iWave剛放出來的這顆可焊接SoMSolderable SoM目標很明確工業(yè)IoT和車載IoT。表面上看它只是把傳統(tǒng)的連接器形式改成了焊盤直出但做過硬件的人都知道封裝形式的改變從來不是小事。它直接影響PCB設(shè)計、生產(chǎn)調(diào)試、量產(chǎn)良率和長期可靠性甚至決定你的產(chǎn)品能不能在苛刻環(huán)境下活過三五年。如果你正在做邊緣網(wǎng)關(guān)、車載數(shù)據(jù)采集盒、工業(yè)控制器或者手里有一堆“評估板跑通了但壓不進外殼”的原型這顆SoM值得停下來看看。我結(jié)合iWave這次發(fā)布的信息把可焊接SoM背后的選型邏輯、設(shè)計要點和量產(chǎn)坑都梳理一遍盡量做到看完就能上手評估。1. 這塊“能焊上去”的SoM到底解決了什么問題1.1 從“插上去”到“焊上去”一字之差差在哪先聊個基礎(chǔ)概念。SoMSystem on Module就是把CPU、DDR、eMMC、PMIC這些復(fù)雜的核心電路做成一個模塊客戶只需要設(shè)計一塊相對簡單的外圍底板把電源、接口和傳感器接出來就能快速完成產(chǎn)品。傳統(tǒng)SoM大多用板對板連接器或者金手指插到載板上好處是靈活換模塊方便缺點也很明顯連接器在振動環(huán)境下會松在溫差大的環(huán)境里會氧化在布局緊湊的產(chǎn)品里還會白白占掉好幾毫米高度。iWave這次發(fā)布的Solderable SoM我理解就是把底部的連接器換成了類似LGA的焊盤。整塊模塊像一顆大號芯片一樣直接通過回流焊焊在載板上。沒有連接器沒有插座沒有壓緊機構(gòu)。這種形式在工業(yè)界其實不算特別新但這兩年明顯多了起來因為大家越來越意識到很多智能產(chǎn)品一旦要裝到車、裝到設(shè)備里傳統(tǒng)的“插拔式SoM”反而成了整個系統(tǒng)里最脆弱的環(huán)節(jié)。焊接之后模塊和載板之間的電氣連接是金屬間化合物不是機械接觸。接觸電阻更小信號完整性更好抗沖擊振動能力也強出一個量級。缺點也很直白焊上去就拆不下來了返修成本高對生產(chǎn)線的SMT能力有要求。1.2 為什么工業(yè)與車載IoT盯上可焊接SoM工業(yè)IoT和車載IoT的共同特點是設(shè)備工作環(huán)境差。溫度范圍常常是-40到85攝氏度有些位置甚至更高。振動方面車載設(shè)備要過隨機振動測試工業(yè)現(xiàn)場可能長期處于電機、泵、壓縮機帶來的持續(xù)振動中。傳統(tǒng)連接器在這種環(huán)境下面臨兩個問題一是機械結(jié)構(gòu)疲勞二是接觸面微動磨損。微動磨損這個詞不少做結(jié)構(gòu)的人不陌生。連接器插針和插座之間并不是完全靜止的在溫度循環(huán)和振動下會產(chǎn)生微小的相對運動長期下來接觸面會磨出氧化物電阻逐漸升高最后出現(xiàn)隨機死機、通訊不穩(wěn)定這種最頭痛的故障。而LGA焊點沒有這個問題因為焊點本身就是冶金結(jié)合沒有可移動的接觸面環(huán)境應(yīng)力靠的是焊球本身的彈性和PCB的韌性來吸收。另外車載和工業(yè)產(chǎn)品對體積有要求?？珊附覵oM去掉連接器之后整體高度可以做得更低模塊背面也沒有占空間的插座設(shè)計緊湊性明顯提升。尤其在一些手持終端、汽車后裝設(shè)備、傳感器網(wǎng)關(guān)里面省掉的每一毫米高度都很有價值。