汽車智能電源分配模塊PCBA應(yīng)變監(jiān)測(cè)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(yīng)變監(jiān)測(cè)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(jiǎn)稱IPDM）在研發(fā)與制造以及交付使用中印刷電路板組件（簡(jiǎn)稱PCBA）應(yīng)變監(jiān)測(cè)和管理策略，以及PCBA機(jī)械應(yīng)變和熱應(yīng)變對(duì)智能電源分配模塊可靠性的危害。重點(diǎn)介紹了研發(fā)階段PCBA應(yīng)變監(jiān)測(cè)和閾值管理（DFEMA評(píng)審，EDA設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)評(píng)審，DV驗(yàn)證評(píng)審）、加工制造階段PCBA應(yīng)變監(jiān)測(cè)和閾值管理（PFEMA評(píng)審，工藝裝備校驗(yàn)評(píng)審，操作工藝校驗(yàn)評(píng)審，PV驗(yàn)證評(píng)審）、使用維修階段PCBA應(yīng)變監(jiān)測(cè)和閾值管理（運(yùn)輸操作校驗(yàn)評(píng)審，安裝固定操作校驗(yàn)評(píng)審，維修操作校驗(yàn)評(píng)審）。最后總結(jié)PCBA應(yīng)變監(jiān)測(cè)和管理策略在智能電源分配模塊品質(zhì)管理中所發(fā)揮的重要作用。

PCBA變形與應(yīng)變；PCBA應(yīng)變與產(chǎn)品可靠性；PCBA應(yīng)變管理策略；PCBA應(yīng)變監(jiān)測(cè)與閾值管理

隨著汽車電氣系統(tǒng)功率密度及電子控制系統(tǒng)集成度的不斷提升，產(chǎn)品性能對(duì)印刷電路板組件（簡(jiǎn)稱PCBA）應(yīng)用的依賴越來(lái)越高。汽車智能電源分配模塊（簡(jiǎn)稱IPDM）是車載電源功率分配（簡(jiǎn)稱BEC）和車身控制器（簡(jiǎn)稱BCM）高度集成的產(chǎn)品，其PCBA結(jié)構(gòu)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(chǎn)測(cè)試、包裝運(yùn)輸、固定安裝、使用維修等不同階段操作過(guò)程中會(huì)受到不同程度機(jī)械應(yīng)變和熱應(yīng)變的影響，同時(shí)由于功率密度和表面貼裝（簡(jiǎn)稱SMT）焊點(diǎn)密度的提升與無(wú)鉛焊接工藝的疊加作用，使得PCBA因壓力所引起的SMT焊接問(wèn)題對(duì)產(chǎn)品性能可靠性的影響越來(lái)越突出，對(duì)此可以通過(guò)對(duì)智能電源分配模塊PCBA實(shí)施有效的應(yīng)變監(jiān)測(cè)和管理策略來(lái)加以控制。

由于PCBA在分板、組裝、測(cè)試、包裝運(yùn)輸、使用維護(hù)等過(guò)程中形成的PCBA機(jī)械變形和熱變形引起的應(yīng)變會(huì)不同程度地傳遞到SMT的每個(gè)焊點(diǎn)上，而SMT焊點(diǎn)對(duì)PCBA應(yīng)變產(chǎn)生的焊點(diǎn)失效又非常敏感，所以做好PCBA應(yīng)變監(jiān)測(cè)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(fā)階段、加工制造階段和使用維修階段的全過(guò)程實(shí)施PCBA應(yīng)變監(jiān)測(cè)與管理策略。通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化、工藝裝備優(yōu)化、固定安裝操作評(píng)審和連接器插拔操作校驗(yàn)技術(shù)評(píng)審等管理措施，為IPDM性能的可靠性提供有效保證。

