基于DFM的航空電子模塊設(shè)計(jì)

0引言

航空電子模塊的極端使用環(huán)境要求其必須具備高可靠性、高精度、輕量化、小型化等特點(diǎn),這些特點(diǎn)又提升了航空電子模塊的設(shè)計(jì)研發(fā)難度。在傳統(tǒng)的航空電子模塊設(shè)計(jì)過程中,設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)獨(dú)立進(jìn)行,在設(shè)計(jì)完成后才會考慮制造階段,可能會由于設(shè)計(jì)方案不足導(dǎo)致制造階段產(chǎn)生問題,需要反復(fù)修改,嚴(yán)重耽誤研發(fā)周期,增加成本?？芍圃煨栽O(shè)計(jì)(Designfor Manufacturing,DFM)是一種在設(shè)計(jì)階段并行實(shí)行可制造性理念的設(shè)計(jì)模式^[1],能使設(shè)計(jì)在滿足功能的同時(shí)便于后續(xù)制造環(huán)節(jié)的開展,從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品高質(zhì)高效的產(chǎn)出。針對高難度設(shè)計(jì)和高可靠性要求的航空電子模塊,實(shí)行DFM是一種提高設(shè)計(jì)效率與產(chǎn)品質(zhì)量的重要方式。

電子模塊是由元器件與印制板 (Printed Circuit Boards,PCB)通過電子裝聯(lián)過程(Printed Circuit Boards Assembly,PCBA)形成焊點(diǎn)而共同組成(圖1)。針對電子模塊的各組分分別開展DFM具有重要意義。在實(shí)行基于DFM的航空電子模塊設(shè)計(jì)時(shí),需對元器件選用、PCB設(shè)計(jì)和PCBA設(shè)計(jì)共3個(gè)過程同步考慮可制造性要求,進(jìn)而獲得最佳設(shè)計(jì)方案,實(shí)現(xiàn)航空電子模塊的高效率設(shè)計(jì)與高質(zhì)量制造。

1 基于DFM的元器件選用

元器件是構(gòu)成電子電路的基本元素,用于實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的電路功能。因此,在進(jìn)行元器件選型時(shí)就需考慮所選的元器件封裝類型對于制造環(huán)節(jié)的影響,避免出現(xiàn)生產(chǎn)時(shí)才發(fā)現(xiàn)現(xiàn)用工藝無法達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期效果的情況。

航空電子模塊在使用時(shí)需要面臨冷熱循環(huán)負(fù)荷。因此,進(jìn)行元器件選用時(shí)需注意其工作溫度范圍,盡量選擇工作溫度范圍大的元器件。除此之外,當(dāng)航空電子模塊被施加冷熱循環(huán)負(fù)荷時(shí),元器件與印制板均會因?yàn)闇囟茸兓a(chǎn)生體積上的收縮與膨脹。單位溫度變化所導(dǎo)致的長度值的變化被稱為熱膨脹系數(shù) (Coefficient of Thermal Expansion,CTE)。若元器件的CTE與PCB的CTE差異較大,在經(jīng)歷冷熱循環(huán)時(shí),元器件的形變程度與PCB的形變程度也會存在較大差距,導(dǎo)致應(yīng)力產(chǎn)生,最終極易造成開裂等形式的失效。

元器件由引腳與元器件本體組成,引腳與元器件本體的CTE不匹配也會導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)。對于陶瓷封裝的元器件,其引腳、陶瓷基體以及PCB之間的CTE若存在較大差異,亦會導(dǎo)致冷熱循環(huán)時(shí)應(yīng)力的產(chǎn)生,存在開裂風(fēng)險(xiǎn)。因此,元器件選用時(shí),需關(guān)注其CTE與 PCB的CTE不能存在較大差異。

易受損傷的元器件封裝類型也是在元器件選用時(shí)需要避免的,如玻璃封裝。此類易損封裝在生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用過程中均須注意防護(hù),且玻璃的CTE與 PCB的CTE匹配性差,產(chǎn)品在使用過程中容易出現(xiàn)元器件本體開裂的情況。

