在PCB出現(xiàn)之前,電路是通過點(diǎn)到點(diǎn)的接線組成的。這種方法的可靠性很低,因?yàn)殡S著電路的老化,線路的破裂會(huì)導(dǎo)致線路節(jié)點(diǎn)的斷路或者短路。繞線技術(shù)是電路技術(shù)的一個(gè)重大進(jìn)步,這種方法通過將小口徑線材繞在連接點(diǎn)的柱子上,提升了線路的耐久性以及可更換性。
當(dāng)電子行業(yè)從真空管、繼電器發(fā)展到硅半導(dǎo)體以及集成電路的時(shí)候,電子元器件的尺寸和價(jià)格也在下降。電子產(chǎn)品越來越頻繁的出現(xiàn)在了消費(fèi)領(lǐng)域,促使廠商去尋找更小以及性價(jià)比更高的方案。于是,PCB誕生了。
電子產(chǎn)品都要使用PCB,PCB的市場走向幾乎是電子行業(yè)的風(fēng)向標(biāo)。但隨著手機(jī)、筆記本電腦和PDA等高端、小型化電子產(chǎn)品的發(fā)展,對柔性PCB(FPC)的需求越來越大,PCB廠商正加快開發(fā)厚度更薄、更輕和密度更高的FPC。?
一、單層FPC
具有一層化學(xué)蝕刻出的導(dǎo)電圖形,在柔性絕緣基材面上的導(dǎo)電圖形層為壓延銅箔。絕緣基材可以是聚酰亞胺,聚對苯二甲酸乙二醇酯,芳酰胺纖維酯和聚氯乙烯。單層FPC又可以分成以下四個(gè)小類:?
1.無覆蓋層單面連接
導(dǎo)線圖形在絕緣基材上,導(dǎo)線表面無覆蓋層,其互連是用錫焊、熔焊或壓焊來實(shí)現(xiàn),常用在早期的電話機(jī)中。?
2.有覆蓋層單面連接
和前類相比,只是在導(dǎo)線表面多了一層覆蓋層。覆蓋時(shí)需把焊盤露出來,簡單的可在端部區(qū)域不覆蓋。是單面軟性PCB中應(yīng)用最多、最廣泛的一種,使用在汽車儀表、電子儀器中。
3.無覆蓋層雙面連接
連接盤接口在導(dǎo)線的正面和背面均可連接,在焊盤處的絕緣基材上開一個(gè)通路孔,這個(gè)通路孔可在絕緣基材的所需位置上先沖制、蝕刻或其它機(jī)械方法制成。?
4.有覆蓋層雙面連接
前類不同處,表面有一層覆蓋層,覆蓋層有通路孔,允許其兩面都能端接,且仍保持覆蓋層,由兩層絕緣材料和一層金屬導(dǎo)體制成。
二、雙面FPC
雙面FPC在絕緣基膜的兩面各有一層蝕刻制成的導(dǎo)電圖形,增加了單位面積的布線密度。金屬化孔將絕緣材料兩面的圖形連接形成導(dǎo)電通路,以滿足撓曲性的設(shè)計(jì)和使用功能。而覆蓋膜可以保護(hù)單、雙面導(dǎo)線并指示元件安放的位置。按照需求,金屬化孔和覆蓋層可有可無,這一類FPC應(yīng)用較少。?AIOT大數(shù)據(jù)
三、多層FPC
多層FPC是將3層或更多層的單面或雙面柔性電路層壓在一起,通過鉆孑L、電鍍形成金屬化孔,在不同層間形成導(dǎo)電通路。這樣,不需采用復(fù)雜的焊接工藝。多層電路在更高可靠性,更好的熱傳導(dǎo)性和更方便的裝配性能方面具有巨大的功能差異。
其優(yōu)點(diǎn)是基材薄膜重量輕并有優(yōu)良的電氣特性,如低的介電常數(shù)。用聚酰亞胺薄膜為基材制成的多層軟性PCB板,比剛性環(huán)氧玻璃布多層PCB板的重量約輕1/3,但它失去了單面、雙面軟性PCB優(yōu)良的可撓性,大多數(shù)此類產(chǎn)品是不要求可撓性的。多層FPC可進(jìn)一步分成如下類型:?
1.可撓性絕緣基材成品
這一類是在可撓性絕緣基材上制造成的,其成品規(guī)定為可以撓曲。這種結(jié)構(gòu)通常是把許多單面或雙面微帶可撓性PCB的兩面端粘結(jié)在一起,但其中心部分并末粘結(jié)在一起,從而具有高度可撓性。為了具有高度的可撓性,導(dǎo)線層上可用一層薄的、適合的涂層,如聚酰亞胺,代替一層較厚的層壓覆蓋層。
2.軟性絕緣基材成品
這一類是在軟性絕緣基材上制造成的,其成品末規(guī)定可以撓曲。這類多層FPC是用軟性絕緣材料,如聚酰亞胺薄膜,層壓制成多層板,在層壓后失去了固有的可撓性。
FPC/PCB基本常識(shí)
1.線路板簡介
1.撓性印制電路板
撓性印制電路板(FlexPrintCircuit,簡稱“FPC”),是使用撓性的基材制作的單層、雙層或多層線路的印制電路板。它具有輕、薄、短、小、高密度、高穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)靈活的特點(diǎn),除可靜態(tài)彎曲外,還能作動(dòng)態(tài)彎曲、卷曲和折疊等?!?/p>
2.剛性印制電路板
剛性印制電路板(PrintedCircuieBoard,簡稱“PCB”),是由不易變形
的剛性基板材料制成的印制電路板,在使用時(shí)處于平展?fàn)顟B(tài)。它具有強(qiáng)度高
不易翹曲,貼片元件安裝牢固等優(yōu)點(diǎn)?! ?/p>
3.軟硬結(jié)合板