1 PCBA應(yīng)變對(duì)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(chǎng)需求，使得智能電源分配模塊在研發(fā)階段必須設(shè)計(jì)更高的功率密度、更高的SMT集成度以及選用密度較低的結(jié)構(gòu)材料，同時(shí)在加工制造階段必須使用無(wú)鉛焊接（無(wú)鉛焊料比傳統(tǒng)錫鉛焊料更容易引發(fā)應(yīng)變開裂）。由于高集成度SMT設(shè)計(jì)和高密度功率設(shè)計(jì)與無(wú)鉛焊接工藝所引發(fā)的疊加效應(yīng)，致使各種操作壓力和溫度突變所引起的焊接失效問(wèn)題被更深層次地激發(fā)。因此，除了焊接品質(zhì)引起的SMT焊接失效外，因IPDM設(shè)計(jì)不足以及工藝裝備設(shè)計(jì)（選型）不足，導(dǎo)致PCBA在制造測(cè)試和使用維修等各種操作壓力引起的機(jī)械應(yīng)變以及溫度變化引起的熱應(yīng)變是造成SMT焊接失效的重要原因，這種情況多數(shù)發(fā)生在IPDM交付使用之后，但有時(shí)甚至?xí)l(fā)生在交付之前。

1.1 PCBA變形與應(yīng)變

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

表1 汽車智能電源分配模塊PCBA應(yīng)變表（參考）

注：不同的工藝裝備和工藝流程會(huì)存在差異，應(yīng)用時(shí)可以按實(shí)際工藝裝備和工藝流程對(duì)表1進(jìn)行調(diào)整。

1.2 PCBA應(yīng)變對(duì)智能電源分配模塊性能可靠性的危害

通過(guò)應(yīng)變監(jiān)測(cè)來(lái)直觀了解汽車智能電源分配模塊PCBA在加工制造、測(cè)試檢驗(yàn)、包裝運(yùn)輸及使用維修等各種操作壓力對(duì)SMT焊點(diǎn)的損傷程度，同時(shí)可以通過(guò)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)有效地評(píng)估PCBA應(yīng)變對(duì)IPDM性能可靠性的危害。

通常情況下，如果不采取PCBA應(yīng)變監(jiān)測(cè)管理或管理不善，因操作壓力引起的SMT焊點(diǎn)損傷多數(shù)情況下是在交付之后使用一段時(shí)間后才發(fā)生間歇性或永久性焊接失效。

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

1.3 PCBA應(yīng)變閾值的標(biāo)定

汽車電子電氣系統(tǒng)中使用大量的嵌入式控制模塊，行業(yè)內(nèi)對(duì)PCBA應(yīng)變閾值普遍控制在400～1000（微應(yīng)變），而對(duì)于要求很高的行業(yè)則控制在300～600（微應(yīng)變）。廠商根據(jù)自己產(chǎn)品性能要求和多年研發(fā)經(jīng)驗(yàn)來(lái)標(biāo)定應(yīng)變閾值（必要時(shí)可以通過(guò)破壞性試驗(yàn)來(lái)得到應(yīng)變極限值作為制定應(yīng)變閾值的參考）。不同行業(yè)主流廠商標(biāo)定的PCBA應(yīng)變閾值可參考表2。針對(duì)汽車智能電源分配模塊PCBA應(yīng)變管理的閾值可參考表3。表3中所給出的PCBA應(yīng)變閾值是根據(jù)IPDM

表2 主流廠商設(shè)定的PCBA應(yīng)變閾值表（參考）

多年的設(shè)計(jì)與加工制造經(jīng)驗(yàn)標(biāo)定的。

表3 汽車智能電源分配模塊PCBA應(yīng)變管理的閾值（參考）

2 汽車智能電源分配模塊研發(fā)階段PCBA應(yīng)變管理策略與應(yīng)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(zhì)量輕量化的發(fā)展趨勢(shì)，必須設(shè)計(jì)更小型化的SMT器件，設(shè)計(jì)更高的SMT器件布置密度，設(shè)計(jì)更高的功率密度。由于PCBA上SMT焊點(diǎn)密度和溫度變化進(jìn)一步加大，則由此帶來(lái)SMT焊點(diǎn)失效風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加，因此在IPDM研發(fā)階段必須采取有效的PCBA應(yīng)變管理策略，即在IPDM的設(shè)計(jì)輸入分析、設(shè)計(jì)開發(fā)和測(cè)試驗(yàn)證（簡(jiǎn)稱A/D/V）活動(dòng)中必須對(duì)PCBA應(yīng)變閾值實(shí)施有效的管控。

