优质工控主板是如何制造出来的

作者：黄熙华

众所周知，无论是商用计算机还是工业计算机，其核心就是主板，而工业用的主板由于其应用范围更广泛，使用环境更恶劣，因此，用户对其功能、兼容性、可靠性要求更高。如何判断一片主板的优劣，在此笔者和大家分享一些在主板制造厂工作多年的经验。

首先，我们从主板的研发开始谈起。一款新主板的研发一般都会经历原理设计，电路布线（EDA，电子设计自动化），编写BIOS（基础输入输出系统）和驱动程序等软件，制作样板，设计认证，小批量试产等过程。一款主板的优劣，研发水平起了决定性的作用，尤其是原理设计、电路布线、编写BIOS的技术水平是关键，所谓罗马不是一天建成的，一款技术成熟的主板，都是由少则三五年，多则十余年经验丰富的研发团队设计的。资深原理设计工程师，在设计方案的选择、电路的设计、关键元器件参数和厂商的选择等方面都能体现其功力。一些厂商为追求成本，会从设计方面下手，如将CPU的三相供电电路改为二相，得到成本的降低，却埋下了烧MOS管甚于烧CPU的隐患。又如，选择一些价格较便宜的元件，以电容为例，以日本生产的最贵，但其耐压和耐热性也较好，由于CPU供电电路对电容耐压和耐热要求很高，大厂一般都会选择品质较好的电容，如日本NICHICON或RUBYCON的电容，如果选择品质较差的电容很可能在温度较高的工作环境连续长时间工作后导致迅速老化，严重情况下电容可能会被烧毁。又如，无论是在国际上或在国内，都对电磁兼容性有很强的要求，国标GB9254对电磁幅射有明确的规定，分为A级（工业）和B级（民用）两级，尤其以民用标准更为严格，因为会直接影响到使用者及周边人群的健康。我们做过一个小实验，将一盆仙人球盆景放在一个幅射较强的CRT显示屏旁两至三个月，在沙漠里生长，有顽强生命力的仙人球居然枯萎了。如何知道你购买的产品是否达到了国际或国家标准呢？你可以请厂商出具国家权威机构的检验证书，或欧洲的CE认证，或美国的FCC认证。许多大厂为了保证电磁幅射符合标准，会投资建设实验室，先自行测试再送权威机构认证，光建设一个测量电磁辐射的半波暗室就需要投入近千万元的设备。主板的设计、布线和元器件都会对电磁幅射构成直接的影响，如一个资深的EDA工程师不仅要非常了解高频和低频走线的布局，以免造成串扰，同时还要考虑走线直角可能造成的电磁幅射，一个硬件工程师如果在选择某些元器件，如磁珠元件等时考虑降低成本或经验不够，也会造成电磁幅射。

主板的性能、兼容性和可靠性是如何测试的呢？这些工作一般由研发团队的设计认证部门完成。比较而言，性能测试较容易一些，用CPU、内存条、硬盘、电源等简单设备搭起测试台就可以测试了，关键是针对各项性能逐项进行认真测试。而兼容性测试则复杂许多了，要测试主板与市面上流行的主流操作系统、行业应用软件和装置都兼容，确实是需要投入许多资金、人力和时间的一项工作。以联想的产品为例，要完成这一项工作，要进行三百余项的测试，这确实对公司的实力是一个考验。测试性能和兼容性的另一项工作是信号分析，通过仪器，分析每个电路模块的输出信号是否符合标准，这需要厂家有多年的信号分析技术积累，这一步是主板设计成败的关键，但是，信号分析需要购置的仪器，如超过1G频率的示波器等，每一台都要数十万美元，而且，有较强的信号分析能力的工程师也大都在业界一些大公司工作。对工业用户而言，最关心的莫过于主板的可靠性了。可靠性测试包括高温测试，低温测试，湿度测试，振动测试，跌落测试，防静电测试和雷击测试等。附图列出了相关的测试仪器供大家参考。

