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专访CADWELL谈FPC在医疗设备领域的应用

三月 06, 2019 | I-Connect007
专访CADWELL谈FPC在医疗设备领域的应用

目前,业内一些公司开始越来越多地采用挠性电路,原因各异。医疗设备公司Cadwell Industries也在通过增加挠性电路的使用来提高产品的可靠性。近日,我采访了Cadwell公司的工程支持专家Jarrod Schulte,邀请他探讨了医疗设备中挠性电路的设计详情,以及刚性电路和挠性电路在设计方法上的异同之处。他强调要在设计阶段初期就与制造商尽早沟通。

Andy Shaughnessy:Jarrod,可以先介绍一下你在 Cadwell Industries的职责以及有关挠性电路的工作内容吗?

Jarrod Schulte:我刚进入Cadwell公司时是一名售后维护技术员,差不多做了4年。之后工程部要招聘一名PCB设计师,我当时完全没有这方面的工作经验,但是我非常了解公司的产品,这是我的优势。

所以我进入了PCB设计部,开始向公司的高级PCB设计师Shawn Windom拜师学艺。他是一名非常棒的老师,还鼓励我去参加IPC组织的CID培训。从正式入职工程部的那一刻起,我就开始钻研任何我能接触到的东西。我在家里制作了一个3D打印机,我非常享受这个过程,现在我已经是公司3D打印方面的专家了。我还会从事挠性电路板和很多刚性电路板的设计工作,同时也做一些注塑成型工艺的相关工作。总的来说,只要有事情需要去完成,我都会去尝试。

Shaughnessy:你是公司的全能选手。

Schulte:我确实扮演着这样的角色。

Shaughnessy:Cadwell公司最初为什么要采用挠性电路?

Schulte:我们也是最近才开始真正涉足这个领域的。在我还没进入工程部之前,大概在21世纪初期,我们公司开始使用挠性电路板。但当时他们的运气不太好,所以直到最近,我们都一直在连接器板和正在构建的放大器或刺激器板之间的采用刚性90度互连结构。

最近我们一直在设计高级加固结构,我和Shawn把挠性电路作为可能的解决方案。因为挠性电路的特性,可以保证连接是非常稳健的,但同时又是动态的;去掉挠性电路部分后,两个刚性电路板是相互独立的,可自由移动。今年,我们完成了3个挠性电路设计。所有这些设计都是作为两个垂直线路板之间的接口,而且我们在新项目中也采用了一些这样的设计。

Shaughnessy:所以说它和刚挠性设计类似,但又不完全一样。

Schulte:没错,我们会分别设计挠性部分和刚性部分。大多数产品设计一直采用刚性板,但如果考虑产品的耐用性,我们就会设计挠性互连线缆,如果这样,线缆每一端都有一个卡扣连接器。这种方式的成本比刚挠结合设计的成本低很多,而且使设计具有模块化特性;如果电路的挠性部分出了问题,你只需要替换挠性部分就可以了,不需要替换整个刚挠结合板。

Shaughnessy:你基本上是把挠性电路当作线缆使用。

Schulte:是的。我们只是将患者输入或输出连接器的电路板采用线缆连入放大器或记录仪等设备。刚挠结合板不仅设计复杂,而且生产成本很高,所以我们尽量不使用。盲孔和埋孔这类结构会使制造复杂性增加,所以我们会尽量避免设计中出现这类结构。我们尽量使设计保持简单,除非产品的尺寸或其他属性成为主导因素,我们才会考虑采用复杂结构。我们就在这座大楼里完成所有产品的维护工作,所以我们设计的产品尽量是只需要维修或更换出现问题的电路板,而不是在出现故障时直接换掉一大块机电组件。你只需要替换某个特定的线路板,这样就能够帮客户节省很多维修成本。

Shaughnessy:你们的哪些设备使用了挠性电路?

