淺析汽車電子PCB設(shè)計可靠性與工藝可行性的兼容

肖潔，陳竹，申冬海，羅家運

(中車時代電動汽車股份有限公司，湖南株洲 412002)

0 引言

隨著汽車電子產(chǎn)品和電控技術(shù)的不斷發(fā)展，高集成度、高可靠性及高品質(zhì)的發(fā)展趨勢已日益凸顯。而PCB作為汽車電子關(guān)鍵零部件PCBA的重要載體，人們對其設(shè)計可靠性和工藝可行性的兼容有了更高、更全面的要求，如器件散熱性能與焊接防偏移裝配性、EMC性能與ICT可測試性、載流能力與焊接可靠性等。產(chǎn)品實現(xiàn)過程中要兼容兩項或多項設(shè)計和工藝要求，需多方位比較、創(chuàng)新設(shè)計和反復(fù)驗證，才能獲得最優(yōu)的改進方案和最佳的實施效果[1]。

本文作者針對PCB的設(shè)計可靠性和工藝可行性兩個重要指標(biāo)，從兼容二者的角度出發(fā)，側(cè)重于設(shè)計源頭的改進，同時輔以必要的工藝優(yōu)化和產(chǎn)品驗證，有效提升了產(chǎn)品的質(zhì)量，并起到了降本增效的作用。

1 散熱性能與焊接防偏移兼容

PCB設(shè)計中，MOS管、電源管理芯片等器件一方面要保證基本的電氣性能，另一方面也要考慮散熱性能。由于此類器件焊盤面積大，焊接時大面積錫膏的流動易導(dǎo)致器件出現(xiàn)偏移，從而影響焊接可靠性和器件的散熱性能，進一步影響器件的電氣性能及使用壽命，焊接偏移實例見圖1。此類問題可通過改進封裝來實現(xiàn)，也可通過調(diào)整鋼網(wǎng)開口來解決。結(jié)合成本評估、改進效果等方面的對比分析，通過設(shè)計優(yōu)化來控制器件的焊接偏移，比后續(xù)工藝改進會減少更多的生產(chǎn)成本浪費，同時也可形成一定的技術(shù)積累和封裝共享[2]。

圖1 焊接偏移實物

基于上述因素和兼容設(shè)計、工藝的綜合考慮，本文作者通過PCB設(shè)計前期的封裝制作來實現(xiàn)器件的散熱性能和焊接防偏移問題。具體包括散熱孔、隔離阻焊區(qū)的設(shè)置，以及PCB加工塞孔方式等要求。以SOT-404封裝為例，封裝設(shè)計圖(圖2)及說明如下：圖中圓孔為散熱孔，八邊形(形狀不限)內(nèi)部為隔離阻焊區(qū)，PCB制作時要求散熱孔做塞孔處理，避免頂層錫膏透至底層產(chǎn)生錫球，引發(fā)短路風(fēng)險。當(dāng)PCBA過回流爐時，錫膏熔化成流動的液體狀，由于焊盤底部各阻焊區(qū)存在力度均衡的阻力，相比無阻焊設(shè)計焊盤而言，焊錫流動的速度會明顯減緩，而器件在回流爐熔錫區(qū)的時間是固定的，所以整體偏移量會變小，甚至可以忽略，從而有效控制了器件的偏移。

圖2 SOT-404封裝設(shè)計結(jié)構(gòu)

2 EMI性能與ICT可測試性兼容

ICT測試是保證PCBA質(zhì)量必不可少的檢測方式之一，而ICT的有效實施必須滿足測試點TP的覆蓋率和合理分布，尤其是布局緊湊的PCB。同時兼顧測試工裝的制作成本和測試效率的提升，TP通常會集中于PCB同一層，此時會出現(xiàn)很多獨立過孔Via和獨立TP共存現(xiàn)象，一般通過Via將信號引至TP布置層，再設(shè)置單獨的TP，如圖3所示。此種設(shè)計對電磁干擾EMI中輻射發(fā)射RE的性能指標(biāo)有較大影響，獨立分支的TP相當(dāng)于RE試驗中的觸角天線，通電工作后的TP會集中向外界輻射能量，從而影響電磁兼容EMC可靠性和相鄰電子電氣產(chǎn)品的正常工作。

圖3 TP和Via共存設(shè)計

隨著車載電子設(shè)備的大量增加，汽車工作的電磁環(huán)境日益嚴(yán)重，電路也日趨敏感，從而影響電子設(shè)備的正常運行，進一步威脅汽車行駛的可靠性與安全性，所以EMC可靠性已成為汽車電子不容忽視的重要性能指標(biāo)[3-5]。基于ICT可測試性和EMI性能的提升，尤其針對高集成度和高可靠性的電子產(chǎn)品，通過設(shè)計一種集TP和Via于一體的封裝，一方面優(yōu)化PCB設(shè)計，提升產(chǎn)品的EMI性能；另一方面提高ICT測試的可靠性和便利性，同時降低生產(chǎn)成本。

