如何從設(shè)計(jì)輕松過渡到制造

消費(fèi)電子行業(yè)的持續(xù)創(chuàng)新熱潮使得消費(fèi)者們對產(chǎn)品技術(shù)改進(jìn)速度的期望達(dá)到一個(gè)前所未有的高度。不但產(chǎn)品變得越來越復(fù)雜，日益激烈的競爭也大大縮短了典 型的設(shè)計(jì)周期。因此，如果一個(gè)企業(yè)能夠通過高效的設(shè)計(jì)和測試流程將一個(gè)產(chǎn)品從原理圖轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品，那么它就具有了行業(yè)的競爭優(yōu)勢。

雖然完善開發(fā)工藝往往需要企業(yè)進(jìn)行變革，但工程師也可以采取一些實(shí)用的技巧來縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。本文章不僅探討了如何通過簡單的設(shè)計(jì)選擇來實(shí)現(xiàn)更佳的制造工藝，也討論了如何慎重地選擇測試軟件和硬件。三個(gè)最重要的最佳實(shí)踐包括：

• 可制造性設(shè)計(jì)和調(diào)試

• 編寫可擴(kuò)展且可復(fù)用的測試代碼

• 復(fù)制開發(fā)過程中各個(gè)階段的物理制造環(huán)境

為了了解從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到產(chǎn)品測試的最佳實(shí)踐，我們必須考慮到生產(chǎn)測試目的往往與設(shè)計(jì)驗(yàn)證目的大相徑庭。設(shè)計(jì)驗(yàn)證測試是為了驗(yàn)證產(chǎn)品在各種操作條件下滿足規(guī)格參 數(shù)。而生產(chǎn)測試的目的是確保產(chǎn)品能夠正確組裝，并且各個(gè)組建能夠正常運(yùn)作。盡管這兩個(gè)目的之間存在差異，工程師可以通過精心的設(shè)計(jì)將驗(yàn)證測試開發(fā)應(yīng)用于制 造中。請注意，盡管此處描述的最佳實(shí)踐專門應(yīng)用于射頻產(chǎn)品開發(fā)，但其中的原理適用于任何類型的商業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

可制造性設(shè)計(jì)

在許多企業(yè)中，開發(fā)小組往往到了設(shè)計(jì)周期的最后環(huán)節(jié)才會考慮生產(chǎn)測試。然而，為了在生產(chǎn)中也能夠利用設(shè)計(jì)階段的一些成果，設(shè)計(jì)人員必須從設(shè)計(jì)初期就預(yù)期生產(chǎn) 測試可能存在的問題。很多時(shí)候，如果在設(shè)計(jì)過程早期就考慮生產(chǎn)測試，就可對測試信號/電路的布局和接入做出更加合適的決策，從而減少驗(yàn)證和生產(chǎn)測試的總體成本。

例如，在產(chǎn)品的初始設(shè)計(jì)中添加高度集成的ASIC等控制電路往往是非常困難的。這使得需要用昂貴的測試設(shè)備來仿真設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境–從而導(dǎo)致更長的測試時(shí)間和更昂貴的測試成本。例如，手機(jī)芯片缺乏非信令模式將會大大增加產(chǎn)品的驗(yàn)證時(shí)間。如果產(chǎn)品的初始設(shè)計(jì)沒有包含非信令模式，工程師將 不得不以更昂貴的成本來測試無線電，同時(shí)基站的仿真進(jìn)程也會大大減慢。因此，通過在產(chǎn)品的初始設(shè)計(jì)中添加關(guān)鍵控制電路，工程師使用信號發(fā)生器和信號分析儀 等成本較低的測試設(shè)備就能能夠縮短驗(yàn)證所需要的時(shí)間。

減少潛在生產(chǎn)問題的一種最簡單的方法是嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)規(guī)則，如元件間距、“排除區(qū)域”以 及正確的焊盤形狀，以防止出現(xiàn)元件”立起”。PCB制造商和芯片制造商通常會提供設(shè)計(jì)規(guī)則檢查軟件，以確保設(shè)計(jì)的產(chǎn)品可實(shí)際投入制造。從最初的電路布局開 始就一直遵循這些設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是非常重要的。盡管設(shè)計(jì)人員通常趨向于到了后期設(shè)計(jì)才開始重視設(shè)計(jì)規(guī)則，但這一延遲往往使得更改變得更加難以實(shí)現(xiàn)。另一方面，從 初始設(shè)計(jì)就開始重視設(shè)計(jì)規(guī)則的工程師將會設(shè)計(jì)出更可靠的產(chǎn)品，也更容易從設(shè)計(jì)過渡到生產(chǎn)。

