻微故障或停机也可能导致严重和即时伤害或死亡的环境中。制造公差很紧并具体减少任何不合规的电路板能够到达最终用户的机会。因此，产量甚至比第2类生产批次的产量进一步降低。

对制成品板的评估从试纸开始，试纸决定材料是否符合既定标准。息票是一个理想的测试对象，因为它是与裸板所在的同一面板的一部分，而且对息票的破坏性测试不会导致该批次产量的任何损失。优惠券不只是作为最后一块光秃秃的板子而存在;测试工艺券允许制造商以分段方式评估整体制造。通过密切跟踪可能导致最终板波动的参数，制造商确保生产以预期和可重复的方式进行。为此，优惠券可以有各种各样的风格，用于它们用于验证的不同过程:

• A / B-用于确定设计中存在的电镀通孔光谱的钻孔和电镀工艺，以及电镀孔如何响应热应力。
• D-在暴露于热应力后测试镀孔和通孔的可靠性。
• E-用于评估层压板的含水率以及绝缘材料的电阻。
• G-确认阻焊板与表面的附着力(包括痕迹宽度)。
• H-绝缘电阻加工或处理过程中残留的任何残留物的测定。
• P-查看应用于层压板的表面金属箔的剥离强度和镀层附着力。
• S和W-分别关注通孔和表面安装的可焊性。
• X-此优惠券检查整体柔性板层压板的灵活性。
• Z-负责板上受控结构的阻抗。

如图中左下方和中间所示，模具优惠券为破坏性测试提供了有代表性的材料

电路可靠性形成了PCB设计和制造的核心原则，开发必须在整个生产过程中整合这一概念。虽然可靠性的主题存在于各种设计领域，对于不熟悉流程的人来说很难理解，但与制造商合作将有助于指导工作。对于落在设计团队肩上的可靠性方面，Cadence的套件PCB设计和分析软件提供了一个全面和易于使用的CAD系统，支持工具，即使是最细粒度的分析。一个健壮的约束管理器，只是包含的众多特性之一OrCAD PCB Designer，还将促进最佳性能，以保持您的电路板在现场平稳运行。