隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展以及對便攜式產(chǎn)品需求的增加，隨身攜帶的醫(yī)療器械以及緊湊型和無線設(shè)備在醫(yī)院、醫(yī)療保健中心和急救車輛中變得越來越普遍。像這樣的小尺寸產(chǎn)品基于緊湊的PCB，其緊密間隔的數(shù)字和模擬電路彼此相鄰。

由于產(chǎn)品功能增加，緊湊型醫(yī)療電子設(shè)備的復(fù)雜性大大增加了PCB層數(shù)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，這些小型設(shè)備現(xiàn)在比其臺式機(jī)前身執(zhí)行更多的電子功能。因此，執(zhí)行信號路由的層數(shù)正在增加，以及其他功能。較新的緊湊型醫(yī)療設(shè)備通常需要包含10-12個(gè)PCB層的PCB，有時(shí)甚至更多。

設(shè)備萎縮

隨著設(shè)備大小的減小，層和路由變得更加復(fù)雜。有源器件的尺寸正在縮小，并采用先進(jìn)的封裝，如球柵陣列（BGA）、四方扁平封裝（QFP）和芯片級封裝（CSP），增加了與小尺寸PCB相關(guān)的復(fù)雜性和難度。更多細(xì)間距BGA正被用于緊湊型醫(yī)療設(shè)備。MicroBGA 器件的間距范圍從 0.5 mm 到 0.3 mm 不等，這使得組裝過程極具挑戰(zhàn)性。

電阻器和電容器等無源器件也在不斷縮小。五年前，1206 和 0805 封裝類型被頻繁使用。如今，??s 0402 和 0201 封裝的物理尺寸是早期設(shè)備封裝的一半到四分之一。這些較小的封裝可實(shí)現(xiàn)更小的布局，但通過昂貴的拾取和放置、表面貼裝生產(chǎn)線和其他輔助返工站，使組裝變得困難，并且需要相當(dāng)?shù)木取?/p>

一次通過產(chǎn)生預(yù)期

考慮到令人生畏的產(chǎn)品挑戰(zhàn)，PCB設(shè)計(jì)、制造和組裝過程變得非常復(fù)雜。因此，審慎的醫(yī)療電子OEM必須仔細(xì)審查一次通過的產(chǎn)量，以確定有多少產(chǎn)品通過。同樣，電子制造服務(wù)（EMS）提供商團(tuán)隊(duì)必須接受第一次就正確進(jìn)行設(shè)計(jì)，制造和組裝的口號。

一次通過良率對于緊湊型醫(yī)療電子設(shè)備的設(shè)計(jì)和組裝更為重要，原因很簡單，它們比大型產(chǎn)品更難制造和返工。一次通過良率過程在組裝和測試完成后進(jìn)行。評估測試覆蓋率以確定故障率并執(zhí)行故障分析。第一遍良率必須確保創(chuàng)建和應(yīng)用正確的熱曲線，元件極性準(zhǔn)確，不使用缺失或錯(cuò)誤的元件，分配足夠的焊膏，并使用正確的助焊劑。

通常，原型水平的一次通過率應(yīng)為75%或更高。然而，當(dāng)涉及生命關(guān)鍵型產(chǎn)品時(shí)，醫(yī)療OEM廠商需要90%的一次通過率。這意味著經(jīng)驗(yàn)豐富的EMS提供商必須制定一個(gè)流程來定期審查設(shè)計(jì)和裝配數(shù)據(jù)，并進(jìn)行必要的改進(jìn)，以創(chuàng)造90%或更高的高一次通過率。

“一次通過產(chǎn)量”指標(biāo)表示 EMS 提供商的 ??s 設(shè)計(jì)和裝配程序有多嚴(yán)格，以及為確保產(chǎn)品可靠性而實(shí)施的檢查和平衡的效率。

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

醫(yī)療產(chǎn)品的裝配設(shè)計(jì) （DFA） 在很大程度上依賴于多個(gè)團(tuán)隊(duì)的互動。分配給給定PCB項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，制造，裝配和組件采購團(tuán)隊(duì)必須精確調(diào)整到項(xiàng)目的“??s”規(guī)范。設(shè)計(jì)工程師必須充分了解某些裝配方面，同樣，裝配工程師必須詳細(xì)了解項(xiàng)目‘??s設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，例如自動放置和檢查問題以及返工要求。

這些團(tuán)隊(duì)一起工作可以在根本原因級別處理和解決大多數(shù)問題。例如，如果設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)指定了一個(gè)組件，其延長的交貨時(shí)間為 12 周或更長時(shí)間，則采購團(tuán)隊(duì)可以標(biāo)記此問題并建議隨時(shí)可用的替換組件。