軟硬結(jié)合板(RigidFlex),是由剛撓和撓性基板有選擇的層壓在一起組成,結(jié)構(gòu)緊密,以金屬化孔形成電氣連接的特殊撓性印制電路板。它具有高密度、細(xì)線、小孔徑、體積小、重量輕、可靠性高的特點(diǎn),在震動(dòng)、沖擊、潮濕環(huán)境下其性能仍很穩(wěn)定??扇崆?,立體安裝,有效利用安裝空間,被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等便攜式數(shù)碼產(chǎn)品中。剛-柔結(jié)合板會(huì)更多地用于減少封裝的領(lǐng)域,尤其是消費(fèi)領(lǐng)域。
AIOT大數(shù)據(jù)
2.線路板材料介紹
1、 導(dǎo)電介質(zhì):銅(CU)
﹣銅箔:壓延銅(RA)、電解銅(ED)、高延展性電解銅(HTE)
﹣厚度:1/4OZ、1/3OZ、1/2OZ、1OZ、2OZ,此為較常見的厚度
﹣OZ(盎司):銅箔厚度單位;1OZ = 1.4 mil
2、絕緣層:聚酰亞胺(Polyimide)、聚脂(Polyester)、聚乙稀萘(PEN)
﹣較常用的為聚酰亞胺(簡稱“PI”)
﹣PI厚度:1/2mil、1mil、2mil,此為較常見的厚度
﹣1 mil = 0.0254mm = 25.4um = 1/1000 inch
3、 接著劑(Adhesive):環(huán)氧樹脂系、壓克力系。
﹣較為常用的是環(huán)氧樹脂系,厚度跟據(jù)不同生產(chǎn)廠家的不同而不定
4、覆銅板(Cucladlaminates,簡稱“CCL”):
﹣單面覆銅板:3LCCL(有膠)、2LCCL(無膠),以下為圖解。
﹣雙面覆銅板:3LCCL(有膠)、2LCCL(無膠),以下為圖解。
5、覆蓋膜(Coverlay ,簡稱“CVL”) :由絕緣層和接著劑構(gòu)成,覆蓋于導(dǎo)線上,起到保護(hù)和絕緣的作用。具體的疊層結(jié)構(gòu)如下
2、導(dǎo)電銀箔:電磁波防護(hù)膜
﹣類型:SF-PC6000(黑色,16um)
﹣優(yōu)越性:超薄、滑動(dòng)性能與撓曲性能佳、適應(yīng)高溫回流焊、良好的尺寸穩(wěn)定性。
常用的為SF-PC6000,疊層結(jié)構(gòu)如下:
3、Rigid-Flex疊構(gòu)展示
4、線路板制作流程
1)開料:裁剪 Cutting/Shearing
2)機(jī)械鉆孔CNCDrilling
3)鍍通孔PlatingThroughHole
4)DES制程(五部曲)
(1).貼膜(貼干膜)
?
(2).曝光
作業(yè)環(huán)境:黃光
作業(yè)目的:通過UV光照射和菲擋,菲林透明的地方和干膜發(fā)生光學(xué)聚合反應(yīng),菲林是棕色的地方,UV光無法穿透,菲林不能和其對應(yīng)的干膜發(fā)生光學(xué)聚合反應(yīng)。
(3).顯影
作業(yè)溶液: Na2CO3(K2CO3)弱堿性溶液
作業(yè)目的:用弱堿性溶液作用,將未發(fā)生聚合反應(yīng)之干膜部分清洗掉
(4).蝕刻
作業(yè)溶液:酸氧水:HCl+H2O2
作業(yè)目的:利用藥液將顯影后露出的銅蝕刻掉,形成圖形轉(zhuǎn)移。
(5).剝膜
作業(yè)溶液:NaOH強(qiáng)堿性溶液
5)AOI
主要設(shè)備:AOI、VRS系統(tǒng)
已形成線路的銅箔要經(jīng)過AOI系統(tǒng)掃描檢測線路缺失。標(biāo)準(zhǔn)線路圖像信息以數(shù)據(jù)形 式存儲(chǔ)于AOI主機(jī)中,通過CCD光學(xué)取像頭將銅箔上線路信息掃描進(jìn)入主機(jī)與存儲(chǔ)之標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)比較,有異常時(shí)異常點(diǎn)位置會(huì)被編號(hào)記錄傳輸?shù)絍RS主機(jī)上.。VRS上會(huì)對銅箔進(jìn)行300倍放大,依照事先記錄的缺點(diǎn)位置依次顯示,通過操作人員判斷其是否為真缺點(diǎn),對于真缺點(diǎn)會(huì)在缺點(diǎn)位置用水性筆作記號(hào)。以方便后續(xù)作業(yè)人員對缺點(diǎn)分類統(tǒng)計(jì)以及修補(bǔ)。作業(yè)人員利用150倍放大鏡判斷
缺點(diǎn)類型,分類統(tǒng)計(jì)形成品質(zhì)報(bào)告,并反饋到前制程以方便改善措施之及時(shí)執(zhí)行。由于單面板缺點(diǎn)較少,成本較低,難于使用AOI判讀,所以使用人工肉眼直接檢查。
6)假貼
保護(hù)膜作用:1)絕緣、抗焊錫作用;
2)保護(hù)線路;
3)增加軟板的可撓性等作用。
7)熱壓合
作業(yè)條件:高溫高壓
8)表面處理
熱壓完后,需對銅箔裸露的位置進(jìn)行表面處理。
方式依據(jù)客戶要求而定
9)絲印
主要設(shè)備:網(wǎng)印機(jī).烤箱.UV干燥機(jī).網(wǎng)版制版設(shè)備通過網(wǎng)印原理將油墨轉(zhuǎn)到產(chǎn)品上.主要印刷產(chǎn)品批號(hào),生產(chǎn)周期,文字,黑色遮蔽,簡單線路等內(nèi)容.通過定位PIN將產(chǎn)品與網(wǎng)版定位,通過刮刀壓力將油墨擠壓到產(chǎn)品上.網(wǎng)版為文字和圖案部分部分開通,無文字或圖案部分被感光乳劑封死油墨無法漏下.印刷完畢后,進(jìn)入烤箱烘干,文字或圖案印刷層就緊密結(jié)合在產(chǎn)品表面.一些特殊產(chǎn)品要求有部分特殊線路,如單面板上增加少許線路實(shí)現(xiàn)雙面板功能,或是雙面板增加一層遮蔽層都必須通過印刷實(shí)現(xiàn). 如油墨為UV干燥型油墨,則必須使用UV干燥機(jī)干燥.常見問題:漏印、污染、缺口、突起、脫落等.AIOT大數(shù)據(jù)