iWave選擇在這個時間點推出這樣的產(chǎn)品本質(zhì)上是順著市場走云端和邊緣端都在做智能化但終端落地之后能不能扛得住現(xiàn)場環(huán)境才是真正的分水嶺。2. 設(shè)計選型的底層邏輯為什么不用傳統(tǒng)連接器2.1 連接器方案的三個隱性成本傳統(tǒng)連接器方案看起來采購成本低開發(fā)靈活但放到產(chǎn)品全生命周期里看有三個隱性成本很容易被忽略。第一個是結(jié)構(gòu)加固成本。只要是插拔連接器在車載或工業(yè)設(shè)備里幾乎都要加螺釘、卡扣、支撐柱或者點膠固定否則過不了振動測試。這一套機構(gòu)設(shè)計下來外殼要開更多孔位模具和組裝工時都會增加。使用可焊接SoM之后這些結(jié)構(gòu)件可以直接砍掉外殼可以做得更簡單總裝良率也會提升。第二個是連接器本身的成本。很多人覺得連接器才幾塊錢但一個高可靠性的板對板連接器比如0.4mm間距、帶鎖定機構(gòu)的價格并不低。再加上模塊廠商在SoM上焊接連接器的工序成本、載板上連接器的貼片成本這些都會疊加到BOM里。相比之下LGA焊盤雖然對PCB工藝有要求但物料成本明顯更低。第三個是失效成本。這個最難量化但一旦發(fā)生就是大問題。設(shè)備在客戶現(xiàn)場跑了一年之后出現(xiàn)接觸不良你基本只能整機召回。如果是車載項目還會牽扯到安全性和品牌口碑。而焊接方案在壽命周期內(nèi)的可靠性數(shù)據(jù)更可預(yù)測至少不會因為連接器磨損出現(xiàn)隨機失效。2.2 可焊接SoM適合什么場景不適合什么場景雖然可焊接SoM優(yōu)點很多但它不是萬能解。產(chǎn)品開發(fā)第一步是先判斷自己到底適不適合用。適合的場景有幾類產(chǎn)品定義已經(jīng)穩(wěn)定、不會頻繁更換核心板設(shè)備將長期工作在振動、溫差、粉塵、潮濕環(huán)境整機對高度和體積敏感或者公司有自己的SMT產(chǎn)線能控制回流焊質(zhì)量。不適合的場景也明確早期原型驗證階段還在反復(fù)換核心板調(diào)方案用插拔式SoM會更高效產(chǎn)品產(chǎn)量很小、每個月只有幾百臺又依賴外發(fā)代工那焊接工藝的成本分攤可能不劃算還有一些特殊應(yīng)用會要求核心板可以現(xiàn)場更換比如軍工類的模塊化設(shè)計這種需求下焊死反而是劣勢。所以iWave發(fā)布這塊可焊接SoM并不代表他們放棄傳統(tǒng)連接器產(chǎn)品線。更合理的理解是同一個SoM家族的芯片給用戶提供兩種連接方式交付場景不同選擇不同。這對做產(chǎn)品的人來說其實是好事選型空間更大。3. 把可焊接SoM放進你的板子從方案選型到量產(chǎn)落地的完整路徑3.1 拿到手冊后先看這幾張圖如果你決定把iWave這顆SoM放到設(shè)計里第一步不是急著畫原理圖而是吃透幾份關(guān)鍵文檔。第一份是引腳定義圖這跟傳統(tǒng)SoM不太一樣因為LGA封裝的所有引腳都在底部一旦畫錯很難飛線補救。你要對照原理圖一個一個確認電源、地、高速信號和GPIO的位置特別留意哪些引腳是NC、哪些是內(nèi)部上下拉。第二份是機械尺寸圖。需要重點看模塊的長寬、厚度、焊盤陣列的坐標原點、邊緣到第一排焊盤的距離以及模塊底部有沒有器件、器件高度是多少。這些信息直接決定你的封裝符號怎么建、外圍器件怎么擺、結(jié)構(gòu)空間夠不夠。第三份是熱設(shè)計指南?？珊附覵oM把熱量從CPU傳到PCB很大程度依賴模塊底部焊盤和載板之間的散熱路徑。手冊里通常會標記哪些焊盤是散熱焊盤哪些位置建議加散熱過孔。