高效的DFA需要解決以下注意事項(xiàng)：

應(yīng)在PCB布局階段全面部署足夠的測試點(diǎn)，以便在飛針或ICT測試或直接探測期間完全訪問和覆蓋。醫(yī)療設(shè)備測試需要多個(gè)冗余測試點(diǎn)來精確捕獲數(shù)據(jù)。如果需要，測試工程師通過訪問兩個(gè)或三個(gè)測試節(jié)點(diǎn)點(diǎn)來檢查此覆蓋范圍。

在制造電路板時(shí)，重要的是要考慮鑲板而不是一次制造一塊電路板。當(dāng)電路板尺寸相對較小時(shí)尤其如此，例如30平方英寸或更小。這種鑲板（如圖 2 所示）提高了制造和裝配速度，從而降低了 OEM 成本。

在布局階段放置元件時(shí)，如果可能的話，謹(jǐn)慎的做法是使用電路板的一側(cè)而不是使用兩側(cè)。僅在一側(cè)使用組件可降低裝配和測試階段的非經(jīng)常性工程成本。它還加快了拾取和放置機(jī)器上的組件放置，并減少了ICT或飛針的組件測試時(shí)間，從而節(jié)省了OEM的金錢和時(shí)間。僅將組件放置在頂部還可以減少返工、質(zhì)量控制和調(diào)試時(shí)間，所有這些都可以降低裝配成本。

在PCB設(shè)計(jì)階段，出于DFA考慮，所有機(jī)械因素都應(yīng)牢記在心，例如為PCB設(shè)計(jì)至少兩個(gè)（如果不是三個(gè)）安裝孔。此外，應(yīng)設(shè)計(jì)每個(gè)有源元件的基準(zhǔn)標(biāo)記，并在電路板上的絲印上明確定義極化元件上的極性。這種做法消除了在組件放置、測試和調(diào)試階段可能出現(xiàn)的混淆，從而降低了生產(chǎn)成本。

在設(shè)計(jì)階段指定組件的硬件工程師應(yīng)盡可能多地使用經(jīng)過時(shí)間測試和驗(yàn)證的組件。使用這些組件可減少調(diào)試和測試時(shí)間，并使醫(yī)療產(chǎn)品更加可靠和可預(yù)測。有效的DFA還要求使用常用的組件，其規(guī)格和功能已經(jīng)在眾多其他系統(tǒng)應(yīng)用中一次又一次地得到驗(yàn)證。

另一個(gè)主要考慮因素涉及仔細(xì)監(jiān)控與設(shè)備相關(guān)的特征和物理公差。以醫(yī)療產(chǎn)品的PCB制造過程中用于鉆孔的鉆機(jī)為例。鉆入PCB的鉆頭可以蜿蜒或徘徊。DFA要求在這方面保持嚴(yán)格的公差，特別是如果設(shè)計(jì)了更小的孔尺寸，例如8密耳或更小。此外，保持多個(gè)對稱組件的正確對齊也至關(guān)重要。如果涉及模塊化設(shè)計(jì)，則必須保持所有模塊相同，以便當(dāng)IC放置在一個(gè)模塊中時(shí)，相似的IC將相同地放置在第二，第三，第四和后續(xù)編號模塊中。這對于小型且人口稠密的醫(yī)療產(chǎn)品尤其重要。

同樣，電阻和電容器網(wǎng)絡(luò)必須以類似的方式放置，以減少SMT機(jī)器編程和放置時(shí)間。在某些情況下，PCB可能大小不一或形狀奇特。因此，在DFA中一開始就明確了這一特定功能，以便在裝配過程中使用所需的夾具時(shí)，預(yù)先指定其局限性，以使裝配過程順利，更可預(yù)測和高效。

最后，設(shè)計(jì)、制造和裝配說明方面的詳細(xì)文檔是DFA的一個(gè)重要方面。這種嚴(yán)格的程序可確保在制造和裝配過程中正確執(zhí)行設(shè)計(jì)的所有元素。如果涉及多個(gè)供應(yīng)商，則準(zhǔn)備充分的說明尤其重要;設(shè)計(jì)布局可以由一家公司執(zhí)行，PCB制造可以由另一家公司執(zhí)行，第三家公司進(jìn)行組裝階段，第四家公司進(jìn)行返工和測試。

混合信號設(shè)計(jì)

為了解決緊湊型醫(yī)療產(chǎn)品上混合信號設(shè)計(jì)的DFA問題，應(yīng)確定明確定義和明確的策略，以便：

降低信噪比

根據(jù)元件位置正確定義電源和接地信號以及平面

屏蔽來自模擬段的高速數(shù)字信號

如果在布局時(shí)沒有采用這些DFA策略，則產(chǎn)品可能會產(chǎn)生不可接受的噪音水平，并需要重新設(shè)計(jì)，從而花費(fèi)更多的時(shí)間，資源和金錢。