10)測試(O/S檢測)
測試治具+測試軟件對線路板進(jìn)行功能全檢
11)沖制
相應(yīng)的外形膜具:刀膜、激光切割、蝕刻膜、簡易鋼模、鋼模
12)加工組合
加工組合即根據(jù)客戶要求組裝配料,如要求供應(yīng)商組合的有:
A.不銹鋼補(bǔ)強(qiáng)
B.鈹銅片/磷銅片/鍍鎳鋼片補(bǔ)強(qiáng)
C.FR4補(bǔ)強(qiáng)
D.PI補(bǔ)強(qiáng)
13)檢驗(yàn)
檢驗(yàn)項(xiàng)目:外觀、尺寸、可靠性
檢測工具:二次元、千分尺、卡尺、放大鏡﹑錫爐﹑拉力
14)包裝
作業(yè)方式:1.塑膠袋+紙板
2.低粘著包材
3.制式真空盒
4.專用真空盒(抗靜電等級(jí))
雙面PCB板制作流程圖
軟硬結(jié)合板制作流程圖
5、線路板案例分享
一、設(shè)計(jì)方案
1.方案說明:
? 新型COF方案,是補(bǔ)強(qiáng)與芯片貼附區(qū)域在一體式鋼片上,見FPC示意圖。
? 主要的用途:
? 1.讓sensor盡量減少與不平整的線路板的表面貼合,直接將sensor與平整的鋼片表面貼合,使sensor與光學(xué)鏡頭的光軸垂直,減少像糊不良。
? 2.在≤0.3mm的方案上,新型COF平整度優(yōu)于軟硬結(jié)合板,在保證平整度的前提下,達(dá)到降低模組高度的目的。
? 3.sensor與鋼片直接接觸,增強(qiáng)導(dǎo)熱效果。
2.設(shè)計(jì)方案
1).P8V12G-621-00線路板(結(jié)構(gòu)圖如下:)
線路板設(shè)計(jì)厚度0.3mm,鋼片凸臺(tái)高度0.02mm?! ?/p>
2).P8V12G-621-00線路板(布線圖如下:)
3).P8V12G-621-00線路板(疊構(gòu)圖如下:)
4).線路板方案設(shè)計(jì)局限性評(píng)估:
1、圖中紫色小框?yàn)殇撈螀^(qū)域;
2、支撐區(qū)域以SENSOR對角線分布;
3、支撐區(qū)域最小開窗面積0.5*0.5,面積越大對平整度越佳;
4、模組頭部尺寸≥8.5*8.5;
5、SENSOR管腳數(shù)量≤80;
6、MIPI2Lane輸出相比4Lane輸出,更有利走線;
7、MIPI位于連接器近端時(shí)更有利走線(如右圖MIPI走線位下方焊盤);
3.優(yōu)劣勢對比分析
4.平整度數(shù)據(jù)對比:
P8V12G不同類型下平整度對比:
P8V12G不同類型下,過爐前后平整度變形量對比:
——維文信《印制電路世界》
PCB制作工藝
PCB的制作非常復(fù)雜,以四層印制板為例,其制作過程主要包括了PCB布局、芯板的制作、內(nèi)層PCB布局轉(zhuǎn)移、芯板打孔與檢查、層壓、鉆孔、孔壁的銅化學(xué)沉淀、外層PCB布局轉(zhuǎn)移、外層PCB蝕刻等步驟。
1、PCB布局
PCB制作第一步是整理并檢查PCB布局(Layout)。PCB制作工廠收到PCB設(shè)計(jì)公司的CAD文件,由于每個(gè)CAD軟件都有自己獨(dú)特的文件格式,所以PCB工廠會(huì)轉(zhuǎn)化為一個(gè)統(tǒng)一的格式——Extended Gerber RS-274X 或者 Gerber X2。然后工廠的工程師會(huì)檢查PCB布局是否符合制作工藝,有沒有什么缺陷等問題。AIOT大數(shù)據(jù)
2、芯板的制作
清洗覆銅板,如果有灰塵的話可能導(dǎo)致最后的電路短路或者斷路。
下圖是一張8層PCB的圖例,實(shí)際上是由3張覆銅板(芯板)加2張銅膜,然后用半固化片粘連起來的。制作順序是從最中間的芯板(4、5層線路)開始,不斷地疊加在一起,然后固定。4層PCB的制作也是類似的,只不過只用了1張芯板加2張銅膜。
3、內(nèi)層PCB布局轉(zhuǎn)移先要制作最中間芯板(Core)的兩層線路。覆銅板清洗干凈后會(huì)在表面蓋上一層感光膜。這種膜遇到光會(huì)固化,在覆銅板的銅箔上形成一層保護(hù)膜。
將兩層PCB布局膠片和雙層覆銅板,最后插入上層的PCB布局膠片,保證上下兩層PCB布局膠片層疊位置精準(zhǔn)。
感光機(jī)用UV燈對銅箔上的感光膜進(jìn)行照射,透光的膠片下,感光膜被固化,不透光的膠片下還是沒有固化的感光膜。固化感光膜底下覆蓋的銅箔就是需要的PCB布局線路,相當(dāng)于手工PCB的激光打印機(jī)墨的作用。
然后用堿液將沒有固化的感光膜清洗掉,需要的銅箔線路將會(huì)被固化的感光膜所覆蓋。
然后再用強(qiáng)堿,比如NaOH將不需要的銅箔蝕刻掉。
將固化的感光膜撕掉,露出需要的PCB布局線路銅箔。
4、芯板打孔與檢查