探測和調(diào)試

如果要在復(fù)雜的設(shè)計(jì)中確定潛在的制造問題，一個(gè)實(shí)用技巧是使用正確的調(diào)試和測試接口。工程師通?？梢酝ㄟ^兩種主要方法來提高其電路測試、調(diào)試或故障排除能 力。一種方法是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中添加探針墊片和各種測試接口。另一種方法是在進(jìn)行初始設(shè)計(jì)的同時(shí)開發(fā)生產(chǎn)級測試夾具，以確保更多的可重復(fù)驗(yàn)證測量。

在開發(fā)過程中，工程師經(jīng)常使用手動探針來排除電路故障。但是，手動探針經(jīng)常會產(chǎn)生測量誤差，并且可能會導(dǎo)致工程師對電路性能作出不正確的假設(shè)。在設(shè)計(jì)和制造 時(shí)，為工程師提供產(chǎn)品性能的詳細(xì)信息是至關(guān)重要的。因此，設(shè)計(jì)人員必須考慮如何以可重復(fù)的方式來探測系統(tǒng)的性能，同時(shí)對電路的阻抗影響最小。在設(shè)計(jì)初期考 慮探測需求可幫助確保電路布局和元器件的放置方便工程師進(jìn)行正確的性能探測。

工程師由于成本原因往往不愿意使用板卡間連接器。如果工程師考 慮到衰減因素，并使用正確的探針和焊盤圖案，則探針可作為一個(gè)可行的解決方案。對于低頻率(低于100 MHz)應(yīng)用，設(shè)計(jì)者經(jīng)常使用“彈簧”式探針來測量特定PCB印制線的信號。這些探針因其彈簧機(jī)械作用(類似于彈簧單高蹺)而得名，與合適的探針墊片一起 使用時(shí)效果非常好。但是對于RF頻率應(yīng)用，彈簧式探針及焊盤墊很容易受到一系列高頻相關(guān)寄生行為的影響，這些行為可能會影響阻抗匹配和插入損耗等電氣性能。

針對射頻和微波頻率有幾種探測解決方案，一種行之有效的解決方案是利用寬帶同軸探針。同軸探針，如圖所示的Everett Charles K- 50L，具有SMA連接器，便于連接至頻譜分析儀或功率計(jì)。雖然探針和探針焊盤墊可用于許多情況，但射頻工程師通常不愿意使用探針墊片，因?yàn)樗鼈兛赡軙a(chǎn) 生破壞性電容，降低電路的性能。一個(gè)常見的解決方法是根據(jù)實(shí)際的電路板印制線來設(shè)計(jì)探針墊片。例如，設(shè)計(jì)者如果知道之后會用到RF探針，就可以針對這種探 針進(jìn)行電路板的幾何形狀(例如印制線寬和接地層間距)設(shè)計(jì)，而無需特定幾何形狀的焊盤墊。在某些情況下，可以使用表面組裝元件焊盤作為探針墊，從而讓工程 師能夠在元器件拆除的情況下通過匹配的接口探測電路。

圖1. Everett Charles同軸探針的原理圖。

另一種適用于驗(yàn)證和生產(chǎn)測試的有效解決方案是使用帶有集成開關(guān)的同軸連接器。 在該方法中，單刀雙擲開關(guān)通過連接探針的機(jī)械作用進(jìn)行驅(qū)動。因此，當(dāng)探針未連接時(shí)，該開關(guān)自動連線至一個(gè)接線端，探針接合時(shí)，則連接至另一個(gè)接線端。這一 集成的連接器/開關(guān)探針最初是針對手機(jī)行業(yè)而設(shè)計(jì)，用于斷開天線，以通過連接器來測量RF功率?，F(xiàn)在，射頻工程師有了各種頻率在12 GHz及以上的高性能設(shè)備可供選擇。