每個(gè)混合信號板設(shè)計(jì)都是不同的，需要專業(yè)混合信號設(shè)計(jì)人員和緊湊型醫(yī)療設(shè)備OEM之間的交互式設(shè)計(jì)談判。在PCB布局上設(shè)計(jì)混合信號元件時(shí)，某些考慮因素對于實(shí)現(xiàn)最佳性能至關(guān)重要。

混合信號設(shè)計(jì)非常困難，因?yàn)榕c數(shù)字元件相比，ADI器件具有不同的特性，例如不同的額定功率、電流和電壓標(biāo)注、散熱要求和信號速度。因此，識別某些有問題的區(qū)域，然后在混合信號醫(yī)療設(shè)計(jì)中正確實(shí)施解決方案非常重要。

糟糕，更好，最好的布局

圖 3

混合信號電路的PCB放置是更重要的DFA點(diǎn)之一。首先，觀察錯(cuò)誤的方法。如圖3a所示，模擬和數(shù)字接地層之間的中間存在分離，表現(xiàn)為L形或S形圖，走線穿過該分離。這是一個(gè)糟糕的布局，因?yàn)槠矫娣蛛x中的跡線不連續(xù)性和缺乏返回路徑會導(dǎo)致噪聲和交叉擾動。

缺少的是位于跡線下方的相應(yīng)實(shí)體平面，以允許該跡線上的連續(xù)阻抗。此外，從模擬平面到數(shù)字平面的跡線交叉會阻止這些特定跡線的良好返回路徑。一個(gè)好的DFA設(shè)計(jì)應(yīng)該在模擬和數(shù)字接地層之間保持分離平面的明顯分離，并在模擬分割平面下保持模擬跡線，在數(shù)字分割平面下保持?jǐn)?shù)字跡線。否則，電路板上會產(chǎn)生噪聲并發(fā)出信號惡化。

理想情況下，電路板的模擬部分必須在放置、布線和平面創(chuàng)建方面完全隔離。此外，模擬走線應(yīng)僅在其模擬基準(zhǔn)電源或接地層以下運(yùn)行。相反，數(shù)字走線應(yīng)運(yùn)行在具有相應(yīng)電源和接地層的數(shù)字部分下，如圖3b所示。這樣可以保持阻抗恒定，并為信號提供良好的返回路徑。

然而，在某些情況下，由于PCB空間的機(jī)械和/或空間限制，完全的模擬和數(shù)字分離是不可能的。這里最好的方法是在單獨(dú)的層上運(yùn)行模擬和數(shù)字跡線。如果各層之間沒有平面分隔，則經(jīng)驗(yàn)法則是垂直運(yùn)行它們以保持信號真實(shí)性。但它們永遠(yuǎn)不應(yīng)該彼此平行運(yùn)行。

圖 5

圖3c顯示了以模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）IC為例的最佳貼裝方法。IC的一側(cè)將模擬引腳正好放在模擬平面的頂部，而另一側(cè)的數(shù)字引腳正好位于數(shù)字平面上。

當(dāng)分離與本ADC IC示例一樣精確和理想時(shí)，器件級的混合信號電路分離需要仔細(xì)的設(shè)計(jì)技術(shù)。以封裝在BGA中的混合信號器件為例。器件中的模擬和數(shù)字電路以約15密耳寬的間隙隔離，因此所有模擬信號和跡線都在模擬側(cè)，其對應(yīng)的數(shù)字部分位于數(shù)字側(cè)。

堅(jiān)固的設(shè)計(jì)

對更堅(jiān)固性、高質(zhì)量、更高可靠性和更好良率的需求都與緊湊型醫(yī)療電子設(shè)備有關(guān)。ISO 9001：2000 和 ISO 13485 等 ISO 標(biāo)準(zhǔn)為 EMS 公司提供了額外的資格，以符合這些要求，并允許他們向醫(yī)療產(chǎn)品 OEM 保證高標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品質(zhì)量。這些產(chǎn)品制造不需要這些ISO標(biāo)準(zhǔn);但是，它們可以為醫(yī)療設(shè)備OEM提供更大的產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性保證。

雖然遵循這些標(biāo)準(zhǔn)很重要，但通過關(guān)注DFA過程的細(xì)節(jié)來超越標(biāo)準(zhǔn)，對緊湊型設(shè)備設(shè)計(jì)的成功產(chǎn)生了最終的影響。嚴(yán)格的DFA方法可以節(jié)省成本和空間，從而為生命攸關(guān)的產(chǎn)品提供堅(jiān)固的PCB設(shè)計(jì)。

審核編輯：郭婷