芯板已經(jīng)制作成功。然后在芯板上打?qū)ξ豢?,方便接下來和其它原料對齊。芯板一旦和其它層的PCB壓制在一起就無法進(jìn)行修改了,所以檢查非常重要。會(huì)由機(jī)器自動(dòng)和PCB布局圖紙進(jìn)行比對,查看錯(cuò)誤。
5、層壓
這里需要一個(gè)新的原料叫做半固化片,是芯板與芯板(PCB層數(shù)>4),以及芯板與外層銅箔之間的粘合劑,同時(shí)也起到絕緣的作用。
下層的銅箔和兩層半固化片已經(jīng)提前通過對位孔和下層的鐵板固定好位置,然后將制作好的芯板也放入對位孔中,最后依次將兩層半固化片、一層銅箔和一層承壓的鋁板覆蓋到芯板上。
將被鐵板夾住的PCB板子們放置到支架上,然后送入真空熱壓機(jī)中進(jìn)行層壓。真空熱壓機(jī)里的高溫可以融化半固化片里的環(huán)氧樹脂,在壓力下將芯板們和銅箔們固定在一起。
層壓完成后,卸掉壓制PCB的上層鐵板。然后將承壓的鋁板拿走,鋁板還起到了隔離不同PCB以及保證PCB外層銅箔光滑的責(zé)任。這時(shí)拿出來的PCB的兩面都會(huì)被一層光滑的銅箔所覆蓋。
6、鉆孔
要將PCB里4層毫不接觸的銅箔連接在一起,首先要鉆出上下貫通的穿孔來打通PCB,然后把孔壁金屬化來導(dǎo)電。
用X射線鉆孔機(jī)機(jī)器對內(nèi)層的芯板進(jìn)行定位,機(jī)器會(huì)自動(dòng)找到并且定位芯板上的孔位,然后給PCB打上定位孔,確保接下來鉆孔時(shí)是從孔位的正中央穿過。
將一層鋁板放在打孔機(jī)機(jī)床上,然后將PCB放在上面。為了提高效率,根據(jù)PCB的層數(shù)會(huì)將1~3個(gè)相同的PCB板疊在一起進(jìn)行穿孔。最后在最上面的PCB上蓋上一層鋁板,上下兩層的鋁板是為了當(dāng)鉆頭鉆進(jìn)和鉆出的時(shí)候,不會(huì)撕裂PCB上的銅箔。
在之前的層壓工序中,融化的環(huán)氧樹脂被擠壓到了PCB外面,所以需要進(jìn)行切除??磕c姶哺鶕?jù)PCB正確的XY坐標(biāo)對其外圍進(jìn)行切割。
7、孔壁的銅化學(xué)沉淀
由于幾乎所有PCB設(shè)計(jì)都是用穿孔來進(jìn)行連接的不同層的線路,一個(gè)好的連接需要25微米的銅膜在孔壁上。這種厚度的銅膜需要通過電鍍來實(shí)現(xiàn),但是孔壁是由不導(dǎo)電的環(huán)氧樹脂和玻璃纖維板組成。
所以第一步就是先在孔壁上堆積一層導(dǎo)電物質(zhì),通過化學(xué)沉積的方式在整個(gè)PCB表面,也包括孔壁上形成1微米的銅膜。整個(gè)過程比如化學(xué)處理和清洗等都是由機(jī)器控制的。
固定PCB
清洗PCB
運(yùn)送PCB
8、外層PCB布局轉(zhuǎn)移
接下來會(huì)將外層的PCB布局轉(zhuǎn)移到銅箔上,過程和之前的內(nèi)層芯板PCB布局轉(zhuǎn)移原理差不多,都是利用影印的膠片和感光膜將PCB布局轉(zhuǎn)移到銅箔上,唯一的不同是將會(huì)采用正片做板。
內(nèi)層PCB布局轉(zhuǎn)移采用的是減成法,采用的是負(fù)片做板。PCB上被固化感光膜覆蓋的為線路,清洗掉沒固化的感光膜,露出的銅箔被蝕刻后,PCB布局線路被固化的感光膜保護(hù)而留下。
外層PCB布局轉(zhuǎn)移采用的是正常法,采用正片做板。PCB上被固化的感光膜覆蓋的為非線路區(qū)。清洗掉沒固化的感光膜后進(jìn)行電鍍。有膜處無法電鍍,而沒有膜處,先鍍上銅后鍍上錫。退膜后進(jìn)行堿性蝕刻,最后再退錫。線路圖形因?yàn)楸诲a的保護(hù)而留在板上。
將PCB用夾子夾住,將銅電鍍上去。之前提到,為了保證孔位有足夠好的導(dǎo)電性,孔壁上電鍍的銅膜必須要有25微米的厚度,所以整套系統(tǒng)將會(huì)由電腦自動(dòng)控制,保證其精確性。
9、外層PCB蝕刻
接下來由一條完整的自動(dòng)化流水線完成蝕刻的工序。首先將PCB板上被固化的感光膜清洗掉。然后用強(qiáng)堿清洗掉被其覆蓋的不需要的銅箔。再用退錫液將PCB布局銅箔上的錫鍍層退除。清洗干凈后4層PCB布局就完成了。
PCB概念
PCB(PrintedCircuitBoard),中文名稱為印制電路板,又稱印刷電路板、印刷線路板,是重要的電子部件,是電子元器件的支撐體,是電子元器件電氣連接的提供者。由于它是采用電子印刷術(shù)制作的,故被稱為“印刷”電路板。
PCB在各種電子設(shè)備中作用和功能
1.焊盤:提供集成電路等各種電子元器件固定、裝配的機(jī)械支撐?!?/p>
2.走線:實(shí)現(xiàn)集成電路等各種電子元器件之間的布線和電氣連接(信號(hào)傳輸)或電絕緣。提供所要求的電氣特性,如特性阻抗等。
3.綠油和絲?。簽樽詣?dòng)裝配提供阻焊圖形,為元器件插裝、檢查、維修提供識(shí)別字符和圖形。
PCB的角色
(1)在絕緣基材上,按預(yù)定設(shè)計(jì),制成印制線路、印制元件或由兩者結(jié)合而成的導(dǎo)電圖形,稱為印制電路。。。。
(2)在絕緣基材上,提供元、器件之間電氣連接的導(dǎo)電圖形,稱為印制線路。