2基于DFM的PCB設(shè)計(jì)

PCB是元器件的載體,為其提供穩(wěn)固的物理支撐,實(shí)現(xiàn)不同元器件間的電氣連接,還具有幫助發(fā)熱元器件散熱等其他功能。在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí),需同步考慮各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)是否滿足可制造性^[2]。PCB的設(shè)計(jì)參數(shù)包括板厚、布線、過孔以及焊盤等。

2.1 基于DFM的板厚設(shè)計(jì)

由于航空器內(nèi)部空間緊張,為了實(shí)現(xiàn)航空電子模塊與機(jī)械結(jié)構(gòu)件之間的可裝配性,PCB板厚至關(guān)重要。PCB的板厚由PCB層數(shù)、最小介質(zhì)層厚度、半固化片數(shù)量、表層鍍銅及覆蓋層厚度等多個(gè)因素決定,如圖2所示。

在PCB中,為了保證其不被電壓擊穿導(dǎo)致短路故障,介質(zhì)層需有厚度極限值。PCB生產(chǎn)過程中通過半固化片結(jié)合各銅層芯板及外層銅箔,以形成一個(gè)牢固連接的整體。在壓合過程中,介質(zhì)層厚度會隨壓合進(jìn)行而受壓縮減小,根據(jù)國軍標(biāo)相關(guān)要求,壓合后介質(zhì)層最小厚度應(yīng)為0.09 mm,在進(jìn)行板厚設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)保持一定壓合余量,宜將壓合前最小介質(zhì)層厚度設(shè)計(jì)為0.1 mm。

半固化片作為PCB各銅層與表層連接的橋梁,其數(shù)量也需滿足可制造性要求。為了保證PCB良品率,一般將半固化片最少設(shè)置為2片,易于制造,即控制層厚和含膠量等參數(shù)的精度,產(chǎn)品良率高。同時(shí),至少2片半固化片的玻璃布含量較高,以增加PCB的耐電壓性能,使其更加適應(yīng)高壓場景。

因此,在確定板厚時(shí),需提前與制造方溝通,綜合參考其板厚極限加工能力與板厚的決定因素,共同確定板厚設(shè)計(jì)值。

2.2 基于DFM的布線設(shè)計(jì)

PCB導(dǎo)線主要作用是提供元器件之間的電氣連接,這些線路是在絕緣基材上按照預(yù)定設(shè)計(jì)通過蝕刻工藝對覆銅板進(jìn)行加工制成,是PCB的核心組成部分。通過這些線路,電流在不同元器件之間流通,實(shí)現(xiàn)電路的預(yù)設(shè)功能。印制板銅箔的加工常采用化學(xué)蝕刻工藝,而銅箔的蝕刻過程必然導(dǎo)致一定程度的銅線邊緣缺陷(圖3),銅箔越厚越容易出現(xiàn)缺陷,且外層銅箔表面由基銅與鍍層組成,其蝕刻加工精度比內(nèi)層銅箔更難控制。因此,為了降低導(dǎo)線在蝕刻過程中產(chǎn)生缺陷的程度,避免在制造后出現(xiàn)因?qū)Ь€通流能力不足導(dǎo)致的印制板性能不穩(wěn)定現(xiàn)象,在 PCB外層銅箔中,其線距/線間距的設(shè)計(jì)值應(yīng)比內(nèi)層稍大。

PCB布線時(shí),同一層導(dǎo)線的布設(shè)應(yīng)分布均勻,各層上的導(dǎo)電面積要相對均衡,多層板的層數(shù)最好是偶數(shù),鋪銅面積較大的導(dǎo)電層應(yīng)以PCB的中心對稱,以防由于金屬導(dǎo)體分布不均衡形成內(nèi)應(yīng)力,致使PCB 翹曲,進(jìn)而損壞PCB的鍍覆孔和焊點(diǎn)。同時(shí),導(dǎo)線接頭部分不能存在多余線頭,導(dǎo)線的多余線頭易產(chǎn)生天線效應(yīng),影響整板的信號完整性。

