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Bose未来的挠性电路计划

十一月 03, 2018 | I-Connect007
Bose未来的挠性电路计划

Bose是在消费者中有100%知名度的公司之一。他们的成名作是901系列音响,它可以让你感觉声音是从房间的另一边发出来的。我仍然不明白他们是如何做到的,音响在面前,但声音来自房间的四面八方。Bose音频工程师们显然很有能力。

现在,Bose公司决定了要制造可穿戴设备和各种很酷的产品,这些都促使他们开始使用挠性电路。我很有幸能够采访到Bose公司的元件可靠性工程师Todd MacFadden,探讨了Bose公司在挠性电路方面的经验,涉及FPC的一些优缺点,以及如何确定该在什么时候从刚性切换到挠性。

Andy Shaughnessy:Todd,作为Bose的元件可靠性工程师,你的工作内容是什么,与挠性和刚挠结合板有什么联系?

Todd MacFadden:我在Bose工作了14年,其中在这个岗位大约有5年。我现在的职位需要与Bose设计团队密切合作,在概念设计的后阶段了解即将推出产品的技术需求。他们做出了哪些选择来推进PCB设计和变革?例如,BGA间距和阵列尺寸的变化。然后,我会与全球的PCB和FPC供应商(我们的供应链)合作,以确保在我们需要支持这些技术时他们具备相应的生产能力。

有时,这意味着寻找新的供应商或与现有供应商合作,让他们投资新设备或提供给他们优化现有设备所需的工程资源。这非常令人兴奋,因为我与Bose的所有业务部门都合作,包括汽车类、专业类、消费类电子产品和我们最新的健康部门。这意味着有许多不同的外形尺寸,从体育场扬声器到可穿戴设备。我还与公司所有的开发团队合作开发即将推出的产品,还与整个供应链——材料、制造商和组装厂进行交流沟通。所有这些都是互相关联的。

我工作中关于可靠性的部分是为了确保设计足够稳定,使产品在生命周期和各种环境中能够正常运行。我们为可靠性工作做了很多设计和建模,然后再进行实际测试。有趣的是,在过去3年中,小型化迫使我们进入了挠性领域,这对我们来说基本上是全新的领域。之前,我们的产品都有相对较大的外壳和大量空间来容纳电子产品,但现在我们的产品是便携式或可穿戴的。这一切都与小型化有关,尝试将设计在三维空间中折叠对我们来说非常有趣且非常有挑战性。

挠性领域对我们来说还是新东西,我们正在学习这方面的设计规则和供应链的局限性——哪些地方我们可以突破界限,哪些地方不能,这是非常令人兴奋的工作。

Shaughnessy:所以你们是被迫进入挠性领域的?

MacFadden:是的,我们跟随很多行业,来到了这条路上。我认为,很多消费电子领域的公司出于和我们一样的原因,在挠性方面铆足了劲。但是在过去,我们会尽量少用挠性板,除非是必须用的时候才会使用,因为我们以前认为挠性板比板到板连接器更昂贵。后来,我们发现,情况并非总是如此。有时,制造一个能够以更简洁的方式集成到产品中的定制挠性电路其实更便宜。它不仅可以减少空间占用和重量,还可以节省成本。不必每次再购买板到板连接器。

Shaughnessy:听起来你们还必须学习挠性的设计规则,它们的规则完全不同于刚性板。

MacFadden:是的,你知道最有挑战性的是什么吗?我们的供应商们会告知其生产能力,这就会是我们Bose内部设计规则的基线;但每个供应商都是独一无二的,他们的生产能力各不相同。他们擅长的材料组合也不同,有不同的平衡点,因此供应商A的设计对于供应商B来说有可能不是最佳的,并且因为我们总是尝试AB双供应商,以最小化风险,所以我们必须优化该设计,以使两个供应商生产出的产品都同样稳定。有时这意味着需要进行权衡,有时不能达到我们想要的那么小,或者不能把它放在我们想要得那么靠近边缘。

Shaughnessy:在我们创刊号的问卷调查中,您提到在早期就与制造商和组装厂通力合作非常重要。你是否非常清楚地知道哪个设计该对应哪个制造商?

