汽車智能電源分配模塊PCBA應變監測與管理策略

王 瑞

（上海滬工汽車電器有限公司，上海 201804）

汽車智能電源分配模塊PCBA應變監測與管理策略

王 瑞

（上海滬工汽車電器有限公司，上海 201804）

介紹汽車智能電源分配模塊（簡稱IPDM）在研發與制造以及交付使用中印刷電路板組件（簡稱PCBA）應變監測和管理策略，以及PCBA機械應變和熱應變對智能電源分配模塊可靠性的危害。重點介紹了研發階段PCBA應變監測和閾值管理（DFEMA評審，EDA設計和結構設計評審，DV驗證評審）、加工制造階段PCBA應變監測和閾值管理（PFEMA評審，工藝裝備校驗評審，操作工藝校驗評審，PV驗證評審）、使用維修階段PCBA應變監測和閾值管理（運輸操作校驗評審，安裝固定操作校驗評審，維修操作校驗評審）。最后總結PCBA應變監測和管理策略在智能電源分配模塊品質管理中所發揮的重要作用。

PCBA變形與應變；PCBA應變與產品可靠性；PCBA應變管理策略；PCBA應變監測與閾值管理

隨著汽車電氣系統功率密度及電子控制系統集成度的不斷提升，產品性能對印刷電路板組件（簡稱PCBA）應用的依賴越來越高。汽車智能電源分配模塊（簡稱IPDM）是車載電源功率分配（簡稱BEC）和車身控制器（簡稱BCM）高度集成的產品，其PCBA結構類型包括BCM-PCBA和BEC-PCBA分體組合式或一體化INT-PCBA。由于PCBA性能可靠性在生產測試、包裝運輸、固定安裝、使用維修等不同階段操作過程中會受到不同程度機械應變和熱應變的影響，同時由于功率密度和表面貼裝（簡稱SMT）焊點密度的提升與無鉛焊接工藝的疊加作用，使得PCBA因壓力所引起的SMT焊接問題對產品性能可靠性的影響越來越突出，對此可以通過對智能電源分配模塊PCBA實施有效的應變監測和管理策略來加以控制。

由于PCBA在分板、組裝、測試、包裝運輸、使用維護等過程中形成的PCBA機械變形和熱變形引起的應變會不同程度地傳遞到SMT的每個焊點上，而SMT焊點對PCBA應變產生的焊點失效又非常敏感，所以做好PCBA應變監測和閾值管理就顯得尤為重要。

為了提高智能電源分配模塊性能可靠性，必須在研發階段、加工制造階段和使用維修階段的全過程實施PCBA應變監測與管理策略。通過設計優化、工藝裝備優化、固定安裝操作評審和連接器插拔操作校驗技術評審等管理措施，為IPDM性能的可靠性提供有效保證。

1 PCBA應變對智能電源分配模塊性能可靠性的危害

汽車輕量化和智能化的市場需求，使得智能電源分配模塊在研發階段必須設計更高的功率密度、更高的SMT集成度以及選用密度較低的結構材料，同時在加工制造階段必須使用無鉛焊接（無鉛焊料比傳統錫鉛焊料更容易引發應變開裂）。由于高集成度SMT設計和高密度功率設計與無鉛焊接工藝所引發的疊加效應，致使各種操作壓力和溫度突變所引起的焊接失效問題被更深層次地激發。因此，除了焊接品質引起的SMT焊接失效外，因IPDM設計不足以及工藝裝備設計（選型）不足，導致PCBA在制造測試和使用維修等各種操作壓力引起的機械應變以及溫度變化引起的熱應變是造成SMT焊接失效的重要原因，這種情況多數發生在IPDM交付使用之后，但有時甚至會發生在交付之前。

1.1 PCBA變形與應變

汽車智能電源分配模塊因不同操作過程中可能造成PCBA的變形和應變可參考表1。

表1 汽車智能電源分配模塊PCBA應變表（參考）

注：不同的工藝裝備和工藝流程會存在差異，應用時可以按實際工藝裝備和工藝流程對表1進行調整。

1.2 PCBA應變對智能電源分配模塊性能可靠性的危害

通過應變監測來直觀了解汽車智能電源分配模塊PCBA在加工制造、測試檢驗、包裝運輸及使用維修等各種操作壓力對SMT焊點的損傷程度，同時可以通過分析監測數據來有效地評估PCBA應變對IPDM性能可靠性的危害。