Schulte:我们现在生产神经诊断设备,这些设备可用于肌电图检查(EMG)和神经传导速度(NCV)研究。我们最初设计的脑电图(EEG)放大器有32个通道,现在研究的新产品将会有512条通道。我们已经开展了一些新睡眠研究项目,很快就会推出多功能睡眠记录仪(PSG)产品。

我们还制造术中神经监测设备(IONM),它可从运动和感觉两方面监测神经通道,可以在手术过程中指导外科医生。它可降低病人在术后出现神经损伤的风险。IONM领域非常有趣,我所描述的只是这个设备所有功能的冰山一角。例如,当我还在维修部任职的时候,我的职责包括通过电话提供技术支持、以及现场维修和测试设备。所以偶尔会接到手术室工作人员的电话说他们的设备出了问题。你必须在他们正在进行的手术过程中尽快让设备恢复正常。这可不是玩笑,但这是一件好事。我感觉自己就像是外科手术团队中的一员,在手术室里参与手术。

Shaughnessy:针对这些设备,可靠性是你们的重中之重,对吗?

Schulte:没错,可靠性具有非常高的优先权,尤其是与手术室相关的产品。我们希望生产出的产品不会在使用过程中出现问题,能够让客户信赖。

Shaughnessy:你们需要使用HDI或任何其他尖端技术吗?

Schulte:随着产品轻薄短小,我们开始涉足高密度和BGA设计。但就目前来看,我们还是会尽量避免采用这些技术。常规密度对我们而言更容易制造和组装,在生产过程中会较少出现问题。采用常规密度可以让研发过程中的故障排查设计更容易,而且如果能使用大一些的零件,可靠性也会增强,所以我们还是倾向于采用常规密度。但我们正在推出的一些产品的确在提升我们的设计能力。我们在不断往产品中填加元件,增加层数,尽可能提高产品密度。

Shaughnessy:你们设计出的挠性板或刚性板都是在哪里生产组装?

Schulte:我们的产量非常低,所以会固定一两家工厂负责生产。我们和生产商的关系非常密切。这也是为什么我们能保证产品具有较高可靠性的方法之一——与那些我们可以信赖的厂商合作。所以我相信就算我们犯了错,他们也可以帮我们发现错误。

Shaughnessy:制造商经常会说:“我们希望设计师在设计过程中尽早和我们沟通。”

Schulte:在Cadwell公司,是设计师和工程师负责订购组件和线路板,所以我们可以和生产、组装PCB的厂商直接沟通。我们公司以工程部为主,而不是上级下达命令说“我们要节省这些电路板的生产成本,都送去中国生产。”成本不是我们首要考虑的因素。

Shaughnessy:我知道有很多制造商考虑进入挠性材料生产领域,因为这个领域的利润非常高。

Schulte:我也只是从去年才开始从事挠性电路设计,所以没有办法直接给出客观的看法。对我而言,挠性设计非常简单,至少对我最近的设计而言是这样的。尤其是和多层刚性板设计对比而言。挠性设计顶多就是由一些连接器、铜、粘合剂、聚酰亚胺带构成。我最近完成的设计中就只使用了连接器这种元器件。但我们确实利用这种结构减少了外壳空间,而且产品的可靠性也得到了提升。

Shaughnessy:对于从事挠性电路设计工作的人而言,你认为他们面临的最大挑战是什么?

Schulte:对我而言,最大的挑战是一开始要花大量时间专门研究挠性设计。一开始,我先是联系挠性电路制造商,询问他们有没有设计指南。几乎每个人都发给了我一份设计指南并且对我说:“如果你按照这些规格要求完成设计,那可真的是帮了我们一个大忙。”而且他们会告诉我一些小技巧,教我如何让产品变得更可靠、更灵活。

一旦我找到一家我感兴趣的工厂并且对方会积极给我答复,我的问题就可以得到更具体的解答,所以我的设计也会变得更精炼。但最大的难题在于要快速掌握设计挠性电路板所需的术语。并不是说这些术语与设计一块简单刚性板所需的术语完全不同。只是说在设计挠性电路板的过程中要谨记这些不同的规则。

Shaughnessy:你认为EDA工具在完成挠性电路设计方面的性能如何?EDA技术是否已经赶上了挠性电路的发展?