MacFadden:是的,我们已经非常了解我们的供应商们,并且在合作一段时间后,我们也知道了他们的生产能力如何。我通常会知道该挠性电路是什么尺寸,以及它会使用什么技术。然后,我就知道要与哪两三家供应商联系,在开始设计之前,还只是一个粗略的概念阶段,我们就会召集他们来开会,或者给他们打电话。

“我们需要大致这个样子的布局。它必须能折叠成这样的外形尺寸。”然后,我们开始提问,“使用补强板会更好吗?双面会更好吗?是否能够进行双面表面贴装?”这些问题是我们最经常问的,这些问题的答案是最关键的,而不是在后期再调整设计。如您所知,每次修改设计都更加昂贵,并且后期做出修改更加困难。

我了解的关键点是与供应商的技术专家保持良好的关系,他们在早期阶段基本上可以随时待命。后来,我们很幸运地找到了能够为我们提供这些资源的供应商,他们拥有一批技术过硬的人员。

此外,我也会利用我在IPC的资源。IPC和委员会中有很多专家。这真的是一个学习的好地方。听到有其他人遇到类似的挑战令人安心。最近,我们参加了挠性电路研讨会、专业发展课程,现在我想让一些设计师也参加这些会议和研讨会,因为这里能学到很多东西。一旦设计师开始在三维空间中思考,并理解这些材料的一些局限性和能力,就会开启一个完全不同的世界。

Shaughnessy:你们的产品中用到的挠性板和刚性板的比例是多少?有个大概数据吗?

MacFadden:在过去的4年里,我们发生了令人难以置信的变化。4年前,我会告诉你,我们总体支出中的90%是刚性,10%是挠性。这种情况现在已经完全改变,刚挠结合板和挠性板各占了我们整体PCB设计工作和支出的大约三分之一。这一切都发生在三四年的时间里。我们必须抓紧完善设计规则,以及完善全新的供应商群体。这一切发生得太快了。能够看到公司经历的这个转折点非常有趣。

Shaughnessy:这绝对是一场大变革。能详细介绍一下您之前提到的可穿戴设备中的挠性电路吗?你们都遇到了哪些挑战?

MacFadden:我们最新的产品是戴在脖子上的绕颈式扬声器,它能为佩戴者提供一个声学帘幕。这类产品的概念都是最大程度减少重量,使它对佩戴者来说足够舒适,并将尽可能多的功能放入最小的外壳中。容纳它唯一的方法是使用挠性和刚挠结合板,这样就能最大程度减少连接器接头的数量,以便能够折叠。

图1:Bose ProFlight航空耳机的头带内部含有可以动态滑动挠性电路

它也非常适合一些能买到的现成芯片组,其中一些尺寸非常小。它们是针对手机市场定制的,所以必须小型化,而其他消费电子市场既是其受益者,也是受害者。在非常紧凑的BGA中可以集成很多功能,但它也需要非常复杂的电路板设计。这意味着层数更多,HDI微通孔更多,才能实现这些互连。在要求小型化的同时,对功能的更多要求需要用到更复杂的IC和现成的部件。

从某些方面来说,现成的封装也变得更加高效了,围绕这些封装的设计所需要的子元件更少,因此,这里存在一个权衡。所有这一切都是为了制造一种既舒适又轻便的可穿戴设备,它能够经受住你能想象到的所有残酷考验:跌落测试、水雾测试、置于非常炎热环境中的车内仪表板上、在非常寒冷环境中的车里过夜。汗水也是一个非常具有挑战性的环境因素。幸运的是,挠性材料的化学稳定性和耐热性很好。

图2:Bose发现,对于最新的电子设备而言,挠性板比刚性板更合适

Shaughnessy:你之前提到了有时候挠性板会比刚性板更便宜,而且有时候必须费很大的劲才能将刚性板装进外壳里,这么说太有趣了。

MacFadden:与刚性材料相比,对应的挠性材料的单位成本要高得多。但是有些时候你可以通过使用挠性板来减少层数,或者消除连接器接头。如果可以如此将它融入设计中,除了把它用于板对板连接之外,还有其他目的,那么这就很有意义。举一个例子,我们即将在一个产品上使用板对板连接器时,意识到可以通过将LED和麦克风放在这个挠性线路上,从而省掉一整块六层电路板。并且,通过这种方式连接两块刚性板非常简洁。