(3)印制電路或者印制線路的成品板稱為印制電路板或者印制線路板,亦稱印制板。。。。
PCB的角色:
PCB是為完成第一層次的元件和其它電子電路零件接合提供的一個(gè)組裝基地☆,組裝成一個(gè)具特定功能的模塊或產(chǎn)品。AIOT大數(shù)據(jù)
所以PCB在整個(gè)電子產(chǎn)品中,扮演了連接所有功能的角色,也因此電子產(chǎn)品的功能出現(xiàn)故障時(shí),最先被懷疑往往就是PCB,又因?yàn)镻CB的加工工藝相對復(fù)雜,所以PCB的生產(chǎn)控制尤為嚴(yán)格和重要。
PCB的演變
1.早於1903年Mr. Albert Hanson(阿爾伯特.漢森)首創(chuàng)利用“線路”(Circuit)觀念應(yīng)用于電話交換系統(tǒng)上。
它是用金屬箔切割成線路導(dǎo)體,將之粘于石蠟紙上,上面同樣粘上一層石蠟紙,成了現(xiàn)今PCB的構(gòu)造雛形。
如下圖:
2. 到1936年,Dr Paul Eisner(保羅.艾斯納)真正發(fā)明了PCB的制作技術(shù),也發(fā)表多項(xiàng)專利。
而今天的加工工藝“圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)(photoimage transfer) ,就是沿襲其發(fā)明而來的。
PCB的分類
PCB在材料、層數(shù)、制程上的多樣化以適合不同的電子產(chǎn)品及其特殊需求。
因此其種類劃分比較多,以下就歸納一些通用的區(qū)別辦法,來簡單介紹PCB的分類以及它的制造工藝。
A. 以材料分
a. 有機(jī)材料
酚醛樹脂、玻璃纖維/環(huán)氧樹脂、Polyimide、BT等皆屬之。
b. 無機(jī)材料
鋁基板、銅基板、陶瓷基板等皆屬之,主要取其散熱功能。
B. 以成品軟硬區(qū)分
a. 硬板 Rigid PCB
b. 軟板 Flexible PCB 見圖1.3 。
c. 軟硬結(jié)合板 Rigid-Flex PCB 見圖1.4 。
C. 以結(jié)構(gòu)分
a. 單面板 見圖1.5 。
b. 雙面板 見圖1.6 。
c. 多層板 見圖1.7 。
PCB流程介紹
我們以多層板的工藝流程作為PCB工藝介紹的引線,選擇其中的圖形電鍍工藝進(jìn)行流程說明,具體分為八部分進(jìn)行介紹,分類及流程如下:
A、內(nèi)層線路流程介紹
流程介紹:
目的:
1、利用圖形轉(zhuǎn)移☆原理制作內(nèi)層線路
2、DES為顯影;蝕刻;去膜連線簡稱☆
內(nèi)層線路--開料介紹
開料(BOARD CUT):
目的:
依制前設(shè)計(jì)所規(guī)劃要求,將基板材料裁切成工作所需尺寸
主要生產(chǎn)物料:覆銅板
覆銅板是由銅箔和絕緣層壓合而成,依要求有不同板厚規(guī)格,依銅厚可分為H/H;1oz/1oz;2oz/2oz等種類
注意事項(xiàng):
避免板邊毛刺影響品質(zhì),裁切后進(jìn)行磨邊,圓角處理。
考慮漲縮影響,裁切板送下制程前進(jìn)行烘烤。
裁切須注意經(jīng)緯方向與工程指示一致,以避免翹曲等問題。
內(nèi)層線路--前處理介紹
前處理(PRETREAT):
目的:
去除銅面上的污染物,增加銅面粗糙度,以利於后續(xù)的壓膜制程
主要消耗物料:磨刷
內(nèi)層線路—壓膜介紹
壓膜(LAMINATION):
目的:將經(jīng)處理之基板銅面透過熱壓方式貼上抗蝕干膜
主要生產(chǎn)物料:干膜(Dry Film)
工藝原理:
內(nèi)層線路—曝光介紹
曝光(EXPOSURE):
目的:
經(jīng)光線照射作用將原始底片上的圖像轉(zhuǎn)移到感光底板上主要生產(chǎn)工具: 底片/菲林(film)
工藝原理:
白色透光部分發(fā)生光聚合反應(yīng), 黑色部分則因不透光,不發(fā)生反應(yīng),顯影時(shí)發(fā)生反應(yīng)的部分不能被溶解掉而保留在板面上。
內(nèi)層線路—顯影介紹
顯影(DEVELOPING):
目的:
用堿液作用將未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)之干膜部分沖掉主要生產(chǎn)物:K2CO3
工藝原理:
使用將未發(fā)生聚合反應(yīng)之干膜沖掉,而發(fā)生聚合反應(yīng)之干膜則保留在板面上作為蝕刻時(shí)之抗蝕保護(hù)層。
說明:
水溶性干膜主要是由于其組成中含有機(jī)酸根,會(huì)與弱堿反應(yīng)使成為有機(jī)酸的鹽類,可被水溶解掉,顯露出圖形
內(nèi)層線路—蝕刻介紹
蝕刻(ETCHING):
目的:
利用藥液將顯影后露出的銅蝕掉,形成內(nèi)層線路圖形
主要生產(chǎn)物料:蝕刻藥液(CuCl2)
內(nèi)層線路—退膜介紹
去膜(STRIP):
目的:
利用強(qiáng)堿將保護(hù)銅面之抗蝕層剝掉,露出線路圖形
主要生產(chǎn)物料:NaOH
內(nèi)層線路—沖孔介紹
沖孔:
目的:
利用CCD對位沖出檢驗(yàn)作業(yè)之定位孔及鉚釘孔
