Eingebettetes Rechnen: Design for Ease of Manufacturing und Low Cost-of-Ownership

Alicia Lewis, leitende technische Redakteurin, Digi International
27. Februar 2020

Der Markt für eingebettete Computer ist breit gefächert und vielfältig - und wird es jeden Tag mehr. In Anwendungen, die von Displays im Einzelhandel bis hin zu Komponenten für die Luft- und Raumfahrt reichen, werden eingebettete Computer eingesetzt, allerdings mit sehr unterschiedlichen Anforderungen an Form, Passform und Funktion des Endprodukts. Daher hat der Markt für eingebettete System-on-Module (SOMs) mit einer Vielzahl von Optionen reagiert. In diesem Blog konzentrieren wir uns in erster Linie auf die für SOMs verfügbaren Befestigungsarten.
 

Start mit Oberflächenmontage (SMT)

Die physikalischen Spezifikationen eines SOM-Moduls, einschließlich seiner Größe, Form, seines Layouts und seiner Anschlussschnittstellen, spielen eine Schlüsselrolle für die Anpassungsfähigkeit, Robustheit und Leistung des Moduls, wenn es auf einem Gerät angebracht (oder montiert) wird Fertigprodukt.

Drei der gängigsten Montagearten sind: Board-to-Board-Steckverbinder, Edge-Mount-Steckverbinder und Surface Mount Technology (SMT). Innerhalb des oberflächenmontierbaren Formats gibt es eine Reihe von Anschlussmöglichkeiten, einschließlich Land Grid Array (LGA), Ball Grid Array (BGA) und Wabenpads (auch bekannt als "Wabenmontagebohrungen").

SMT-Module tragen der Komplexität des Trägerplattendesigns in mehrfacher Hinsicht Rechnung. Erstens sind die Randverzahnungen (so benannt nach ihrem Aussehen wie die Mauern einer mittelalterlichen Burg) ideal für einfachere Produktdesigns. Sie helfen, die Anzahl der Lagen auf der Trägerplatine zu reduzieren und ermöglichen eine kostengünstige Design-Integration, einschließlich der Möglichkeit, Prototypen von Hand zu löten. Für Produktdesigns mit mehr Funktionen, dem LGA und BGA Montageoption bietet vollständige Designfreiheit und ermöglicht einen zuverlässigen Fertigungsprozess.

Digi verwendet ein Montagesystem, das wir Digi SMTplus®, die zwei Technologien in einer vereint. SMTplus bietet sowohl Randgießungen zur Vereinfachung der Entwicklung der Trägerplatine als auch universelle LGA Pads zu bieten Zugriff auf alle Funktionen, die auf dem SOM verfügbar sind.

Diese Konstruktion wurde vereinfacht und optimiert um maximale Flexibilität zu bieten, so dass die Entwickler die Konfiguration wählen können, die am besten zu ihren Produktanforderungen passt. Digi SMTplus ist für die automatisierte Bestückung sowohl in Low-Volume- als auch in High-Volume-Anwendungen konzipiert, um die Kosten zu optimieren. Zusätzlich bietet es eine optimale Lösung unter dem Gesichtspunkt der Pinanzahl.

Überlegungen zur SOM-Montage

Bei der Auswahl eines Embedded-Formats ist es wichtig, die Eigenschaften, Vorteile und Nachteile der verschiedenen Montageoptionen zu kennen. Faktoren wie Größe, Konnektivität, Sicherheit, Robustheit, thermische Leistung und Steckertyp wirken sich alle auf die einfache Herstellung und die Gesamtbetriebskosten aus. Lassen Sie uns einige dieser wichtigen Überlegungen durchgehen.