这就是FPC有可能会比刚性PCB成本更低的情况。它可能并不总是具有更高的成本效益,但你必须着眼完整的设计,这就是我之前谈到的要让我们的设计团队以不同的方式思考电路设计。如今,不能仅仅在二维平面上思考了,要把三维立体空间也利用起来,让产品变得更薄更轻,所以,为什么不利用这些优势呢?这真的很棒。我们经常在一组设计中进行大量迭代。我们在开发周期中看到的设计创新比之前任何时候都更多。部分原因是人们会发现:“嗯,如果我稍微调整一下这个东西,把它移到这里会更高效。”

Shaughnessy:这太酷了。你的经历是什么样的?

MacFadden:我是化学工程专业的,我进入电子行业是因为我在攻读硕士学位时研究的是无铅电子方面。在该行业正在向无铅焊料转型时正是进入Bose的初期,我开始帮助公司实现无铅转型。这非常令人兴奋,因为这也是整个行业的变革性事件。能成为这个行业的一员也非常令人兴奋,而且,我必须与整个公司的人员一起合作进行这个转变,从文档控制到组装生产线,以及整个工艺流程中的每个人。

刚加入Bose时就有这样的机会是非常难得的。我结识了很多人。我们必须每周向高管汇报进展情况,所以在我毕业后的第一份工作中,我每周都会与总裁和整个高管层进行沟通。Bose的另一个伟大之处在于高管人员都是可以接触到的。他们都是工程师,热爱创意,并且会与公司任何级别的所有工程师交流技术。这真的令人非常兴奋。

Shaughnessy:Bose有多少PCB设计师?

MacFadden:首先,我们的设计师从来都不够用。我们有一个非常好的设计师团队。公司里有不同的部门,如汽车、专业、消费电子和研发团队,所以这些电路板设计师的工作是跨部门的。他们分享他们所学到的知识。我们有都可以学到的通用设计规则。如今,因为技术变化如此之快,必须不断更新我们的设计规则。我至少每周都会接到一次设计师打来的电话,说:“我知道在我们的设计规则中,我们应该最少保留空间的数据是否可以更小点?”我们会一直讨论这些东西。同样,这也是从一开始就了解PCB供应商及其技术要求非常重要的原因。

Shaughnessy:工厂的名言就是:“利用我们的知识,让我们培训你。”正如所言,你不可能知道关于挠性电路的一切知识。

MacFadden:的确是这样,我们真的需要依靠供应商的专业知识来帮助我们。我很幸运,至少每年要去一次在新英格兰、加利福尼亚和亚洲的供应商那里,有时候一年几次。能够了解工厂并查看工艺以及实现其中一些技术所涉及的内容非常重要。很多企业现在都用上卷对卷工艺了,以适应大批量生产以及一些外形尺寸要求。与PCB相比,他们现在可以通过卷对卷实现一些非常有创意并且有趣的想法。我们可以把它做得很长,我见过一些超长的挠性电路,可以用在10到15年前人们做梦都想不到的地方。

我们的汽车部门必然会更加保守。他们必须对OEM负责,在这种情况下,Bose就是供应商了,而不是OEM,所以往往需要更加谨慎。他们对是否转向挠性电路还是持保留态度。但根据我们看到的情况,挠性电路在恶劣环境中确实表现良好。

Shaughnessy:是否有年轻人进入Bose公司或这个行业?您认为我们该如何吸引年轻人加入这个行业?

MacFadden:是的,我在Bose的15年,真的见证了这种转变。Bose公司一直是人们愿意效力终生的地方。公司最近有很多人退休,他们都是在Bose工作了20、30、35年的,人员稳定是我们的传统。与此同时,我们还有一个非常强大的合作项目,在我们位于马萨诸塞州弗雷明汉的办公区周围,全部是非常优秀的大学。Bose与该地区的大学建立了非常牢固的关系,特别是与麻省理工学院的合作,这是该公司的创始人Amar Bose博士学习并授课了40年的地方。

图3:Bose QuietControl降噪耳机采用刚挠结合和挠性电路的组合

我们有很多合作项目的实习生和应届毕业生会到Bose工作。我们最近开始了一项名为PACE的新计划。它让初级工程师进入Bose,经历一系列4个月、6个月换岗,每次换岗通常都会在不同部门,因此他们可以广泛接触到公司内部的各种角色和工作机会,以及了解员工和工作方式。每年我们都会有越来越多的人参与这些计划。有时候,在经历过所有这些之前,你并不真正了解自己擅长什么或者想做些什么。

Shaughnessy:那么您认为最大的挑战是什么,无论是对您而言还是对大多数设计挠性电路工作人员而言?