主板设计另一个重点是BIOS的编写，许多主板的兼容性问题都与BIOS相关，有些BIOS高手甚至可以通过修改BIOS来弥补产品硬件设计的不足，当主板出现兼容性问题时，修改BIOS比修改硬件设计容易得多。利用BIOS还可以作出许多创新，例如，早期的主板需要由用户根据CPU的频率来手工设定跳线，给用户增加了不少难度。在1995年，联想在业界率先推出了SpeedEasy技术，并在美国申请了专利，从此结束了主板需要设定CPU跳线的历史。如今，联想的Easy技术已有12项之多，其中，最值得推崇的是RecoveryEasy技术，通称“一键恢复”技术，通过简单的设定，当计算机因使用不当或遇受病毒侵害时，用户只要按一下恢复键即可系统恢复至出厂状态，大大减少了厂家为修复用户系统所花费的人力和物力，对于工控机的用户特别有用。

由此可见，一家公司的研发实力主要体现在研发团队的实力和研发资金的投入上，大厂的研发团队一般超过百人，每年的研发投入逾千万。许多商家都会宣传其研发实力如何雄厚，对用户而言，最简单的方法，看其公司的成立时间、研发团队的经验和人数以及投入的研发资金就可略知一二了。一些规模较小的厂商会走一些捷径，例如挖一些资深的工程师主刀，但是主板设计是一项协同性很强的工作，需要原理设计、EDA和BIOS团队的通力协作才能保证品质。从一些大厂OEM/ODM几款主板也是业界一些商家常有的事，但关键是看其是否有较强的品质管理团队来对产品设计和制造全过程加以控制，否则，设计、制造和销售的脱节常常会导致品质管理及售后服务的脱节，给用户造成不少烦恼。

决定主板品质的第二个环节就是采购元器件了。所谓巧妇难为无米之炊，没有优质的原材料作保证，再优秀的制造厂也难生产出优质的主板来。主板的元器件大概有几类，其一是芯片，如芯片组（chipset）,目前主流厂商是INTEL和VIA，尤以INTEL的居多，芯片组的不同直接决定了主板的基本规格和电路设计的基本方案，如支持400MHz还是533MHz的CPU ，支持DDR266还是 DDR333，支持USB 1.1还是USB2.0等，芯片组的不断推陈出新，推动了主板技术的不断向前发展。而时钟芯片，目前厂家较常用的有SST或ICS品牌的，表现都不错。板载网络接口目前已是相当普遍了，网络芯片以INTEL82559和INTEL82562居多，稳定性也相当不错，也有较多厂商使用Realtek 8100或8139的芯片，品质也很好，价格较INTEL的便宜。其二是被动元件，如电阻电容一类，这一类产品已相当成熟，许多厂家都可以生产出品质较好的产品，不过，如前述用于CPU供电电路的电容，由于要求较高，建议使用一些著名大厂的产品为好。其三是接插件，如CPU 插座、内存条插座、硬盘接口（IDE）、软驱接口等众多的连接器都关系到系统的质量。这一类产品中，FOXCONN、AMP作为行业的领导者，他们的品质值得信赖，当然，价格也较贵。一些厂商从成本出发，选择一些质优价廉的产品也是增强产品价格竞争力的正常途径。但是值得注意的是，连接器的关键品质之一在于其导电性能，许多连接器的接触弹片或接触面都是镀金的，一般厂商为了适合不同价格和使用需求的用户，会提供不同的规格，如有3mil、15mil和30mil不同的镀金厚度，一般情况下要使用15mil厚度以上的产品，但如为了节约成本而使用3mil厚度的产品（如内存条），成本是降低了，但用户在使用时很有可能造成概率性地开机无显等现象。对于用户而言，简单地观察一下主板所用的元器件可以对主板的品质作出粗略的评价。俗语说一分钱一分货不是没有道理，使用优质元器件生产的主板，品质自然多一层保证，但价格可能会贵一些。但是，如果生产规模较大，有采购优势，可能采购优质元器件的价格反而较低，比如说，联想每年采购额逾百亿元，而且与上述的上游厂商又有策略性的合作关系，其零部件的采购价自然有非常大的优势，这也是为什么联想的产品通常采用著名大厂的元器件的原因，这不仅保证了主板品质，同时又有价格竞争力。