2.3 基于DFM的通孔設(shè)計(jì)

PCB過孔主要分3類:1)通孔,此種過孔穿過整個(gè)PCB,可用于實(shí)現(xiàn)PCB各層電氣互聯(lián)或作為元器件的安裝定位孔;2)盲孔,此種過孔位于PCB的表層,具有一定深度,用于表層線路與其下的內(nèi)層線路的連接;3)埋孔,此種過孔的特點(diǎn)是位于PCB內(nèi)層,不會延伸到表層。由于盲孔和埋孔生產(chǎn)加工難度大、成本高,因此PCB設(shè)計(jì)時(shí)常采用通孔。

在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中,通孔的尺寸、位置和數(shù)量都需要仔細(xì)考慮。根據(jù)通孔是否參與電氣連接,其類型可分為鍍覆孔與非鍍覆孔。鍍覆孔指孔壁鍍覆有金屬的孔,可以實(shí)現(xiàn)PCB內(nèi)層、表層中導(dǎo)電圖形之間的電氣連接,通常用于實(shí)現(xiàn)各層間的電氣連接,或者用于插裝和壓接元器件引腳的固定和定位。非鍍覆孔是不參與電氣連接的孔,也即非金屬化孔,這類孔通常是用于非電氣連接目的的安裝孔等,在PCB中起著機(jī)械固定、定位等作用。

通孔加工過程如圖4所示。鍍覆孔的孔徑受PCB 板厚制約,如果在設(shè)計(jì)鍍覆孔徑時(shí)未考慮PCB板厚,導(dǎo)致鍍覆孔孔徑過小,即孔徑板厚比過大,在通孔加工時(shí)板廠就不得不使用更細(xì)的過孔鉆頭,容易造成鉆頭斷裂,導(dǎo)致制造成本增加、交貨周期變長,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致設(shè)計(jì)的鍍覆孔孔徑無法加工。因此,在進(jìn)行通孔設(shè)計(jì)時(shí),孔徑與板厚比值不可過大。

2.4 基于DFM的焊盤設(shè)計(jì)

PCB焊盤是連接元器件的關(guān)鍵區(qū)域,主要起到下述重要作用:1)提供焊接點(diǎn);2)實(shí)現(xiàn)電氣連接;3)機(jī)械固定。因此,焊盤的設(shè)計(jì)與航空電子模塊的質(zhì)量也息息相關(guān)。

對于小封裝的表貼器件,如0402封裝器件,此類器件體積極小,重量極輕,因此在焊接過程中,易受因焊接溫度融化的焊料產(chǎn)生的液體表面張力影響。當(dāng)此類器件兩端焊盤連接到銅箔面積差異較大時(shí),兩端銅箔散熱能力就會出現(xiàn)較大差距,易導(dǎo)致一端焊料先于另一端融化的現(xiàn)象。此時(shí)器件兩端受到的液體表面張力不均衡,會拉動(dòng)元器件偏轉(zhuǎn),甚至導(dǎo)致一端脫離焊盤直立產(chǎn)生立碑現(xiàn)象。因此,當(dāng)小封裝元器件焊盤兩端銅箔面積差異較大時(shí),焊盤宜采用花焊盤設(shè)計(jì)。

對于需要進(jìn)行散熱的元器件,一般可以在焊盤中添加散熱通孔以提高散熱能力。但此時(shí)需明確焊盤中通孔需做塞孔處理,若未進(jìn)行此設(shè)計(jì),將導(dǎo)致焊接時(shí)焊盤上的焊料融化流入過孔中,焊盤上的焊料減少,焊點(diǎn)的焊接可靠性降低。

3基于DFM的PCBA設(shè)計(jì)