圖4所示頂層為TP，直徑為d1。Via孔徑為d2，中間層及底層直徑為d3，其中d2和d3根據(jù)線路電流大小和PCB布局緊湊性共同確定。當(dāng)布局特別緊湊或出于保密需要時，可屏蔽絲印，采取覆銅“+”等作為標(biāo)識。具體應(yīng)用如圖5所示，圓圈內(nèi)的TP_Via不但可以優(yōu)化PCB的布局和設(shè)計可靠性，而且還可以提升ICT測試的可靠性、經(jīng)濟性和便利性。

圖4 TP_Via封裝三維圖

圖5 TP_Via應(yīng)用實例

3 載流能力與可焊性兼容

電子產(chǎn)品設(shè)計中，大電流信號的處理除了保證PCB線路本身的載流能力，焊接可靠性也是必不可少的一個關(guān)注點。尤其針對熱敏感型器件，如與IGBT相連的電源端子，長時間焊接對IGBT性能和使用壽命均有較大的考驗。以大電流電源插座焊接端的設(shè)計為例，如圖6所示，圖6(a)中焊接端子與覆銅直接相連，載流能力雖然最好，但焊接可行性卻最差，因為大面積的覆銅雖然保證了焊接可行性，但載流能力不一定能滿足設(shè)計需求[6]。

圖6 架橋方式示意

針對上述問題，從兼容載流能力和可焊性出發(fā)，采取圖7所示架橋設(shè)計方式。圖中架橋線徑寬度w、數(shù)量n及布局根據(jù)產(chǎn)品極限工況下電流的大小和裕量共同確定，頂層、底層設(shè)計方式相同，中間層則根據(jù)頂層和底層(或二選一)的覆銅設(shè)置相應(yīng)的分割點，確保中間層覆銅區(qū)的橋接同頂層或底層完全重疊，否則同樣會影響連接端子的焊接可靠性。

圖7 非常規(guī)架橋連接

4 機械強度與焊接可靠性兼容

近幾年P(guān)CB電信號的軟連接方式已日趨發(fā)展，但因受信號載流能力、產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境、結(jié)構(gòu)設(shè)計及成本等方面的限制，常規(guī)硬連接方式還是占據(jù)主導(dǎo)地位。以最常見的電連接器為例，由于受拔插力度、頻度及振動等因素的影響，機械強度顯得尤為重要[7]。PCB設(shè)計中提升機械強度最常見的方式是端子淚滴化，如圖8所示。而對于引腳間距過窄的情況，淚滴效果并不明顯，而且焊接時還容易出現(xiàn)連錫現(xiàn)象，影響焊接可靠性。

圖8 淚滴設(shè)計示意

為解決上述問題，可采取圖9所示設(shè)計方法，在連接器裝配面布線，并對引腳焊盤進行淚滴化處理。重點是焊接面黑框內(nèi)4個邊角焊盤的輔助設(shè)計，由兩個異型焊盤相疊加，其中傾斜焊盤不能過高，避免影響產(chǎn)品的RE性能。此設(shè)計方式一方面可增強插座的機械強度，另一方面焊接時，焊錫可沿傾斜焊盤爬錫，避免過度集中在焊盤中心區(qū)域，導(dǎo)致相鄰焊盤之間存在連錫短路風(fēng)險[7]。

圖9 非常規(guī)設(shè)計示意

5 EMS性能與防機械應(yīng)力損傷兼容

電磁抗擾EMS性能整改中，輻射抗擾RI、傳導(dǎo)抗擾CI以及大電流注入BCI主要考驗對外部信號的抗干擾能力，為了將PCB干擾沿有效回路泄放至外殼地Housing(一般為PCB邊緣的金屬化安裝孔)，通常會在Housing和PCB信號之間并接數(shù)顆小電容或阻容件。受布局、器件封裝及抗擾效果的共同影響，此類元器件一般布置在金屬化孔附近，由于螺釘裝配過程受機械應(yīng)力的影響，容易出現(xiàn)電容短路現(xiàn)象，從而導(dǎo)致PCB性能受影響，甚至無法正常工作[8-9]。

以電源VBAT和Housing信號為例，當(dāng)二者之間的連接電容出現(xiàn)短路時，VBAT和Housing會直接短路。為兼容EMS性能、提升與器件防機械應(yīng)力損傷的問題，同時結(jié)合成本考慮，可以將器件沿緊固工具的運動方向偏移一定角度(一般取45°)，分解施加在器件上的機械應(yīng)力，從而降低器件受損的風(fēng)險，具體如圖10所示。若同時采取“Open mode”型電容則最為可靠[8，10]，只是此類電容的采購成本較高。

圖10 VBAT和Housing連接示意

6 結(jié)論

PCBA作為汽車電子產(chǎn)品的核心零部件之一，其重要性和可靠性已不言而喻。文中闡述的5個典型應(yīng)用，不僅在設(shè)計前期經(jīng)過了可行性分析，同時在工藝后期采取了有效的設(shè)計驗證DV和生產(chǎn)驗證PV，并結(jié)合產(chǎn)品的實際應(yīng)用進行了優(yōu)化改進和反復(fù)驗證，證明上述構(gòu)思是完全可行的，不僅可提升產(chǎn)品的質(zhì)量，優(yōu)化產(chǎn)品性能，同時還可起到一定的降本增效、技術(shù)儲備作用[7]。