MacFadden:从我的角度来看,我面对的最大挑战是我以前只有刚性PCB方面的知识,所以,我不仅需要了解材料的潜力,还要了解其局限性。因为材料是挠性的,意味着更多的移动,所以对准有所不同。当你试图将两块挠性材料夹在一起时,它们会移动。同样,如果我们向另一个极端发展,也可能会遇到麻烦。幸运的是,我们一般都会在设计的很早期阶段就发现这些问题,部分原因是我们与制造商建立了密切的联系。另一件事是我们一般都能非常成功地组装挠性电路,或者使用SMT技术,但在产品组装时会出现较多挑战,特别是有大量折叠和移动,以及在肉眼看不见的情况下插入挠性电路时。

图4:Bose SoundWear Companion扬声器采用多层柔性印刷电路,用于电路板互连,以及安装LED,触觉开关和麦克风等组件

在时间紧迫的组装环境中,生产线上肯定会出现人为错误,因此,设计必须考虑牢固。人们可能不注意在使用过程中很大力,造成产品的损坏。这不仅仅意味着一定要设计稳健的电路,还必须能经受住组装过程。它会如何安装进外壳里?就算你有世界上最简洁、最有趣的设计,如果无法可靠且可重复地将其安装进产品外壳中,就必须做出修改。

Shaughnessy:你的观点很有意思。20年前,当我开始涉足这个行业时,只有大约5%的设计师做过挠性设计,因为成本昂贵且与PCB完全不同。

MacFadden:是的,对于很多习惯于二维思考的老工程师来说,学会三维思考是一个很大的挑战。如今,最新的设计工具可以轻松实现可视化三维结构,能看到是一回事,但将这些东西顺利放进外壳中可能又是一个挑战。最近,我们在一个产品的表面上安装了LED元件,这些元件应该是要放进产品的外壳中,在模制的一系列光导管后面的,但每几个中总有一个是坏的。我们将支撑结构移动了一毫米,这个问题就消失了。在组装之前,所有人都没有预料到这里会出问题。

还有一次,我们曾试图在建议的弯曲半径上再加一点点。虽然我不建议这样做,但至少可以先尝试一下。我们确实遇到了一些金手指金属箔裂缝的问题。对于某些人来说,ZIF连接器已经容易出问题了,我们还在上面增加弯曲半径。最终我们设法解决了这个问题。幸运的是,这些都发生在产品发布之前。

Shaughnessy:你之前提到了设计工具。EDA工具是否已经能满足挠性设计需求?据我所知,之前还不支持挠性电路设计。

MacFadden:并没有。这些工具还是存在滞后现象。我的意思是,我们最早的很多挠性设计都是通过“蛮力”完成的,手动改变工具来使它做你需要的事情。但我知道一些最新版本的工具确实包含了许多我们希望看到的变化,比如根据您输入的数字自动计算弯曲半径,以及帮助你创建曲线而不必手绘。实际上,我们的一些设计师已经在使用这些功能。

刚挠结合板的刚性区域和挠性区域之间的过渡情况有可能非常复杂。您需要确保很好地界定了禁止布线区域(Keepout),这样,就不会有太多粘合剂在挤压后流到挠性部分上,限制弯曲半径。最新的设计工具确实能够帮助工程师了解这些边界和限制。

Shaughnessy:你有什么想补充的吗?比如一些建议?

MacFadden:我的第一条建议是尽早与供应商的技术代表进行交流,因为他们拥有大量信息,可以在您犯下代价高昂的错误之前与您分享,只需要跟他们谈谈你的想法就足够了。第二条建议是做好修改设计的准备,现在,使用激光切割以及使用实际材料建模变得更加容易。

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