這個不能省因為很多工業(yè)設(shè)備的殼體本身就是一個大散熱器你完全可以通過載板把熱量導(dǎo)到外殼上。還有一個容易被忽略的點layout guide布局布線指南。iWave這些成熟SoM廠商一般會給出DDR接口走線、以太網(wǎng)差分線、電源去耦的建議。因為模塊已經(jīng)把核心電路集成了你的載板主要處理接口電路但高速信號處理不好照樣會卡在認證或穩(wěn)定性測試上。3.2 PCB封裝與焊盤設(shè)計要點可焊接SoM在載板上本質(zhì)就是一個大尺寸BGA封裝。做封裝的時候我習(xí)慣把焊盤尺寸跟芯片廠商推薦的阻焊開窗嚴格對齊不要自己隨便改。開口太小會導(dǎo)致焊料潤濕面積不足太大則容易出現(xiàn)焊料溢出。最好直接用廠商提供的封裝焊盤庫沒有的話也要反復(fù)核對坐標。散熱焊盤的處理要特別注意。LGA封裝里的大面積地焊盤除了電氣連接還承擔(dān)散熱功能。在載板上對應(yīng)的位置要做成網(wǎng)格狀或者陣列過孔形式把熱量往下導(dǎo)。散熱過孔建議用0.3mm左右孔徑電鍍填孔與否取決于你的量產(chǎn)成本。如果過孔沒堵住回流焊時焊料可能順著孔流走造成焊盤少錫這是很常見的缺陷。載板表面處理也要留意。與SoM焊盤接觸的焊盤建議用ENIG化鎳金或者沉銀避免用純OSP。因為可焊接SoM從焊接到出貨可能還有一段時間如果焊盤氧化潤濕性會明顯變差。ENIG的平整度和抗氧化性更適合這種大封裝模塊。還有一點是定位和工藝邊的設(shè)計。iWave這種模塊在沒有連接器的情況下貼片時需要依靠板邊定位載板上至少要有兩個精確定位孔。同時要保證模塊下方的載板區(qū)域不要鋪太密的細走線否則出現(xiàn)返修時熱風(fēng)一吹旁邊的走線絕緣層容易起皮。3.3 回流焊與生產(chǎn)注意事項可焊接SoM對回流焊的要求跟普通板子上貼一顆大BGA芯片非常像。首先要注意的是溫度曲線一般使用SAC305錫膏時峰值溫度在235到245攝氏度之間高于217攝氏度的時間控制在60到90秒預(yù)熱階段斜率不要超過每秒2攝氏度。因為SoM本身是一個已經(jīng)完成過一次回流焊的組件再次過爐時模塊內(nèi)部的焊點會經(jīng)受雙重?zé)釠_擊所以盡量降低熱應(yīng)力很重要。我建議拿到模塊之后先帶一兩片去做爐溫測試在模塊頂部和PCB表面分別貼熱電偶確認溫差在可控范圍內(nèi)。有些SoM很厚實頂部和底部溫差可能超過10度這時候要優(yōu)化回流焊曲線的恒溫段時間讓模塊內(nèi)部溫度場均勻避免焊接完成但內(nèi)部某些BGA球沒完全融合或者更糟糕的爆米花效應(yīng)。爐內(nèi)氣氛也值得考慮。有條件的話在焊接這類大模塊時使用氮氣可以明顯減少焊料氧化提高潤濕性尤其當(dāng)焊盤有微小的共面性差異時氮氣能提升焊接的寬容度。如果工廠沒有氮氣爐那就要在錫膏選擇和溫度曲線上更保守適當(dāng)延長峰值前的時間。生產(chǎn)現(xiàn)場還要注意靜電防護和濕度控制。可焊接SoM底部焊盤密集一旦受潮回流焊時容易起泡分層。模塊拆封后盡量在24小時內(nèi)完成貼片或者嚴格按照廠商的濕敏等級存放。不要為了省事把整盤模塊敞開放在車間里這是很多小廠容易踩的坑。3.4 上電調(diào)試與固件驗證焊接完成之后先別急著加載大規(guī)模應(yīng)用。上電之前用萬用表量一遍所有電源軌的對地阻抗確認沒有短路。接著插上調(diào)試串口看引導(dǎo)加載程序的打印信息。