• Größe und Signalverfügbarkeit: SOMs mit einem Edge-Connector (z. B. SO DIMM 200, 260) bieten ein gutes Verhältnis zwischen Pinzahl und Größe, aber die Anzahl der Pins kann die Länge des Moduls so weit erhöhen, dass es unpraktisch wird. SOMs, die viele Funktionen freilegen müssen, können dies mit Board-to-Board-Steckverbindern tun, die ein besseres Verhältnis von Pin-Anzahl und -Größe bieten und ideal für komplexere Designs sind. Die SMT-Montage bietet ein ausgewogenes Verhältnis von Pin-Anzahl und Größe, so dass alle auf dem SOM verfügbaren Funktionen offengelegt werden können und gleichzeitig eine praktische Größe für eine Reihe von Produktabmessungen beibehalten wird.
• Mechanische Zuverlässigkeit: Viele Embedded-Produkte werden in rauen Umgebungen eingesetzt, die starken Vibrationen ausgesetzt sind. Die mehrfachen Lötstellen des SMT-Designs bieten unter diesen Bedingungen eine überlegene mechanische Robustheit. Das niedrige Profil eines oberflächenmontierten Moduls trägt ebenfalls zur allgemeinen mechanischen Festigkeit bei. SMT-Module können hochbeschleunigte Lebensdauertests (HALT), Vibrations- und Falltests bestehen, ohne dass zusätzliche Material- und Arbeitskosten für die Befestigung des Moduls auf der Trägerplatine anfallen.
• Thermische Leistung: Basierend auf einer Evaluierung des Digi ConnectCore® 6 zeigte die SMT-Montage die beste thermische Managementleistung. Die Gründe dafür haben mit zwei Arten zu tun, auf die das SMT-Format die Wärme effizient überträgt: 1) die Abschirmung wirkt als Wärmespreizer und 2) das SMT-Design leitet die Wärme effektiv an die Massefläche der Trägerplatine ab.
• Elektromagnetische Störfestigkeit: SMT bietet klassenbeste EMI-Leistung. Insbesondere reduziert das Digi SMTplus-Design die Strahlungsemission aus der Leitungsinduktivität und begrenzt die Größe des Strahlungsschleifenbereichs. Außerdem reduziert die Verwendung einer vollständigen Abschirmung, die das gesamte SOM abdeckt, die Strahlung nicht nur der Funkschnittstelle, sondern des gesamten Moduls.
• Systemkosten: Bei der Bewertung von Embedded-Modulen sollten immer die Gesamtbetriebskosten (TCO) und nicht nur die Stückkosten berücksichtigt werden. Wenn ein Modul zusätzliche Steckverbinder benötigt, sollten Sie unbedingt ermitteln, wie viel dies zu den Gesamtkosten der Stückliste beiträgt. Beispielsweise benötigen oberflächenmontierbare Module keinen Steckverbinder auf der Trägerplatine, während andere Designs einen oder mehrere dieser Steckverbinder benötigen können. Dies kann die Endkosten eines Produkts um 2 bis 3 US-Dollar pro Einheit erhöhen, wobei Befestigungskomponenten wie Schrauben und Abstandshalter sowie Arbeitsaufwand nicht berücksichtigt sind.

Vergleich der Montagearten

Die folgende Tabelle enthält eine Vergleichstabelle, die Ihnen hilft, eine Reihe von SOM-Funktionen und Montageoptionen zu bewerten.
 

Für eine lange Produktlebensdauer - Digi ConnectCore 8M Nano

Die Digi ConnectCore® 8M Nano SOM, das auf dem NXP® i.MX 8M Nano Anwendungsprozessor basiertverwendet das Digi SMTplus-Montageformat, um sowohl die Zuverlässigkeit als auch die Designfreiheit zu maximieren. Er ist für die verlängerten Produktlebenszyklen von 10+ Jahren vieler Embedded-Geräte ausgelegt und hilft OEMs, ihre F&E- und Entwicklungskosten zu senken. Durch die Nutzung vorzertifizierter drahtloser Konnektivität trägt er außerdem zu einer Senkung der Gesamtbetriebskosten bei. Der Digi ConnectCore® 8M Nano bietet außerdem Remote-Management-Funktionen sowie Cloud-Integration und eine vollständige Linux-Softwareplattform auf Basis des Yocto-Projekts. 

Zusammenfassung und Handlungsempfehlungen

Alle Montagearten haben ihre Vor- und Nachteile. Die Berücksichtigung aller Faktoren - Steckertyp, Robustheit, Größe, Konnektivität, einfache Herstellung und vor allem die Gesamtbetriebskosten - ermöglicht eine maximale Langlebigkeit des Designs und zukünftige Kompatibilität, ohne dass Sie Ihre Möglichkeiten zur Optimierung des Board-Designs einschränken.

Wenden Sie sich an Digi, wenn Sie Hilfe bei der Auswahl der richtigen Embedded-Lösung für Ihre Produktvision benötigen. Die Digi-Teams können Sie in jeder Phase Ihrer Reise unterstützen, von der Planung über die Entwicklung bis zur Produktion.