Schulte:Cadstar的性能并不理想。它更适合应用于刚性设计,它在刚性设计方面的表现非常好。但我们的工具包中真的没有一样工具很适合做挠性板设计。我们最近改用Altium,我很期待能够进一步了解这个软件工具里有关挠性电路工具的性能。

我们使用SOLIDWORKS进行所有的机械设计,会把Altium直接插入SOLIDWORKS使用。你可以在Altium环境中设计挠性电路,然后转交给机械工程师,他们可以把这个设计直接安装到组件当中,在订购产品之前确保这些设计都是互相适配的。

至于挑战,确实有些问题是非常难解决的。确定挠性电路板的长度也许看起来非常简单,但是如果在2D环境下设计产品然后转移到3D环境下操作,有时候很难确定哪些地方需要弯折或者是在插入连接器以后会施加哪种压力。这是电路板唯一需要进行调整的地方——增加或缩短长度。除此之外,工厂还会耐心回答所有问题,确保我提供给他们的设计足够可靠并且能够投入生产。

Shaughnessy:你们每次都要做一个样板吗?

Schulte:不是每一次都做。实际上,我能想到的一个例子就是所有的板子,甚至是刚性板,都是第一次投入生产,所以我们手上没有任何实体可以用来看它的具体结构。全都是概念模型,我们最多也就是在模型上画一些曲线然后说:“看起来差不多就是在这个位置。”

我们没有实体可以放一个模型进去看看是不是匹配。但是一旦我们拿到了实体,我们就能够知道长度要设计成多长。我们画出一个模型然后剪下来,和我们手中的实体进行对比,再根据需做出相应调整。

Shaughnessy:医疗设备行业的公司一定要遵守FDA法规,对吗?

Schulte:是的,FDA和ISO 60601指南。这是对我们的设计影响最大的标准。不论何时,只要我们设计出新的产品,就要经过严格的测试和认证,确保产品符合所有FDA和ISO的标准。我们还希望能够获得CE标志。这是另一套我们一定要遵从的标准,似乎每个国家都制定了独立的监管体系需要我们去遵守,这方面需要我们花很多精力。在此,向我们公司的监管部门致敬。

Shaughnessy:是的。你们公司有多少PCB设计师和EE?

Schulte:包括我在内一共有两名PCB设计师。很长一段时间内,Shawn都是Cadwell公司唯一的一名设计师,但随着我们不断推出新产品,他有些忙不过来了,所以把我招纳进了设计部门,让我接受培训,所以现在我们两个人共同分担设计工作。

EE也是一个非常精简的团队。我们有7位具有不同专长的设计工程师,其中4名专业电路设计工程师,2名做固件的工程师,还有1名工程师既可做电路设计,也可做固件。哪个项目需要投入最多的精力或者是需要优先完成哪个任务,我们的团队就会全力以赴,共同完成那个项目。很多工程师会一直跟踪一个项目。我会协调各个项目,保证一切正常运转,为工程师的要求提供支持。

Shaughnessy: 你们的工作环境听上去真不错。公司的总部设立在华盛顿吗?

Schulte:是的,我们的总部在华盛顿Kennewick,我们的设计、制造、维护和所有支持工作都是在总部大楼里完成。

Shaughnessy:你所说的制造是指组装吗?

Schulte:没错,是指组装。我们会订购所有的复杂钻头、PCB组件和注塑零件等。然后厂家把这些物品寄到我们这里。我们有负责生产的全职员工来完成整体的组装工作,而且所有设备都是我们自己生产的。我们对电路板和设备进行测试,然后就在自己的工厂里完成生产。

Shaughnessy:所以说你们外包出去的就只有制造?

Schulte:没错,制造是公司唯一不做的一部分,我们会尽量与当地厂商合作。镇上一家注塑工厂就一直与我们有着良好的合作关系。我们设计的大多数PCB都由俄勒冈州 Forest Grove的Westak公司生产。他们是非常优秀的合作厂商,他们的工程部员工能为我们提供很好的反馈,而且这家工厂距离我们只需3小时车程,如果有任何问题出现,我们直接开车过去就可以。当你和合作伙伴没有语言障碍并且距离很近的时候,合作起来就方便多了。

Shaughnessy:对于那些刚进入挠性电路领域的人,你有什么建议吗?或者是要避免遇到哪些问题?

