優質工控主板是如何制造出來的

作者：黃熙華

眾所周知，無論是商用計算機還是工業計算機，其核心就是主板，而工業用的主板由于其應用范圍更廣泛，使用環境更惡劣，因此，用戶對其功能、兼容性、可靠性要求更高。如何判斷一片主板的優劣，在此筆者和大家分享一些在主板制造廠工作多年的經驗。

首先，我們從主板的研發開始談起。一款新主板的研發一般都會經歷原理設計，電路布線（EDA，電子設計自動化），編寫BIOS（基礎輸入輸出系統）和驅動程序等軟件，制作樣板，設計認證，小批量試產等過程。一款主板的優劣，研發水平起了決定性的作用，尤其是原理設計、電路布線、編寫BIOS的技術水平是關鍵，所謂羅馬不是一天建成的，一款技術成熟的主板，都是由少則三五年，多則十余年經驗豐富的研發團隊設計的。資深原理設計工程師，在設計方案的選擇、電路的設計、關鍵元器件參數和廠商的選擇等方面都能體現其功力。一些廠商為追求成本，會從設計方面下手，如將CPU的三相供電電路改為二相，得到成本的降低，卻埋下了燒MOS管甚于燒CPU的隱患。又如，選擇一些價格較便宜的元件，以電容為例，以日本生產的最貴，但其耐壓和耐熱性也較好，由于CPU供電電路對電容耐壓和耐熱要求很高，大廠一般都會選擇品質較好的電容，如日本NICHICON或RUBYCON的電容，如果選擇品質較差的電容很可能在溫度較高的工作環境連續長時間工作后導致迅速老化，嚴重情況下電容可能會被燒毀。又如，無論是在國際上或在國內，都對電磁兼容性有很強的要求，國標GB9254對電磁幅射有明確的規定，分為A級（工業）和B級（民用）兩級，尤其以民用標準更為嚴格，因為會直接影響到使用者及周邊人群的健康。我們做過一個小實驗，將一盆仙人球盆景放在一個幅射較強的CRT顯示屏旁兩至三個月，在沙漠里生長，有頑強生命力的仙人球居然枯萎了。如何知道你購買的產品是否達到了國際或國家標準呢？你可以請廠商出具國家權威機構的檢驗證書，或歐洲的CE認證，或美國的FCC認證。許多大廠為了保證電磁幅射符合標準，會投資建設實驗室，先自行測試再送權威機構認證，光建設一個測量電磁輻射的半波暗室就需要投入近千萬元的設備。主板的設計、布線和元器件都會對電磁幅射構成直接的影響，如一個資深的EDA工程師不僅要非常了解高頻和低頻走線的布局，以免造成串擾，同時還要考慮走線直角可能造成的電磁幅射，一個硬件工程師如果在選擇某些元器件，如磁珠元件等時考慮降低成本或經驗不夠，也會造成電磁幅射。

主板的性能、兼容性和可靠性是如何測試的呢？這些工作一般由研發團隊的設計認證部門完成。比較而言，性能測試較容易一些，用CPU、內存條、硬盤、電源等簡單設備搭起測試臺就可以測試了，關鍵是針對各項性能逐項進行認真測試。而兼容性測試則復雜許多了，要測試主板與市面上流行的主流操作系統、行業應用軟件和裝置都兼容，確實是需要投入許多資金、人力和時間的一項工作。以聯想的產品為例，要完成這一項工作，要進行三百余項的測試，這確實對公司的實力是一個考驗。測試性能和兼容性的另一項工作是信號分析，通過儀器，分析每個電路模塊的輸出信號是否符合標準，這需要廠家有多年的信號分析技術積累，這一步是主板設計成敗的關鍵，但是，信號分析需要購置的儀器，如超過1G頻率的示波器等，每一臺都要數十萬美元，而且，有較強的信號分析能力的工程師也大都在業界一些大公司工作。對工業用戶而言，最關心的莫過于主板的可靠性了?？煽啃詼y試包括高溫測試，低溫測試，濕度測試，振動測試，跌落測試，防靜電測試和雷擊測試等。附圖列出了相關的測試儀器供大家參考。