通常情況下，如果不采取PCBA應變監測管理或管理不善，因操作壓力引起的SMT焊點損傷多數情況下是在交付之后使用一段時間后才發生間歇性或永久性焊接失效。

SMP焊點損傷所引發的焊接失效（間歇/永久）帶來的故障點通常是不直觀的，多數情況下又非常隱蔽，而且故障點的激發條件很難模擬，因此故障的在線測試和故障現象的重現也就十分困難，所以這種SMT焊點損傷往往對IPDM性能可靠性帶來很大的危害。

1.3 PCBA應變閾值的標定

汽車電子電氣系統中使用大量的嵌入式控制模塊，行業內對PCBA應變閾值普遍控制在400～1000（微應變），而對于要求很高的行業則控制在300～600（微應變）。廠商根據自己產品性能要求和多年研發經驗來標定應變閾值（必要時可以通過破壞性試驗來得到應變極限值作為制定應變閾值的參考）。不同行業主流廠商標定的PCBA應變閾值可參考表2。針對汽車智能電源分配模塊PCBA應變管理的閾值可參考表3。表3中所給出的PCBA應變閾值是根據IPDM

表2 主流廠商設定的PCBA應變閾值表（參考）

多年的設計與加工制造經驗標定的。

表3 汽車智能電源分配模塊PCBA應變管理的閾值（參考）

2 汽車智能電源分配模塊研發階段PCBA應變管理策略與應變閾值管理

隨著智能電源分配模塊功能多樣化、體積小型化及質量輕量化的發展趨勢，必須設計更小型化的SMT器件，設計更高的SMT器件布置密度，設計更高的功率密度。由于PCBA上SMT焊點密度和溫度變化進一步加大，則由此帶來SMT焊點失效風險也隨之增加，因此在IPDM研發階段必須采取有效的PCBA應變管理策略，即在IPDM的設計輸入分析、設計開發和測試驗證（簡稱A/D/V）活動中必須對PCBA應變閾值實施有效的管控。

2.1 DFEMA中實施PCBA應變閾值管理

智能電源分配模塊在品質先期策劃和品質功能展開階段將PCBA應變管理納入DFEMA中，找出產品在組裝加工、測試驗證、包裝運輸和使用維修過程中可能發生的所有因PCBA應變而引起的功能失效，對此采取相應的設計對策并確定重要的控制特性。

2.2 CAE虛擬設計驗證中實施PCBA應變閾值管理

智能電源分配模塊在設計中應充分考慮來自跌落、振動、沖擊等外部環境對 PCBA 機械應變的影響因素，充分考慮PCB厚度和SMT器件布置位置對PCBA在不同制程中機械應變的影響因素，充分考慮本體上下蓋支撐 PCBA 布置位置在繼電器、熔斷絲和接插件插拔作業中對 PCBA 機械應變的影響因素，充分考慮整車電器的負載特性、工作類型及PCB電氣回路銅箔等熱特性對 PCBA 熱應變的影響因素，充分考慮結構件注塑成型的收縮變形對PCBA機械應變的影響因素。針對上述可能發生的影響因素，如何驗證智能電源分配模塊設計對策的有效性則成為設計品質的關鍵，對此可以通過CAE虛擬設計驗證來評審IPDM設計對策的有效性。

2.3 DV中實施PCBA應變閾值管理

DV驗證中對機械沖擊和溫度沖擊的相關實驗中實施PCBA應變數據監測，通過數據分析和技術評審中的應變閾值管理，來驗證IPDM在研發過程中設計對策的有效性。

3 汽車智能電源分配模塊在制造階段PCBA應變監測與閾值管理

IPDM在加工制造過程中使用多種加工設備、工裝夾具和操作方法，為了有效地識別SMT焊點失效的潛在風險，因此在IPDM加工制造階段必須采取有效的PCBA應變管理策略，即通過對PCBA在不同操作過程的應變監測和數據分析，通過對加工設備、工裝夾具和操作方法組織技術評審、工藝優化和應變閾值管理等措施，實現對IPDM可靠性進行有效管控。