2.1 DFEMA中實(shí)施PCBA應(yīng)變閾值管理

智能電源分配模塊在品質(zhì)先期策劃和品質(zhì)功能展開階段將PCBA應(yīng)變管理納入DFEMA中，找出產(chǎn)品在組裝加工、測(cè)試驗(yàn)證、包裝運(yùn)輸和使用維修過(guò)程中可能發(fā)生的所有因PCBA應(yīng)變而引起的功能失效，對(duì)此采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)對(duì)策并確定重要的控制特性。

2.2 CAE虛擬設(shè)計(jì)驗(yàn)證中實(shí)施PCBA應(yīng)變閾值管理

智能電源分配模塊在設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮來(lái)自跌落、振動(dòng)、沖擊等外部環(huán)境對(duì) PCBA 機(jī)械應(yīng)變的影響因素，充分考慮PCB厚度和SMT器件布置位置對(duì)PCBA在不同制程中機(jī)械應(yīng)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(yè)中對(duì) PCBA 機(jī)械應(yīng)變的影響因素，充分考慮整車電器的負(fù)載特性、工作類型及PCB電氣回路銅箔等熱特性對(duì) PCBA 熱應(yīng)變的影響因素，充分考慮結(jié)構(gòu)件注塑成型的收縮變形對(duì)PCBA機(jī)械應(yīng)變的影響因素。針對(duì)上述可能發(fā)生的影響因素，如何驗(yàn)證智能電源分配模塊設(shè)計(jì)對(duì)策的有效性則成為設(shè)計(jì)品質(zhì)的關(guān)鍵，對(duì)此可以通過(guò)CAE虛擬設(shè)計(jì)驗(yàn)證來(lái)評(píng)審IPDM設(shè)計(jì)對(duì)策的有效性。

2.3 DV中實(shí)施PCBA應(yīng)變閾值管理

DV驗(yàn)證中對(duì)機(jī)械沖擊和溫度沖擊的相關(guān)實(shí)驗(yàn)中實(shí)施PCBA應(yīng)變數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析和技術(shù)評(píng)審中的應(yīng)變閾值管理，來(lái)驗(yàn)證IPDM在研發(fā)過(guò)程中設(shè)計(jì)對(duì)策的有效性。

3 汽車智能電源分配模塊在制造階段PCBA應(yīng)變監(jiān)測(cè)與閾值管理

IPDM在加工制造過(guò)程中使用多種加工設(shè)備、工裝夾具和操作方法，為了有效地識(shí)別SMT焊點(diǎn)失效的潛在風(fēng)險(xiǎn)，因此在IPDM加工制造階段必須采取有效的PCBA應(yīng)變管理策略，即通過(guò)對(duì)PCBA在不同操作過(guò)程的應(yīng)變監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析，通過(guò)對(duì)加工設(shè)備、工裝夾具和操作方法組織技術(shù)評(píng)審、工藝優(yōu)化和應(yīng)變閾值管理等措施，實(shí)現(xiàn)對(duì)IPDM可靠性進(jìn)行有效管控。

3.1 PFEMA中實(shí)施PCBA應(yīng)變閾值管理

汽車智能電源分配模塊在研發(fā)、制造、包裝、運(yùn)輸及使用維修過(guò)程中，常常會(huì)有不同故障現(xiàn)象的發(fā)生，使得產(chǎn)品在設(shè)計(jì)中確定的品質(zhì)和可靠性指標(biāo)大幅下降。同時(shí)高集成度SMT設(shè)計(jì)和高密度功率設(shè)計(jì)與無(wú)鉛工藝的疊加，在一定程度上改變了智能電源分配模塊對(duì)環(huán)境適應(yīng)的特性。

在智能電源分配模塊制造階段PFEMA中實(shí)施PCBA應(yīng)變閾值管理，應(yīng)包含制造（如：插針、焊接、裝配、流轉(zhuǎn)和返修等）、在線（離線）測(cè)試、在線（離線）檢驗(yàn)、包裝、意外事件與錯(cuò)誤操作等可能導(dǎo)致PCBA 彎曲的工藝過(guò)程，通過(guò)確定應(yīng)采取的工藝對(duì)策來(lái)保證IPDM的重要特性。