制造工艺的优劣是造就优质产品第三个决定因素。一条主板生产线主要由app必威体育 （表面贴装技术）设备和插装流水线组成。一般用户可以从主板表面整洁、焊点饱满等方面，对厂家的生产工艺和生产管理水平有良好的初步印象，可以说焊接技术的优劣是主板制造工艺水平的最好的体现。SMT流水线主要包括钢网印刷机、高速贴片机和多功能贴片机三类设备。钢网印刷机通过自动往返的机械刷，透过钢网上的焊盘孔在印刷线路板（PCB）的焊盘上刷上一层锡，锡膏的厚度直接影响到贴片元件的质量，有条件的厂家通过仪器检测锡膏的厚度来进行控制；贴片机的作用是将元件贴到指定的PCB焊盘上，高速贴片机主要是贴电阻电容类小元件的，多功能贴片机则用于贴芯片组等芯片的，阻容类元件一般是卷装的，而IC类有卷装的和盘装的两种，通过编程，贴片机的安装头到指定的料架上取料，然后再安装在PCB的焊盘上。贴片之后是热风回流焊，一般通过四至五个炉区逐渐升温将PCB焊盘上的锡膏熔化，PCB出炉后再逐渐冷却，完成贴片元件的焊接过程。这一过程中，回流焊机各区的温度控制很关键，升温过快可能会因为热膨胀引起PCB焊盘产生裂纹，导致虚焊；但升温过慢又会导致锡膏熔化时间不够，导致假焊。由于不同的主板表面元件的数量、布局和面积均不相同，各炉区的温度要求也不同，品质控制严谨的厂家会使用温度跟踪仪，针对不同的产品通过反复进行的实验，得到回流焊机内炉温的变化曲线，据此来设定回流焊机的各项参数。接下来是插装元件的焊接了，插装元件使用波峰焊机进行焊接，PCB进入波峰焊机时，首先通过助焊区将助焊剂加到PCB上，再经过锡炉的波峰完成焊接。一般，消费者大体上可以通过焊点形状来判断厂家的焊接技术是否过硬。由于电路板上元件众多，漏焊，错焊的现象不易检测到，有资金实力的厂家一般通过ICT（在线测试）来检测把关，一台ICT的价格大约在20万元左右，而每一款主板产品都需要专门对应的测试针床，制作一个针床需要约3－5万元，对厂商而言，又是一笔不小的投入。

产品最后一个环节就是检验了，每个产品应该在生产线上进行检验，包括功能检验和外观检验，一些质量管理严谨厂家的产品还必须在45度高温的老化间内运行诸如3D MARK软件数小时（俗称拷机）；再通过振动测试检验其产品焊接和安装的牢固性，确实没有问题才能出厂。

至此，主板的制造过程基本介绍完了。下面谈谈价格的迷信：

市面上，一般我国台湾生产的产品由于品质认同度较高，其价格也较大陆厂商的贵。台湾的电子工业较大陆发展早，在生产工艺和品质管理方面确实有许多值得借鉴之处，但是，经过近二十年的改革开放，祖国大陆的电子制造工艺在九十年代中期已相当成熟，国内的电子产品已普遍销往欧美日等国，成为制造大国，包括业界许多著名的台资企业都已在大陆设厂生产，大陆的品质水平已与台湾无异，而且价格更具竞争力。但值得注意的是，某些国内商家，刻意宣称自已的产品是从台湾进口的，无非是想标榜其品质，来赚取较高润，其实，消费者只要认真观察其主板上所用的元件是不是台湾产的就可以知道了，如果大部份是大陆生产的元件，产地大概也可猜到七八分了。

另一种迷信认为优质品牌的产品一定价格高，其实，在规模化生产后，决定主板成本的主要因素是原材料成本和制造成本。如果厂家有采购规模优势和规模制造的优势，成本较低就是很自然的事了。总之，产品品质的关键不在产品定价的高低，而要看厂家是如何设计的，如何选料的，更要看其采购规模和制造规模。

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