很多可焊接SoM出廠時已經(jīng)燒錄了bootloader所以第一次上電應(yīng)該能看到串口輸出如果完全黑屏無聲先檢查電源紋波和復(fù)位時序。之后要做的通常是更新BSP和設(shè)備樹。iWave這類廠商一般會提供基于Yocto或Buildroot的BSP包里面帶著板級設(shè)備樹和內(nèi)核補丁。你不一定要完全跟進他們的發(fā)布節(jié)奏但至少要拿到與硬件版本匹配的BSP版本否則外設(shè)驅(qū)動可能對不上。特別要關(guān)注eMMC的分區(qū)表、以太網(wǎng)PHY的地址配置、CAN控制器的時鐘源這些在載板設(shè)計有差異時需要手動調(diào)整。上電能跑起來之后做一次持續(xù)壓力測試。我用過的SoM平臺通常要跑至少72小時的循環(huán)啟停和網(wǎng)絡(luò)吞吐測試配合溫度循環(huán)測試臺觀察有沒有偶發(fā)死機或接口復(fù)位。因為可焊接SoM一旦裝到設(shè)備里拆下來分析問題的難度比插拔式要大得多所以前期的驗證寧可多花時間。4. 我踩過的坑可焊接SoM調(diào)試與量產(chǎn)問題實錄4.1 常見問題速查表把這些年在帶LGA封裝模塊時遇到的問題整理成表格方便大家直接對照排查?，F(xiàn)象可能原因處理思路上電后電流偏大底部焊盤與載板焊盤之間連錫短路先做X-Ray檢查確認短路位置用熱風(fēng)局部修復(fù)個別電源軌電壓偏低散熱過孔吸錫導(dǎo)致電源焊盤少錫檢查過孔是否填充改進鋼網(wǎng)開口設(shè)計網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定丟包率高差分線區(qū)域阻抗不連續(xù)檢查載板走線、參考地層是否完整必要時加耦合電容調(diào)優(yōu)高溫老化后重啟模塊中心區(qū)域熱堆積焊點疲勞優(yōu)化散熱過孔增加導(dǎo)熱墊連接到結(jié)構(gòu)件降低焊點溫度偶發(fā)不開機復(fù)位信號被噪聲干擾檢查復(fù)位引腳去耦電容位置避免過孔過長過細返修后功能異常返修溫度過高導(dǎo)致模塊內(nèi)部焊球重熔返修時用底部加熱臺嚴格控制局部溫度盡量避免多次返修4.2 幾個容易被忽略的細節(jié)第一個細節(jié)是模塊下方的器件高度。可焊接SoM焊接后模塊底部和載板之間間隙很小理論上不能放任何高度超過0.3mm的元件。但有些初學(xué)者會在模塊下方放濾波電容或電阻結(jié)果模塊貼上去之后壓到器件導(dǎo)致焊盤浮高整片焊點拉裂。我現(xiàn)在的原則是模塊投影區(qū)域下方一律清空只放散熱過孔。第二個細節(jié)是測試點的設(shè)計。因為可焊接SoM不方便拆你要把所有關(guān)鍵調(diào)試信號引到載板邊緣的測試點或測試排針上。包括調(diào)試串口、JTAG、復(fù)位、啟動模式引腳、幾路關(guān)鍵電源。這樣即使模塊焊死了你還是可以用探針或者夾具來調(diào)試。第三個細節(jié)是BOM的版本一致性。可焊接SoM一般有多個硬件版本同一個引腳位置可能在不同版本上定義不同。打樣前務(wù)必跟廠商確認當(dāng)前模塊的硬件版本并核對對應(yīng)的引腳變更記錄。我見過因為采購部門和研發(fā)部門沒對齊用了舊模塊配新載板結(jié)果一上電就燒了一路電源的案例。另外如果想要量產(chǎn)更順建議提前跟代工廠溝通貼裝能力。LGA模塊的貼片精度要求通常在±0.05mm以內(nèi)普通高速貼片機能做但需要專門的吸嘴和影像識別參數(shù)。確認代工廠有過類似BGA/LGA模塊的貼裝經(jīng)驗不要只看報價。