主要生產(chǎn)物料:鉆刀
內(nèi)層檢查工藝
AOI檢驗(yàn):
全稱為Automatic Optical Inspection,自動(dòng)光學(xué)檢測☆
目的:
通過光學(xué)反射原理將圖像回饋至設(shè)備處理,與設(shè)定的邏輯判斷原則或資料圖形相比較,找出缺點(diǎn)位置AIOT大 數(shù)據(jù)
注意事項(xiàng):
由于AOI所用的測試方式為邏輯比較,一定會(huì)存在一些誤判的缺點(diǎn),故需通過人工加以確認(rèn)。
B、層壓鉆孔流程介紹
流程介紹:
目的:
層壓:將銅箔(Copper)、半固化片(Prepreg)與棕化處理后的內(nèi)層線路板壓合成多層板。
鉆孔:在板面上鉆出層與層之間線路連接的導(dǎo)通孔。
層壓工藝—棕化介紹
棕化:
目的:
(1)粗化銅面,增加與樹脂接觸表面積
(2)增加銅面對流動(dòng)樹脂之濕潤性
(3)使銅面鈍化,避免發(fā)生不良反應(yīng)
主要生產(chǎn)物料:棕化液MS100
注意事項(xiàng):
棕化膜很薄,極易發(fā)生擦花問題,操作時(shí)需注意操作手勢
層壓工藝—鉚合介紹
鉚合
目的:(四層板不需鉚釘)
利用鉚釘將多張內(nèi)層板釘在一起,以避免后續(xù)加工時(shí)產(chǎn)生層間滑移
主要生產(chǎn)物料:鉚釘;半固化片(P/P)
P/P(PREPREG):
由樹脂和玻璃纖維布組成,玻璃布種類可分為106、1080、3313、2116、7628等幾種
樹脂據(jù)交聯(lián)狀況可分為:
A階(完全未固化);B階(半固化);C階(完全固化)三類,生產(chǎn)中使用的全為B階狀態(tài)的P/P。
層壓工藝—疊板介紹
疊板:
目的:
將預(yù)疊合好之板疊成待壓多層板形式
主要生產(chǎn)物料:銅箔、半固化片
電鍍銅皮;按厚度可分為
1/3OZ=12um(代號(hào)T)
1/2OZ=18um(代號(hào)H)
1OZ=35um(代號(hào)1)
2OZ=70um(代號(hào)2)
層壓工藝—壓合介紹
壓合:
目的:通過熱壓方式將疊合板壓成多層板
主要生產(chǎn)輔料: 牛皮紙、鋼板
層壓工藝—后處理介紹
后處理:
目的:
對層壓后的板經(jīng)過磨邊;打靶;銑邊等工序進(jìn)行初步的外形處理以便后工序生產(chǎn)品質(zhì)控制要求及提供后工序加工之工具孔。
主要生產(chǎn)物料:鉆頭;銑刀
鉆孔工藝—鉆孔介紹
鉆孔:
目的:
在板面上鉆出層與層之間線路連接的導(dǎo)通孔
主要原物料:鉆頭;蓋板;墊板
鉆頭:碳化鎢,鈷及有機(jī)粘著劑組合而成AIO T大數(shù)據(jù)
蓋板:主要為鋁片,在制程中起鉆頭定位;散熱;減少毛頭;防壓力腳壓傷作用
墊板:主要為復(fù)合板,在制程中起保護(hù)鉆機(jī)臺(tái)面;防出口性毛頭;降低鉆針溫度及清潔鉆針溝槽膠渣作用
C、孔金屬化工藝流程介紹
流程介紹
目的:
使孔璧上的非導(dǎo)體部分之樹脂及玻璃纖維進(jìn)行金屬化
方便進(jìn)行后面的電鍍制程,提供足夠?qū)щ娂氨Wo(hù)的金屬孔璧。
沉銅工藝—去毛刺除膠渣介紹
去毛刺(Deburr):
毛刺形成原因:鉆孔后孔邊緣未切斷的銅絲及未切斷的玻璃布
去毛刺的目的:去除孔邊緣的毛刺,防止鍍孔不良
重要的原物料:磨刷
去膠渣(Desmear):
膠渣形成原因: 鉆孔時(shí)造成的高溫的過玻璃化轉(zhuǎn)變溫度?? (Tg值),而形成融熔態(tài),產(chǎn)生膠渣
去膠渣的目的:裸露出各層需互連的銅環(huán),另膨松劑可改善孔壁結(jié)構(gòu),增強(qiáng)電鍍銅附著力。
重要的原物料:KMnO4(除膠劑)
化學(xué)銅(PTH)
化學(xué)銅之目的: 通過化學(xué)沉積的方式時(shí)表面沉積上厚度為20-40微英寸的化學(xué)銅。
孔壁變化過程:如下圖
化學(xué)銅原理:如下圖
化學(xué)銅原理
孔壁變化過程
電鍍工藝—電鍍銅介紹
一次銅
一次銅之目的: 鍍上200-500微英寸的厚度的銅以保護(hù)僅有20-40 micro inch厚度的化學(xué)銅不被后制程破壞造成孔破。
重要生產(chǎn)物料: 銅球
D、外層干膜流程介紹
流程介紹:
目的:
經(jīng)過鉆孔及通孔電鍍后,內(nèi)外層已經(jīng)連通,本制程制作外層干膜,為外層線路的制作提供圖形。
外層干膜—前處理介紹
前處理:
目的:去除銅面上的污染物,增加銅面粗糙度,以利于壓膜制程
重要原物料:磨刷
壓膜(Lamination):
目的: 通過熱壓法使干膜緊密附著在銅面上.
重要原物料:干膜(Dry film)
外層干膜—曝光介紹
曝光(Exposure):
目的: 通過圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)在干膜上曝出所需的線路。
重要的原物料:底片
外層干膜—顯影介紹
顯影(Developing):
目的: 把尚未發(fā)生聚合反應(yīng)的區(qū)域用顯像液將之沖洗掉,已感光部分則因已發(fā)生聚合反應(yīng)而洗不掉而留在銅面上成為蝕刻或電鍍之阻劑膜.