3.2 工藝裝備和工藝操作技術(shù)評(píng)審中實(shí)施PCBA應(yīng)變閾值管理

汽車智能電源分配模塊P C B A 的在線測(cè)試（ICT）、PCBA分板、IPDM最終校核測(cè)試（FVT）及IPDM最終電性能測(cè)試（FET）通常需要使用固定夾具，如果這些夾具存在設(shè)計(jì)缺陷，就可能在工藝操作過(guò)程中對(duì)PCBA產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)變。IPDM在實(shí)際的工藝裝備和工藝操作中PCBA 的應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)參考表4。

表4 汽車智能電源分配模塊主要工藝過(guò)程中PCBA應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表（參考）

通過(guò)汽車智能電源分配模塊實(shí)際應(yīng)用案例PCBA應(yīng)變監(jiān)測(cè)的直觀數(shù)據(jù)，可以清楚地看到PCBA在不同的操作壓力下產(chǎn)生大小不同的應(yīng)變值，而且個(gè)別操作壓力所產(chǎn)生的應(yīng)變值已經(jīng)超過(guò)了PCBA焊點(diǎn)應(yīng)變的閾值。所以必須對(duì)工藝裝備和工藝操作實(shí)施PCBA應(yīng)變監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析和工藝過(guò)程校驗(yàn)技術(shù)評(píng)審中的閾值管理，來(lái)驗(yàn)證IPDM在加工制造階段中工藝對(duì)策的有效性。

3.3 PV中實(shí)施PCBA應(yīng)變閾值管理

PV驗(yàn)證中對(duì)機(jī)械沖擊和溫度沖擊的相關(guān)實(shí)驗(yàn)中實(shí)施PCBA應(yīng)變數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析和技術(shù)評(píng)審中的應(yīng)變閾值管理，來(lái)驗(yàn)證智能電源分配模塊在制造過(guò)程中工藝對(duì)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(yīng)變監(jiān)測(cè)與閾值管理

汽車智能電源分配模塊在交付使用階段將會(huì)經(jīng)歷運(yùn)輸、安裝固定和使用維修等操作過(guò)程，所以PCBA在此階段中同樣存在SMT焊點(diǎn)損傷的風(fēng)險(xiǎn)。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(yīng)變管理策略，即通過(guò)對(duì)運(yùn)輸、安裝固定和使用維修中操作過(guò)程的模擬，通過(guò)PCBA應(yīng)變實(shí)施監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析，通過(guò)技術(shù)評(píng)審中的應(yīng)變閾值管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)IPDM可靠性進(jìn)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(shí)施PCBA應(yīng)變監(jiān)測(cè)和閾值管理。

1）模擬運(yùn)輸過(guò)程中意外事件和錯(cuò)誤操作并實(shí)施PCBA應(yīng)變數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析和運(yùn)輸操作校驗(yàn)技術(shù)評(píng)審中的應(yīng)變閾值管理，來(lái)驗(yàn)證智能電源分配模塊包裝設(shè)計(jì)對(duì)策的有效性。

2）模擬實(shí)車安裝固定過(guò)程中的連接器插拔和螺栓安裝力矩并實(shí)施PCBA應(yīng)變數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析和安裝固定操作校驗(yàn)技術(shù)評(píng)審中的應(yīng)變閾值管理，來(lái)驗(yàn)證智能電源分配模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)策的有效性。

3）模擬使用維修過(guò)程中意外事件和錯(cuò)誤操作并實(shí)施PCBA應(yīng)變數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析和維修操作校驗(yàn)技術(shù)評(píng)審中的應(yīng)變閾值管理，來(lái)驗(yàn)證智能電源分配模塊防護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)策的有效性。

5 PCBA應(yīng)變監(jiān)測(cè)與管理策略在汽車智能電源分配模塊研發(fā)中的重要作用

IPDM高集成度SMT設(shè)計(jì)和高密度功率設(shè)計(jì)趨勢(shì)已被廣泛認(rèn)同，上述兩種趨勢(shì)中無(wú)論哪一種與無(wú)鉛焊接工藝疊加都會(huì)明顯降低PCBA機(jī)械應(yīng)變或熱應(yīng)變的閾值，在兩種趨勢(shì)與無(wú)鉛焊接工藝同時(shí)作用下，會(huì)極大程度增加SMT焊點(diǎn)損傷的可能性。