最佳電路布局實(shí)踐

可制造性設(shè)計(jì)中一個(gè)重要卻往往被忽 視的因素是關(guān)鍵電路的隔離，如圖2所示的典型接收器的結(jié)構(gòu)圖。為了充分確定單個(gè)元器件的性能，設(shè)計(jì)人員必須能夠?qū)⒎糯笃骱突祛l器隔離開以及將混頻器與本地 振蕩器隔離開。如果合成器沒有通過任何接口直接連接到混頻器來隔離放大器和混頻器，會使合成器潛在故障問題的排查變得更加困難。通過將這些接口分離以及單 獨(dú)測試每個(gè)部分，工程師可以使用更復(fù)雜的元器件來準(zhǔn)確地進(jìn)行故障排除。分離重要接口有若干個(gè)種方法。其中一種方法是通過物理方式來隔開每個(gè)子組件的布局， 然后通過SMA等同軸連接器來連接它們。但是，SMA連接器往往會增加設(shè)計(jì)尺寸和成本。集成開關(guān)/連接器組件(例如以上所述的組件)提供了一個(gè)很好的解決 方案，因?yàn)樗鼈兡軌蚝芎玫剡B接放大器、混頻器和本地振蕩器，而幾乎不會產(chǎn)生任何插入損耗。[!--empirenews.page--]

圖2. 典型的收發(fā)儀架構(gòu)。

通過可復(fù)用測試代碼來關(guān)聯(lián)測量數(shù)據(jù)

測試工程師經(jīng)常面臨的另一個(gè)問題是將生產(chǎn)數(shù)據(jù)與驗(yàn)證測試過程中獲得的測量結(jié)果關(guān)聯(lián)起來。數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)之所以困難有幾個(gè)原因，包括不同測試設(shè)備的使用、測試夾具的影響以及物理環(huán)境的改變。其中最容易解決的一個(gè)問題是驗(yàn)證和工程生產(chǎn)測試使用不同測量算法造成的誤差。

一 般來說，研發(fā)小組通常需要擁有性能非常高的設(shè)備才能確保儀器的規(guī)格限制不會影響驗(yàn)證測試結(jié)果。而大規(guī)模生產(chǎn)作業(yè)所需的大量儀器而通常需要生產(chǎn)測試設(shè)備的成 本能夠最優(yōu)化。然而，由于驗(yàn)證測試和生產(chǎn)測試的需求不同，企業(yè)往往使用完全不同的測試設(shè)備–因而導(dǎo)致了測量數(shù)據(jù)無法關(guān)聯(lián)等問題，另外還需要工程師花費(fèi)額外的精力去編寫測試軟件。

由于測量算法之間的不同會導(dǎo)致測量結(jié)果的差異，提高驗(yàn)證和生產(chǎn)測試相關(guān)性的一個(gè)最簡單步驟是確保所有測量使用的是相同的測量算法。工程師可以通過一些方法來確保算法的標(biāo)準(zhǔn)化，如：

• 使用運(yùn)行于PC(或PXI系統(tǒng))而不是測試儀器上的軟件算法;

• 在驗(yàn)證測試和生產(chǎn)測試使用中類似的測試設(shè)備(同一供應(yīng)商);• 使用業(yè)界定義的測量，如根據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn)定義的測量。

其中，確保測量算法標(biāo)準(zhǔn)化最簡單的方法是在產(chǎn)品開發(fā)的各個(gè)階段使用來自同一供應(yīng)商的儀器。該方法還可幫助工程師在生產(chǎn)測試階段更輕松地利用用于驗(yàn)證測試的測試代碼。

將驗(yàn)證測試代碼復(fù)用于制造測試

盡管將驗(yàn)證測試代碼復(fù)用于生產(chǎn)中似乎是一個(gè)顯而易見的最佳做法，但這對軟件架構(gòu)有特殊要求。例如，想要在生產(chǎn)測試中利用設(shè)計(jì)驗(yàn)證測試中的代碼，采用模塊化、 分層式軟件架構(gòu)是至關(guān)重要的。在編程驗(yàn)證測試所需的軟件時(shí)，工程師通常會為了盡快的寫出代碼而忽略代碼架構(gòu)或長期可支持性。但是，由于驗(yàn)證測試所需的測量 很多與工業(yè)測試是一樣的，因而確保驗(yàn)證測試代碼的靈活性是非常重要的。