5. 供應(yīng)商與供應(yīng)鏈視角iWave這類方案為什么值得關(guān)注5.1 產(chǎn)品生命周期和長期供貨工業(yè)IoT和車載IoT項目的周期往往很長一款設(shè)備從設(shè)計到量產(chǎn)可能就要一年上市后還要銷售5到10年。這一行最怕的不是算力不夠而是芯片停產(chǎn)或者供應(yīng)商換料。SoM廠商的核心價值之一就是把主芯片的供貨風(fēng)險承接過去。iWave做嵌入式模塊做了很多年產(chǎn)品線覆蓋不少主流工業(yè)級和車規(guī)級平臺他們選擇做可焊接SoM說明這塊產(chǎn)品定位是要往中長期項目里走的。不過你自己選型時還是要問清楚幾個問題模塊的生命周期承諾是多少年停產(chǎn)通知周期多長如果主芯片進入EOL他們是否有第二供應(yīng)商方案或長期備貨機制另外一個容易忽略的事情是變更管理。模塊內(nèi)部PCB改版、元器件替換、固件更新都會影響你的量產(chǎn)導(dǎo)入。好的模塊廠商會主動推送PCNProduct Change Notification但你要在自己的項目里設(shè)置對應(yīng)的版本凍結(jié)和回歸測試流程。尤其是可焊接SoM焊到板子上之后想要單獨更換模塊版本幾乎不可能所以變更評審要前置。5.2 從評估板到定制板的銜接拿到iWave這顆可焊接SoM之后我建議的開發(fā)路徑是先買他們配套的評估板或者開發(fā)載板用最快的速度驗證系統(tǒng)能跑起來。這不只是為了看性能更重要的是確認這套BSP、外設(shè)驅(qū)動和軟件生態(tài)是否滿足你的需求。如果你對Linux內(nèi)核、設(shè)備樹、啟動流程不熟先用原廠載板把基礎(chǔ)打通再開始畫自己的定制載板。定制載板的設(shè)計務(wù)必以原廠參考設(shè)計為準。不要為了省一個電源芯片或者改一個電平轉(zhuǎn)換電路而隨意簡化因為這些外圍電路很可能直接影響整個系統(tǒng)的EMC和抗干擾能力。我習(xí)慣的做法是把原廠參考原理圖從頭到尾過一遍每一個引腳的用途都弄清楚再刪減真正多余的部分。這種銜接方式對可焊接SoM尤其重要因為你沒法像插拔式模塊那樣在調(diào)試階段隨時把模塊拔下來換到另一塊載板上。每一步驗證都要做到位才能在問題發(fā)生時快速定位是模塊問題還是載板問題。6. 最后分享一點實操心得可焊接SoM這種形態(tài)最初我還挺抵觸的因為以前做調(diào)試習(xí)慣了“核心板壞了直接拔下來換一塊”。但真正跑完一個項目之后我發(fā)現(xiàn)焊接方案帶來的穩(wěn)定性和體積優(yōu)勢遠遠超過了那一點調(diào)試上的不便。我現(xiàn)在做工業(yè)類產(chǎn)品選型時會先問自己一個問題這個設(shè)備在大規(guī)模使用之后會不會有人去現(xiàn)場拆開換核心板如果答案是否定的那連接器就只是一個“維護幻覺”不如直接用焊接方案把產(chǎn)品可靠性做扎實。iWave這塊SoM本質(zhì)上就是把選擇權(quán)交還給硬件工程師想要靈活有插拔式想要可靠有焊盤直出。這才是我覺得這次發(fā)布最有價值的地方。如果你正在評估類似方案我的建議是不要只盯芯片性能多向廠商要一份可靠的焊接應(yīng)用筆記和參考封裝庫然后安排一次小批量試產(chǎn)來驗證工藝。等焊接、測試、老化這幾關(guān)都跑通了你就能真正享受可焊接SoM帶來的紅利更小的設(shè)備、更穩(wěn)的連接、更省心的生命周期管理。