PCBA是將元器件、PCB、導(dǎo)線等通過焊接、插裝等方式連接,構(gòu)成完整的電子模塊的過程,是電子模塊制造過程中的重要環(huán)節(jié)。合理的元器件布局是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量PCBA的重要保障,可以保證電子模塊的穩(wěn)定性和可靠性,提高產(chǎn)品質(zhì)量^[3]。因此,為了方便PCBA環(huán)節(jié)的進(jìn)行,需要實(shí)行元器件布局的可制造性設(shè)計(jì),此時(shí)應(yīng)考慮到組裝等工藝的便利性,還需避免PCB 中可能存在的應(yīng)力對元器件的影響。為了實(shí)現(xiàn)這些目的,在進(jìn)行PCBA設(shè)計(jì)時(shí)需要實(shí)行以下可制造性設(shè)計(jì)理念。

3.1便于開展組裝等工藝的PCBA設(shè)計(jì)

當(dāng)表貼器件位于兩個(gè)連接器本體之間時(shí),若連接器的距離過小,表貼器件頂端到相鄰高元件頂端的仰角過大,兩側(cè)連接器的高度將會限制表貼器件的操作空間,導(dǎo)致表貼器件焊接、維修難度增大,增加報(bào)廢率;且連接器的距離過小,在手工焊接過程中容易損傷兩側(cè)的連接器本體。若表貼器件需布放在兩個(gè)高器件之間,兩高器件之間的距離不得過小。元器件布局階段應(yīng)重點(diǎn)識別高度差大的元器件,并加大其間距。

在PCBA環(huán)節(jié),由于目前行業(yè)內(nèi)通孔器件插裝工序尚未實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化插裝,更多依賴于人工對照設(shè)計(jì)圖紙、工藝文件進(jìn)行插裝操作,為便于通孔器件的插裝操作及檢驗(yàn),表貼元件的貼裝、焊接及檢驗(yàn),同類元器件的特征方向宜保持一致,如鉭電容極性、二極管的正極、三極管的單引腳端、芯片的第一腳或缺口方向等。

3.2避免應(yīng)力影響的PCBA設(shè)計(jì)

對于易受應(yīng)力影響的元器件,如球柵陣列(Ball Grid Array,BGA)等封裝的元器件,若其位于高應(yīng)力區(qū),則焊點(diǎn)易受到應(yīng)力損傷,導(dǎo)致焊點(diǎn)開裂、脫焊等問題,使焊點(diǎn)可靠性降低。PCB的以下區(qū)域均屬于高應(yīng)力區(qū):1)螺釘?shù)陌惭b孔附近;2)板間連接器周圍。應(yīng)力敏感元器件應(yīng)盡量避免布于高應(yīng)力區(qū)。若因PCB布局空間緊張,導(dǎo)致應(yīng)力敏感元器件不可避免地放置在高應(yīng)力區(qū),如螺釘安裝孔附近,此時(shí)若將螺釘安裝孔放置在應(yīng)力敏感元器件(以BGA元器件為例)每個(gè)邊靠近中間的位置,能夠盡量降低機(jī)械應(yīng)力對元器件的影響(圖5)。

4 結(jié)束語

本文針對航空電子模塊,從元器件選用、PCB參數(shù)設(shè)計(jì)、PCBA元器件布局設(shè)計(jì)共3個(gè)維度出發(fā),分別分析了各個(gè)過程中主要需要考慮的可制造性要求,提出了一種基于DFM的航空電子模塊設(shè)計(jì)方法,為提高航空電子模塊的設(shè)計(jì)效率與產(chǎn)品質(zhì)量提供了重要依據(jù)。

在今后的研究中將進(jìn)一步探索航空電子模塊的設(shè)計(jì)方法,通過結(jié)合強(qiáng)度與電氣特性等參數(shù),進(jìn)一步提高航空電子模塊的質(zhì)量與性能。

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2025年第3期第11篇