主要生產(chǎn)物料:弱堿(K2CO3)
E、外層線路流程介紹
流程介紹:
目的:
將銅厚度鍍至客戶所需求的厚度。
完成客戶所需求的線路外形。
外層線路—電鍍銅介紹
二次鍍銅:
目的:將顯影后的裸露銅面的厚度加后,以達(dá)到客戶所要求的銅厚
重要原物料:銅球
鍍錫:
目的:在鍍完二次銅的表面鍍上一層錫保護(hù),做為蝕刻時(shí)的保護(hù)劑。
重要原物料:錫球
外層線路—堿性蝕刻介紹
退膜:
目的:將抗電鍍用途之干膜以藥水剝除
重點(diǎn)生產(chǎn)物料:退膜液(NaOH)
線路蝕刻:
目的:將非導(dǎo)體部分的銅蝕掉
重要生產(chǎn)物料:蝕刻液、氨水
外層線路—退錫介紹
退錫:
目的:將導(dǎo)體部分的起保護(hù)作用之錫剝除
重要生產(chǎn)物料:HNO3退錫液
F、絲印工藝流程介紹
流程介紹:
目的:
外層線路的保護(hù)層,以保證PCB的絕緣、護(hù)板、防焊的目的
制作字符標(biāo)識(shí)。
絲印工藝—阻焊介紹
阻焊(Solder Mask)
阻焊,俗稱“綠油”,為了便于肉眼檢查,故于主漆中多加入對眼睛有幫助的綠色顏料,其實(shí)防焊漆了綠色之外尚有黃色、白色、黑色等顏色
目的
A. 防焊:留出板上待焊的通孔及其焊盤,將所有線路及銅面都覆蓋住,防止波焊時(shí)造成的短路,并節(jié)省焊錫的用量 。
B. 護(hù)板:防止?jié)駳饧案鞣N電解質(zhì)的侵害使線路氧化而危害電氣性能,并防止外來的機(jī)械傷害以維持板面良好的絕緣。
C. 絕緣:由於板子愈來愈薄,線寬距愈來愈細(xì),故導(dǎo)體間的絕緣問題日形突顯,也增加防焊漆絕緣性能的重要性.
阻焊工藝流程圖
阻焊工藝—前處理介紹
前處理
目的:去除表面氧化物,增加板面粗糙度,加強(qiáng)板面油墨附著力。
主要原物料:火山灰
印? 刷
目的:利用絲網(wǎng)將油墨印寫在板子上,如右圖:
主要原物料:油墨
常用的印刷方式:
A? 印刷型(Screen? Printing)
B? 淋幕型 (Curtain Coating)
C? 噴涂型 (Spray? Coating)
D? 滾涂型 (Roller? Coating)
阻焊工藝—預(yù)烘介紹
預(yù)烤
目的:趕走油墨內(nèi)的溶劑,使油墨部分硬化,不致在進(jìn)行曝光時(shí)粘底片。
制程要點(diǎn)
溫度與時(shí)間的設(shè)定,須參照供應(yīng)商提供的條件雙面印與單面印的預(yù)烤條件是不一樣的。
烤箱的選擇須注意通風(fēng)及過濾系統(tǒng)以防異物沾粘。
溫度及時(shí)間的設(shè)定,必須有警報(bào)器,時(shí)間一到必須馬上拿出,否則over curing會(huì)造成顯影不盡。
阻焊工藝—曝光顯影介紹
曝光
目的:影像轉(zhuǎn)移
主要設(shè)備:曝光機(jī)
制程要點(diǎn):
A 曝光機(jī)的清潔
B 能量的選擇
C?抽真空的控制?
顯影
目的:將未聚合之感光油墨利用濃度為1%的碳酸鉀溶液去除掉。
主要生產(chǎn)物料:碳酸鉀
字符工藝—印刷介紹
印字符
目的:利于維修和識(shí)別
原理:絲網(wǎng)印刷的方式
主要生產(chǎn)物料:文字油墨
字符工藝—固化介紹
固化(后烤)
目的:通過高溫烘烤讓油墨中的環(huán)氧樹脂徹底硬化。
G、表面工藝的選擇介紹
常規(guī)的印刷電路板(PCB)在板上都有銅層,如果銅層未受保護(hù)將氧化和損壞,直接影響后續(xù)的焊接。
有多種不同的保護(hù)層可以使用,最普遍的有:熱風(fēng)整平(HASL)、有機(jī)涂覆(OSP)、電鍍鎳金(plating ?gold)、化學(xué)沉鎳金(ENIG)、金手指、沉銀(IS)和沉錫(IT) 等。
(1)熱風(fēng)整平(HASL):板子完全覆蓋焊料后,接著經(jīng)過高壓熱風(fēng)將表面和孔內(nèi)多余焊料吹掉,并且整平附著于焊盤和孔壁的焊料;分有鉛噴錫和無鉛噴錫兩種。
優(yōu)勢:成本低,在整個(gè)制造過程中保持可焊接性。
(2)有機(jī)涂覆(OSP):在PCB的銅表面上形成一層薄的、均勻一致的保護(hù)層。
優(yōu)點(diǎn):在成本上與HASL具有可比性、好的共面性、無鉛工藝。
(3)電鍍鎳金(plating ?gold):通過電鍍的方式在銅面上電鍍上鎳和保護(hù)層金。
優(yōu)點(diǎn):良好的可焊接性,平整的表面、長的儲(chǔ)存壽命、可承受多次的回流焊。
(4)化學(xué)沉鎳金(ENIG):通過化學(xué)反應(yīng)在銅面上置換上鎳磷層,再在鎳層上置換一層金。
優(yōu)點(diǎn):良好的可焊接性,平整的表面、長的儲(chǔ)存壽命、可承受多次的回流焊。
(5)金手指:通過電鍍的方式在同面上電鍍上鎳和金,因?yàn)殄兘鹬泻衅渌饘賲^(qū)別(3)。
(6)沉銀(IS):銀沉浸在銅層上0.1到0.6微米的金屬層,以保護(hù)銅面。
優(yōu)點(diǎn):好的可焊接性、表面平整、HASL沉浸的自然替代。
(7)沉錫(IT):錫沉浸在銅層上0.8到1.2um的金屬層,以保護(hù)銅面。
優(yōu)點(diǎn):良好的可焊接性、表面平整、相對低的成本。
H、后工序工藝流程介紹
流程介紹:
目的:
根據(jù)客戶外形完成加工。
根據(jù)電性能的要求進(jìn)行裸板測試。
出貨前做最后的品質(zhì)審核。
后工序外形工藝流程介紹
外形
目的:讓板子裁切成客戶所需規(guī)格尺寸
原理:數(shù)位機(jī)床機(jī)械切割
-主要生產(chǎn)物料:銑刀
后工序電測工藝流程介紹
電測
目的:對PCB的電性能即開短路進(jìn)行裸板測試,以滿足客戶要求。
電測的種類:
A 、專用機(jī)(dedicated)測試
優(yōu)點(diǎn):產(chǎn)速快
缺點(diǎn):測試針不能回收使用,治具成本高。
B? 、通用機(jī)(Universal on Grid)測試
優(yōu)點(diǎn):a 治具成本較低
缺點(diǎn):a 設(shè)備成倍高??????????