編寫測試軟件代碼中一個(gè)簡單的最佳方法是采用硬件抽象層。該方法是將對特定設(shè)備的底層驅(qū)動調(diào)用封裝在更高級的函數(shù)中。這種方法使得未來修改測試代碼、添加額外設(shè)備的工作變得更為簡單，而不需要大范圍地重寫。如圖3所 示，使用硬件抽象層需要測試代碼的架構(gòu)能夠讓特定儀器的驅(qū)動程序調(diào)用包含于該儀器產(chǎn)品系列的函數(shù)調(diào)用框架之中。雖然這需要更周全的前期設(shè)計(jì)，但使用硬件抽 象層可提高測試代碼的復(fù)用率，最終減少測試軟件開發(fā)的時(shí)間。請注意，相比于其他本身具有層次性的編程語言，比如NI LabVIEW系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件或其他類似的語言，硬件抽象層的層次性相對更為直接。

圖3. 傳統(tǒng)方法與硬件抽象層方法比較。[!--empirenews.page--]

請注意，圖3 所示架構(gòu)中重要的一點(diǎn)是將配置待測設(shè)備的代碼和配置儀器的代碼分開。雖然待測設(shè)備的配置和儀器的配置通常并行進(jìn)行，但最好還是將這兩個(gè)任務(wù)獨(dú)立開來。在某 些情況下，尤其是測試速度成為最重要因素時(shí)，測試執(zhí)行軟件能夠自動配置兩個(gè)獨(dú)立的函數(shù)調(diào)用，使其并行執(zhí)行。

驗(yàn)證和制造物理環(huán)境的一致性

工程實(shí)驗(yàn)室的物理環(huán)境通常與制造工廠的物理環(huán)境大相徑庭。盡管這似乎違背常理，但制造工廠的環(huán)境變化往往遠(yuǎn)多于實(shí)驗(yàn)室。此外，溫度變化、電力質(zhì)量問題甚至是 來自其他設(shè)備的虛假響應(yīng)都可能會影響測試結(jié)果。因此，最后一項(xiàng)最佳實(shí)踐就是確保驗(yàn)證測試過程中的物理環(huán)境與生產(chǎn)工廠的物理環(huán)境完全一致。

雖然生產(chǎn)環(huán)境中存在各種會影響測試結(jié)果的挑戰(zhàn)，但溫度變化可能是最顯著的一個(gè)。在制造工廠中，高密度的電子設(shè)備會散發(fā)大量不斷變化的熱輻射。此外，其他的簡 單因素也可能影響局部環(huán)境溫度，比如測試設(shè)備位于空調(diào)出風(fēng)口下方或者靠近門口。因此，雖然條件理想的制造工廠可能在大范圍內(nèi)可以很好地控制環(huán)境溫度，但要 控制待測設(shè)備的局部溫度還是非常困難的。這些溫度變化不僅會影響設(shè)備的準(zhǔn)確性，還會在很大程度上影響待測設(shè)備的性能。

在我多年的制造經(jīng)驗(yàn) 中，我曾親自觀察過有的工廠將環(huán)境溫度控制在1℃以內(nèi)，但特定測試站的局部溫度波動卻高達(dá)10℃。這里舉個(gè)例子說明溫度對測量質(zhì)量的影響，對于典型的高頻 放大器，溫度每變化1℃，功率的變化可達(dá)0.03 dB。儀器和復(fù)雜的設(shè)備通常在一個(gè)信號鏈中會用到多個(gè)放大器——因而溫度變化導(dǎo)致的功率誤差將迅速累加。如果要將輸出功率調(diào)整至功率放大器所需的較小范圍，如±0.5分貝(或更小)，則如此大的溫度變化將會導(dǎo)致嚴(yán)重的問題。

降低電磁設(shè)備造成的溫度變化的一個(gè)最好方法是確保良好的空氣流通。 此外，每次進(jìn)行RF測量時(shí)(無論是驗(yàn)證階段還是制造階段)順便進(jìn)行溫度測量是非常有好處的。尤其是在較大型的PCB設(shè)計(jì)中，板載溫度傳感器是監(jiān)測溫度的有 效方法之一。通過監(jiān)測溫度，工程師可以將每次的RF測量與環(huán)境條件相關(guān)聯(lián)。因此，溫度數(shù)據(jù)通?？梢杂糜诮忉岒?yàn)證和生產(chǎn)測試結(jié)果之間的差異。