主板設計另一個重點是BIOS的編寫，許多主板的兼容性問題都與BIOS相關，有些BIOS高手甚至可以通過修改BIOS來彌補產品硬件設計的不足，當主板出現兼容性問題時，修改BIOS比修改硬件設計容易得多。利用BIOS還可以作出許多創新，例如，早期的主板需要由用戶根據CPU的頻率來手工設定跳線，給用戶增加了不少難度。在1995年，聯想在業界率先推出了SpeedEasy技術，并在美國申請了專利，從此結束了主板需要設定CPU跳線的歷史。如今，聯想的Easy技術已有12項之多，其中，最值得推崇的是RecoveryEasy技術，通稱“一鍵恢復”技術，通過簡單的設定，當計算機因使用不當或遇受病毒侵害時，用戶只要按一下恢復鍵即可系統恢復至出廠狀態，大大減少了廠家為修復用戶系統所花費的人力和物力，對于工控機的用戶特別有用。

由此可見，一家公司的研發實力主要體現在研發團隊的實力和研發資金的投入上，大廠的研發團隊一般超過百人，每年的研發投入逾千萬。許多商家都會宣傳其研發實力如何雄厚，對用戶而言，最簡單的方法，看其公司的成立時間、研發團隊的經驗和人數以及投入的研發資金就可略知一二了。一些規模較小的廠商會走一些捷徑，例如挖一些資深的工程師主刀，但是主板設計是一項協同性很強的工作，需要原理設計、EDA和BIOS團隊的通力協作才能保證品質。從一些大廠OEM/ODM幾款主板也是業界一些商家常有的事，但關鍵是看其是否有較強的品質管理團隊來對產品設計和制造全過程加以控制，否則，設計、制造和銷售的脫節常常會導致品質管理及售后服務的脫節，給用戶造成不少煩惱。

決定主板品質的第二個環節就是采購元器件了。所謂巧婦難為無米之炊，沒有優質的原材料作保證，再優秀的制造廠也難生產出優質的主板來。主板的元器件大概有幾類，其一是芯片，如芯片組（chipset）,目前主流廠商是INTEL和VIA，尤以INTEL的居多，芯片組的不同直接決定了主板的基本規格和電路設計的基本方案，如支持400MHz還是533MHz的CPU ，支持DDR266還是 DDR333，支持USB 1.1還是USB2.0等，芯片組的不斷推陳出新，推動了主板技術的不斷向前發展。而時鐘芯片，目前廠家較常用的有SST或ICS品牌的，表現都不錯。板載網絡接口目前已是相當普遍了，網絡芯片以INTEL82559和INTEL82562居多，穩定性也相當不錯，也有較多廠商使用Realtek 8100或8139的芯片，品質也很好，價格較INTEL的便宜。其二是被動元件，如電阻電容一類，這一類產品已相當成熟，許多廠家都可以生產出品質較好的產品，不過，如前述用于CPU供電電路的電容，由于要求較高，建議使用一些著名大廠的產品為好。其三是接插件，如CPU 插座、內存條插座、硬盤接口（IDE）、軟驅接口等眾多的連接器都關系到系統的質量。這一類產品中，FOXCONN、AMP作為行業的領導者，他們的品質值得信賴，當然，價格也較貴。一些廠商從成本出發，選擇一些質優價廉的產品也是增強產品價格競爭力的正常途徑。但是值得注意的是，連接器的關鍵品質之一在于其導電性能，許多連接器的接觸彈片或接觸面都是鍍金的，一般廠商為了適合不同價格和使用需求的用戶，會提供不同的規格，如有3mil、15mil和30mil不同的鍍金厚度，一般情況下要使用15mil厚度以上的產品，但如為了節約成本而使用3mil厚度的產品（如內存條），成本是降低了，但用戶在使用時很有可能造成概率性地開機無顯等現象。對于用戶而言，簡單地觀察一下主板所用的元器件可以對主板的品質作出粗略的評價。俗語說一分錢一分貨不是沒有道理，使用優質元器件生產的主板，品質自然多一層保證，但價格可能會貴一些。但是，如果生產規模較大，有采購優勢，可能采購優質元器件的價格反而較低，比如說，聯想每年采購額逾百億元，而且與上述的上游廠商又有策略性的合作關系，其零部件的采購價自然有非常大的優勢，這也是為什么聯想的產品通常采用著名大廠的元器件的原因，這不僅保證了主板品質，同時又有價格競爭力。