汽車智能電源分配模塊在研發(fā)中既要滿足汽車輕量化和智能化的設(shè)計(jì)需求，又要協(xié)調(diào)好性能指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)性的合理分配，如何平衡好這些相互矛盾的設(shè)計(jì)需求，對(duì)保證IPDM性能和可靠性指標(biāo)是非常重要的。

雖然使用薄壁或低密度輕型材料實(shí)現(xiàn)輕量化可以節(jié)省燃料和減少碳排放，但是如果忽略了必要的強(qiáng)度則對(duì)汽車安全性會(huì)有很大影響。同樣如果過(guò)度考慮強(qiáng)度則增加汽車質(zhì)量，同時(shí)對(duì)汽車經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保指標(biāo)造成影響。

智能電源分配模塊在研發(fā)中能否有效地協(xié)調(diào)輕量化與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的平衡關(guān)系，能否有效地協(xié)調(diào)智能化的高密度設(shè)計(jì)與制造工藝可行性的平衡關(guān)系，必須首先知道PCBA各個(gè)部位應(yīng)變值和對(duì)應(yīng)SMT焊點(diǎn)強(qiáng)度要求的應(yīng)變閾值，同時(shí)在產(chǎn)品所經(jīng)歷的各個(gè)階段實(shí)施PCBA應(yīng)變值監(jiān)測(cè)和閾值管理。

由于不同階段的操作壓力產(chǎn)生的應(yīng)變通常是微觀現(xiàn)象，其引發(fā)的SMT焊點(diǎn)損傷同樣是微觀的，同時(shí)常規(guī)的測(cè)量方法又不能直觀檢測(cè)和發(fā)現(xiàn)，這種微觀SMT焊點(diǎn)損傷的“合格產(chǎn)品”常常直接流入交付使用階段。如果不能有效地對(duì)PCBA應(yīng)變實(shí)施監(jiān)測(cè)和閾值管理，則“合格產(chǎn)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(chǎn)品在全生命周期內(nèi)的可靠性指標(biāo)大幅下降。因此只有在汽車智能電源分配模塊研發(fā)中對(duì)各個(gè)階段實(shí)施有效的PCBA應(yīng)變實(shí)施監(jiān)測(cè)和閾值管理，才能有效地保證產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)。所以，對(duì)PCBA應(yīng)變實(shí)施監(jiān)測(cè)和管理策略，在智能電源分配模塊的研發(fā)中具有重要的作用。

隨著車聯(lián)網(wǎng)的推廣應(yīng)用，球柵陣列封裝（簡(jiǎn)稱BGA）器件在汽車電子電氣系統(tǒng)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(yōu)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(fā)BGA焊接節(jié)點(diǎn)開裂。因此，今后在汽車智能電源分配模塊研發(fā)中，對(duì)PCBA實(shí)施應(yīng)變監(jiān)測(cè)和閾值管理所發(fā)揮的重要作用將更加突出。

6 結(jié)論

本文論述了汽車智能電源分配模塊PCBA應(yīng)變實(shí)施監(jiān)測(cè)和管理策略，通過(guò)實(shí)際研發(fā)的應(yīng)用案例，充分論證了在汽車智能電源分配模塊PCBA應(yīng)變實(shí)施監(jiān)測(cè)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(yīng)變測(cè)試指南［S］.

［2］ J/SRD393-2015.車用電子電氣PCB組件應(yīng)變測(cè)試規(guī)范［S］.

［3］ Q/XYRD200-2014.汽車中央電氣接線盒企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［4］ J/SRD392-2015.汽車中央電氣接線盒（PCB式）設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］ 田峰.精益研發(fā)2.0（1版）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)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(jí)工程師，主要從事汽車電子電氣產(chǎn)品的開發(fā)，質(zhì)子膜燃料電池堆和控制系統(tǒng)的開發(fā)，水電解制氫電解槽和控制系統(tǒng)的開發(fā)工作。

（編輯 凌 波）