夾具

另一種在驗(yàn)證階段中重現(xiàn)制造環(huán)境的方法是使用標(biāo)準(zhǔn)化的夾具。對于許多企業(yè)，夾具通常到了產(chǎn)品開發(fā)過程的生產(chǎn)階段才會被重視。雖然夾具對測量性能可能會產(chǎn)生正 面或負(fù)面的影響，但開發(fā)周期的早期階段使用符合制造要求的夾具是非常重要的。夾具的設(shè)計(jì)和制造應(yīng)該與早期設(shè)計(jì)或初始設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行。

在特性描 述階段，設(shè)計(jì)測試工程師往往會使用較差的布線解決方案，如使用很難反嵌的劣質(zhì)纜線或連接器。該階段如果使用用于生產(chǎn)測試的高質(zhì)量夾具，則有以下好處。首 先，在驗(yàn)證測試使用夾具可提高測量的可重復(fù)性和穩(wěn)定性，進(jìn)而提高測量質(zhì)量。其次，也是更重要的一點(diǎn)，在驗(yàn)證過程中使用質(zhì)量較好的夾具往往可以幫助工程師更 好地將驗(yàn)證測試結(jié)果和生產(chǎn)測試結(jié)果關(guān)聯(lián)起來。如圖4所示的板卡級夾具。

圖4. 板卡級驗(yàn)證和制造測試夾具。

符合制造要求的夾具也使得工程師只需與操作人員進(jìn)行少量的溝通就可測試DUT。常用的制造級夾具可為射頻/模擬測量、控制I / O以及直流電源提供可重復(fù)接口。此外，夾具還可以屏蔽電磁等重要環(huán)境干擾因素，同時(shí)具有更好的散熱效果。夾具還可最大程度減少人手的接觸– 該因素也會影響產(chǎn)品的熱特性。

電磁輻射

確保驗(yàn)證和生產(chǎn)階段物理環(huán)境一致性的最后一個(gè)方法 是測量和補(bǔ)償(如果有必要)電氣環(huán)境。一般情況下，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室的電氣干擾相對較少。由于實(shí)驗(yàn)室中需要測試產(chǎn)品和電子設(shè)備都比制造工廠少，因而干擾因素也較 少。在某些情況下，如果驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室使用屏蔽性能好的外殼，可保護(hù)DUT不受外界雜散輻射的影響。

進(jìn)行驗(yàn)證測試時(shí)，一個(gè)重要的最佳的辦法是在 實(shí)驗(yàn)室里重現(xiàn)制造環(huán)境。例如，可以使用頻譜分析儀來測量電磁輻射干擾，然后在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室中使用其他DUT來重現(xiàn)這一干擾。其他需要重現(xiàn)的干擾因素包括電源 變化。在電源穩(wěn)定性更為重要的環(huán)境中使用制造設(shè)備時(shí)，對電源進(jìn)行分析尤為重要。通過在驗(yàn)證測試過程中仿真制造測試，工程師可以預(yù)測測試系統(tǒng)的魯棒性，同時(shí) 還可確定對測試限制的影響。這樣可以預(yù)防制造初期可能產(chǎn)生的測試問題。

結(jié)論

隨著電子行業(yè)的競爭日益激烈，更快速地從產(chǎn)品設(shè)計(jì)過渡到制造測試的能力已經(jīng)對于企業(yè)越來越重要。正如本文所述，工程師必須提高對可制造性設(shè)計(jì)、測試代碼開發(fā)以及制造環(huán)境條件的認(rèn)識。在設(shè)計(jì)初期考慮這些因素將可幫助工程師大幅提高效率，快速從產(chǎn)品設(shè)計(jì)過渡到產(chǎn)品制造。

Bill Reid是美國國家儀器公司的首席硬件架構(gòu)師，擁有29年的射頻/微波行業(yè)經(jīng)驗(yàn)。他在微波產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開發(fā)制造測試系統(tǒng)、客戶咨詢以及行政管理等方面都具有豐富的專業(yè) 知識。他加入NI已經(jīng)有12年，擔(dān)任過商業(yè)和技術(shù)管理者。除了系統(tǒng)和板卡級設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，Bill還擁有豐富的計(jì)量經(jīng)驗(yàn)，負(fù)責(zé)為NI射頻產(chǎn)品制定校準(zhǔn)流程和精 度模型。在加入NI之前，Bill曾受聘于通用動力、EG&G、德州儀器和諾基亞手機(jī)公司。Bill擁有伊利諾大學(xué)芝加哥分校的電氣工程學(xué)士學(xué)位和加州州 立大學(xué)富勒頓分校的碩士學(xué)位。