3.1 PFEMA中實施PCBA應變閾值管理

汽車智能電源分配模塊在研發、制造、包裝、運輸及使用維修過程中，常常會有不同故障現象的發生，使得產品在設計中確定的品質和可靠性指標大幅下降。同時高集成度SMT設計和高密度功率設計與無鉛工藝的疊加，在一定程度上改變了智能電源分配模塊對環境適應的特性。

在智能電源分配模塊制造階段PFEMA中實施PCBA應變閾值管理，應包含制造（如：插針、焊接、裝配、流轉和返修等）、在線（離線）測試、在線（離線）檢驗、包裝、意外事件與錯誤操作等可能導致PCBA 彎曲的工藝過程，通過確定應采取的工藝對策來保證IPDM的重要特性。

3.2 工藝裝備和工藝操作技術評審中實施PCBA應變閾值管理

汽車智能電源分配模塊P C B A 的在線測試（ICT）、PCBA分板、IPDM最終校核測試（FVT）及IPDM最終電性能測試（FET）通常需要使用固定夾具，如果這些夾具存在設計缺陷，就可能在工藝操作過程中對PCBA產生過大的應變。IPDM在實際的工藝裝備和工藝操作中PCBA 的應變監測數據參考表4。

表4 汽車智能電源分配模塊主要工藝過程中PCBA應變監測數據表（參考）

通過汽車智能電源分配模塊實際應用案例PCBA應變監測的直觀數據，可以清楚地看到PCBA在不同的操作壓力下產生大小不同的應變值，而且個別操作壓力所產生的應變值已經超過了PCBA焊點應變的閾值。所以必須對工藝裝備和工藝操作實施PCBA應變監測，通過監測數據分析和工藝過程校驗技術評審中的閾值管理，來驗證IPDM在加工制造階段中工藝對策的有效性。

3.3 PV中實施PCBA應變閾值管理

PV驗證中對機械沖擊和溫度沖擊的相關實驗中實施PCBA應變數據監測，通過數據分析和技術評審中的應變閾值管理，來驗證智能電源分配模塊在制造過程中工藝對策的有效性。

4 汽車智能電源分配模塊在交付使用階段PCBA應變監測與閾值管理

汽車智能電源分配模塊在交付使用階段將會經歷運輸、安裝固定和使用維修等操作過程，所以PCBA在此階段中同樣存在SMT焊點損傷的風險。為了使智能電源分配模塊性能可靠性在整車全壽命周期中得到保證，所以在IPDM使用維修階段必須采取有效的PCBA應變管理策略，即通過對運輸、安裝固定和使用維修中操作過程的模擬，通過PCBA應變實施監測和數據分析，通過技術評審中的應變閾值管理，實現對IPDM可靠性進行有效管控。

汽車智能電源分配模塊在使用維修階段可以采取如下工作流程實施PCBA應變監測和閾值管理。

1）模擬運輸過程中意外事件和錯誤操作并實施PCBA應變數據監測，通過數據分析和運輸操作校驗技術評審中的應變閾值管理，來驗證智能電源分配模塊包裝設計對策的有效性。

2）模擬實車安裝固定過程中的連接器插拔和螺栓安裝力矩并實施PCBA應變數據監測，通過數據分析和安裝固定操作校驗技術評審中的應變閾值管理，來驗證智能電源分配模塊結構設計對策的有效性。

3）模擬使用維修過程中意外事件和錯誤操作并實施PCBA應變數據監測，通過數據分析和維修操作校驗技術評審中的應變閾值管理，來驗證智能電源分配模塊防護設計對策的有效性。

5 PCBA應變監測與管理策略在汽車智能電源分配模塊研發中的重要作用

IPDM高集成度SMT設計和高密度功率設計趨勢已被廣泛認同，上述兩種趨勢中無論哪一種與無鉛焊接工藝疊加都會明顯降低PCBA機械應變或熱應變的閾值，在兩種趨勢與無鉛焊接工藝同時作用下，會極大程度增加SMT焊點損傷的可能性。