Schulte:我的建议是,要提前做好功课。如果你很熟悉刚性板设计,你就会发现挠性设计只不过是你之前的设计多加了一些弯折结构。我的首要建议就是要和负责生产的工作人员沟通。我在参观工厂的时候,包括组装工厂和制造车间,他们对我们谈论的内容都能够产生共鸣,而且会说“如果每个人都能像你们这样和我们沟通就好了。”

Shaughnessy:大多数设计师都从来没有去过电路板工厂或者有25年没有去过电路板工厂,因为他们在工作中都身兼多职。

Schulte:这真是难以置信。我进入这个行业只有5年,但是我对刚性板或挠性电路生产所涉及的工作量之多感到非常震惊。我还没参观过挠性板制造工厂,但我已经有这样的打算了。在刚开始从事设计工作的时候,我和Shawn参观过刚性板工厂和组装厂。我问Shawn:“我们不能在一天内参观完电路板生产厂和组装厂这两个地方吗?”他笑着跟我讲:“你马上就不会这么想了。”

确实,当我离开PCB工厂的时候已经是目光呆滞了,有太多信息需要消化。这个流程太复杂了,但很吸引人,而且我认为设计师应该去参观这些生产他们所设计产品的工厂。只有了解这些工艺流程,你才能更自信地认为设计出的产品不需要返工,不需要做出任何修改。

Shaughnessy:是的。你是不是曾经说过你们还会直接打印电子产品?

Schulte:不一定是电子产品,还有FDM类型的塑料印制产品。我非常热衷于这些技术,还制造了几套产品。我在工作中也开始钻研这个领域,我们聘用了一名负责3D打印技术的机械工程师,我们两个人有一台新的打印机,我开始大量使用3D打印零件来完成测试夹具的设计。在此之前,我不得不在2D的ACAD中绘制夹具载板,然后把文件发送出去以便完成FR4裸板的布线。一旦收到这些板,我就经常需要完成一些手动组装工作。但凡出了一点问题,我就要重复整个流程。而现在我可以用Solidworks设计产品,打印出来以后再验证它的形状、匹配度和功能。之后就可以在同一天生产出需要的数量。

Shaughnessy:3D打印的发展真的太惊人了。现在只需要采用这种技术就可以先生产出一块电路板了,再也不需要按以前的方式生产样板了。

Schulte:如果按照我的想法去做,我们会购入更多的3D打印机,打印各种各样的东西。

Shaughnessy: 热衷于这件事真的很不错。

Schulte:最开始我就是因为车载音响和电脑才对电子产品感兴趣的。

Shaughnessy:你还有其他内容想要分享吗?

Schulte:很开心能有这次机会与你交谈。我很享受这份工作,而且也热衷于电路板设计工作。我没有想到我会一直从事这类工作,也感到很幸运能够坚持下来。这份职业非常伟大,我希望人们有更正式的途径去了解并学习这种技能,而不是工作以后才接触到它。现在没有任何一个有关设计类的专业认证,只有IPC 的CID和CID+证书,行业内很少有这样的培训了。我没听说过有哪所技术学校开设PCB设计类课程或是提供相关证书。你必须要去实际进行大量操作才可以获得这项技能。

Shaughnessy:PCB West、APEX和DesignCon开办了相关课程,但是大学并没有开设PCB设计类课程。

Schulte:是的,这一点令我很惊讶。你去看一看招聘启事就能发现,很多时候公司会要求工程师去从事PCB的布局工作,我觉得他们要求的太多了。了解具体设计和一般电路设计以及精通这些知识是一回事,但是设计PCB又是另外一回事。这真的是两个完全不同的领域。

Shaughnessy:PCB设计并不像按一个按钮那样简单,虽然一些工程经理会这样认为。

Schulte: 我们经常开玩笑说,你只需要上传一张原理图然后选择“确认”,再按回车键就能得到一块PCB。这是启动自动布线软件的捷径,但这种方法只会得出劣质的产品,所以你还是要花时间设置自动布线软件设计制约,和你布线所需要花的时间一样多。

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#医疗电子  #FPC  #CADWELL 


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