制造工藝的優劣是造就優質產品第三個決定因素。一條主板生產線主要由SMT（表面貼裝技術）設備和插裝流水線組成。一般用戶可以從主板表面整潔、焊點飽滿等方面，對廠家的生產工藝和生產管理水平有良好的初步印象，可以說焊接技術的優劣是主板制造工藝水平的最好的體現。SMT流水線主要包括鋼網印刷機、高速貼片機和多功能貼片機三類設備。鋼網印刷機通過自動往返的機械刷，透過鋼網上的焊盤孔在印刷線路板（PCB）的焊盤上刷上一層錫，錫膏的厚度直接影響到貼片元件的質量，有條件的廠家通過儀器檢測錫膏的厚度來進行控制；貼片機的作用是將元件貼到指定的PCB焊盤上，高速貼片機主要是貼電阻電容類小元件的，多功能貼片機則用于貼芯片組等芯片的，阻容類元件一般是卷裝的，而IC類有卷裝的和盤裝的兩種，通過編程，貼片機的安裝頭到指定的料架上取料，然后再安裝在PCB的焊盤上。貼片之后是熱風回流焊，一般通過四至五個爐區逐漸升溫將PCB焊盤上的錫膏熔化，PCB出爐后再逐漸冷卻，完成貼片元件的焊接過程。這一過程中，回流焊機各區的溫度控制很關鍵，升溫過快可能會因為熱膨脹引起PCB焊盤產生裂紋，導致虛焊；但升溫過慢又會導致錫膏熔化時間不夠，導致假焊。由于不同的主板表面元件的數量、布局和面積均不相同，各爐區的溫度要求也不同，品質控制嚴謹的廠家會使用溫度跟蹤儀，針對不同的產品通過反復進行的實驗，得到回流焊機內爐溫的變化曲線，據此來設定回流焊機的各項參數。接下來是插裝元件的焊接了，插裝元件使用波峰焊機進行焊接，PCB進入波峰焊機時，首先通過助焊區將助焊劑加到PCB上，再經過錫爐的波峰完成焊接。一般，消費者大體上可以通過焊點形狀來判斷廠家的焊接技術是否過硬。由于電路板上元件眾多，漏焊，錯焊的現象不易檢測到，有資金實力的廠家一般通過ICT（在線測試）來檢測把關，一臺ICT的價格大約在20萬元左右，而每一款主板產品都需要專門對應的測試針床，制作一個針床需要約3－5萬元，對廠商而言，又是一筆不小的投入。

產品最后一個環節就是檢驗了，每個產品應該在生產線上進行檢驗，包括功能檢驗和外觀檢驗，一些質量管理嚴謹廠家的產品還必須在45度高溫的老化間內運行諸如3D MARK軟件數小時（俗稱拷機）；再通過振動測試檢驗其產品焊接和安裝的牢固性，確實沒有問題才能出廠。

至此，主板的制造過程基本介紹完了。下面談談價格的迷信：

市面上，一般我國臺灣生產的產品由于品質認同度較高，其價格也較大陸廠商的貴。臺灣的電子工業較大陸發展早，在生產工藝和品質管理方面確實有許多值得借鑒之處，但是，經過近二十年的改革開放，祖國大陸的電子制造工藝在九十年代中期已相當成熟，國內的電子產品已普遍銷往歐美日等國，成為制造大國，包括業界許多著名的臺資企業都已在大陸設廠生產，大陸的品質水平已與臺灣無異，而且價格更具競爭力。但值得注意的是，某些國內商家，刻意宣稱自已的產品是從臺灣進口的，無非是想標榜其品質，來賺取較高潤，其實，消費者只要認真觀察其主板上所用的元件是不是臺灣產的就可以知道了，如果大部份是大陸生產的元件，產地大概也可猜到七八分了。

另一種迷信認為優質品牌的產品一定價格高，其實，在規?；a后，決定主板成本的主要因素是原材料成本和制造成本。如果廠家有采購規模優勢和規模制造的優勢，成本較低就是很自然的事了?？傊?，產品品質的關鍵不在產品定價的高低，而要看廠家是如何設計的，如何選料的，更要看其采購規模和制造規模。

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