汽車智能電源分配模塊在研發中既要滿足汽車輕量化和智能化的設計需求，又要協調好性能指標與經濟性的合理分配，如何平衡好這些相互矛盾的設計需求，對保證IPDM性能和可靠性指標是非常重要的。

雖然使用薄壁或低密度輕型材料實現輕量化可以節省燃料和減少碳排放，但是如果忽略了必要的強度則對汽車安全性會有很大影響。同樣如果過度考慮強度則增加汽車質量，同時對汽車經濟性和環保指標造成影響。

智能電源分配模塊在研發中能否有效地協調輕量化與結構強度的平衡關系，能否有效地協調智能化的高密度設計與制造工藝可行性的平衡關系，必須首先知道PCBA各個部位應變值和對應SMT焊點強度要求的應變閾值，同時在產品所經歷的各個階段實施PCBA應變值監測和閾值管理。

由于不同階段的操作壓力產生的應變通常是微觀現象，其引發的SMT焊點損傷同樣是微觀的，同時常規的測量方法又不能直觀檢測和發現，這種微觀SMT焊點損傷的“合格產品”常常直接流入交付使用階段。如果不能有效地對PCBA應變實施監測和閾值管理，則“合格產品”在交付使用階段中的早期失效故障率將大幅上升，使得產品在全生命周期內的可靠性指標大幅下降。因此只有在汽車智能電源分配模塊研發中對各個階段實施有效的PCBA應變實施監測和閾值管理，才能有效地保證產品的可靠性指標。所以，對PCBA應變實施監測和管理策略，在智能電源分配模塊的研發中具有重要的作用。

隨著車聯網的推廣應用，球柵陣列封裝（簡稱BGA）器件在汽車電子電氣系統控制模塊中更多地被使用。雖然BGA器件在許多性能方面（更高密度的引腳封裝，更小的阻抗，更低的熱阻等）優于SMT器件，但是BGA器件因不能有效地分散壓力而更容易引發BGA焊接節點開裂。因此，今后在汽車智能電源分配模塊研發中，對PCBA實施應變監測和閾值管理所發揮的重要作用將更加突出。

6 結論

本文論述了汽車智能電源分配模塊PCBA應變實施監測和管理策略，通過實際研發的應用案例，充分論證了在汽車智能電源分配模塊PCBA應變實施監測和管理策略的必要性、重要性和可行性。

［1］ IPC/JEDEC-9704 A CN，印制板應變測試指南［S］.

［2］ J/SRD393-2015.車用電子電氣PCB組件應變測試規范［S］.

［3］ Q/XYRD200-2014.汽車中央電氣接線盒企業標準［S］.

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［5］ 田峰.精益研發2.0（1版）［M］.北京：機械工業出版社，2016.

The Auto Intelligent Power Distribution Module PCBA Strain Monitoring and Management Strategy

WANG Rui
（Shanghai Hugong Auto-electric Co.， Ltd.， Shanghai 201804， China）

This article introduces the intelligent power distribution module （IPDM） and its printed circuit board assembly （PCBA） strain monitoring and management strategy in research， development， manufacturing and actual using. The damage of mechanical strain and thermal strain of PCBA to the reliability of intelligent power distribution module is summarized.This article highlights the PCBA strain monitoring and the threshold value management in the research and development stage （DFEMA review， EDA design and structure design review， DV validation review）， the manufacturing stage （PFEMA review， process equipment validation review， operation process validation review， PV validation review）， and the use and maintenance stage （transport operation calibration review， installation and fixed operation calibration review， maintenance operation calibration review）； summarizes that PCBA strain monitoring and management strategy in the intelligent Power distribution module play an important role in quality management.

PCBA deformation and strain； PCBA strain and product reliability； PCBA strain management strategy；PCBA strain monitoring and threshold management

U463.6

A

1003-8639（2017）12-0069-04

2017-08-30

王瑞（1959-），男，高級工程師，主要從事汽車電子電氣產品的開發，質子膜燃料電池堆和控制系統的開發，水電解制氫電解槽和控制系統的開發工作。

（編輯 凌 波）