C、飛針測試(Moving probe)
不需制做昂貴的治具,用兩根探針做x、y、z的移動(dòng)來逐一測試各線路的兩端點(diǎn)。
優(yōu)點(diǎn):不需治具成本低.
缺點(diǎn):效率低。
終檢/實(shí)驗(yàn)室介紹
終驗(yàn)/實(shí)驗(yàn)室
目的:終驗(yàn)/實(shí)驗(yàn)室是制程中進(jìn)行的最后品質(zhì)查核。
(1)檢驗(yàn)的主要項(xiàng)目:
1外形尺寸 Outline Dimension
2各尺寸與板邊 Hole to Edge
3板厚 Board Thickness
4孔徑 Holes Diameter
5線寬Line width/space
6孔環(huán)大小 Annular Ring
等外觀和長度方面的項(xiàng)目!
(2)實(shí)驗(yàn)室的主要項(xiàng)目:
1.可焊性 Solderability?
2.線路剝離強(qiáng)度 Peel strength?
3.切片 Micro Section?
4.熱沖擊 Thermal Shock
5.離子污染度 Ionic Contamination
6.濕氣與絕緣 Moisture and Insulation Resistance?
7.阻抗 Impedance
等可靠性方面的項(xiàng)目。
PCB流程示意圖
PCB板的行業(yè)需求
高密度細(xì)線化的需求
PCB全都向高密度細(xì)線化發(fā)展,HDI板尤為突出。在十年前IPC為HDI板下的定義是線寬/線距(L/S)是0.1mm/0.1mm及以下,現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)基本做到常規(guī)L/S為60μm,先進(jìn)的L/S為40μm。日本的2013年版安裝技術(shù)路線圖數(shù)據(jù)是2014年HDI板常規(guī)L/S為50μm,先進(jìn)的L/S為35μm,試制性的L/S為20μm。
對銅箔的需求
PCB線路圖形形成,傳統(tǒng)的是銅箔基板上光致成像后化學(xué)蝕刻工藝(減成法),減成法制作精細(xì)線路的限度最小約在30μm,并且需要用薄銅箔(9~12μm)基板。由于薄銅箔CCL價(jià)格高,及薄銅箔層壓缺陷多,較多工廠產(chǎn)生18μm銅箔然后生產(chǎn)中采取蝕刻減薄銅層。這種做法工序多、厚度控制難、成本高,還是希望用薄銅箔為好。還有,PCB線路L/S小于20μm情況下,一般薄銅箔也難以勝任,需要用到超薄銅箔(3~5μm)基板和附于載體的超薄銅箔。
當(dāng)前精細(xì)線路對銅箔要求除了厚度更薄外,同時(shí)需要銅箔表面低粗糙度。通常為提高銅箔與基材的結(jié)合力,確保導(dǎo)體抗剝強(qiáng)度,都采取銅箔層粗化處理,常規(guī)的銅箔粗糙度大于5μm。銅箔粗糙的凸峰嵌入基材是提高了抗剝離性,但在線路蝕刻時(shí)為控制導(dǎo)線精度不至過蝕刻,容易有嵌入基材凸峰殘留,造成線路間短路或絕緣性下降,對精細(xì)線路尤為嚴(yán)重。因此需要低粗糙度(小于3μm)的銅箔,甚至更低粗糙度(1.5μm)的銅箔。
積層絕緣介質(zhì)片的需求
HDI板技術(shù)特點(diǎn)是積成法工藝(BuildingUpProcess),常用的涂樹脂銅箔(RCC),或者半固化環(huán)氧玻璃布與銅箔層壓的積層難以達(dá)到精細(xì)線路。現(xiàn)在趨于采用半加成法(SAP)或改進(jìn)型半加工法(MSAP),即采用絕緣介質(zhì)膜積層,再化學(xué)鍍銅形成銅導(dǎo)體層,因銅層極薄容易形成精細(xì)線路。
半加成法技術(shù)重點(diǎn)之一是積層介質(zhì)材料,為符合高密度細(xì)線路要求對積層材料提出介質(zhì)電氣性、絕緣性、耐熱性、結(jié)合力等要求,以及與HDI板工藝適應(yīng)性。目前國際上的HDI積層介質(zhì)材料主要是日本味之素公司的ABF/GX系列產(chǎn)品,以環(huán)氧樹脂搭配不同固化劑,以添加無機(jī)粉末提高材料剛性及減少CTE,也有使用玻纖布增強(qiáng)剛性。另有日本積水化學(xué)公司的類似薄膜積層材料,臺(tái)灣工研院也開發(fā)了此類材料。ABF材料也在不斷改進(jìn)發(fā)展,新一代積層材料特別要求表面低粗化度、低熱膨脹率、低介質(zhì)損耗及薄型剛強(qiáng)化等。
全球半導(dǎo)體封裝中IC封裝載板由有機(jī)基板取代陶瓷基板,倒裝芯片(FC)封裝載板的節(jié)距越來越小,現(xiàn)在典型的線寬/線距為15μm,接下來會(huì)更細(xì)。多層的載板性能重點(diǎn)要求低介電性、低熱膨脹系數(shù)和高耐熱性,在滿足性能目標(biāo)基礎(chǔ)上追求低成本的基板?,F(xiàn)在精細(xì)線路批量化生產(chǎn)基本都采用絕緣介質(zhì)積層結(jié)合壓薄銅箔的MSPA工藝。用SAP方法制造L/S小于10μm電路圖形。
PCB達(dá)到更密更薄則HDI板技術(shù)從含芯板積層發(fā)展為無芯板任意層互連積層(Anylayer),同樣功能的任意層互連積層HDI板比含芯板積層HDI板面積和厚度可減少約25%。這些必須使用更薄的并保持電性能良好的介質(zhì)層。
高頻高速化需求
電子通信技術(shù)從有線到無線,從低頻、低速到高頻、高速?,F(xiàn)在的手機(jī)性能已進(jìn)入4G并將邁向5G,就是有更快傳輸速度、更大傳輸容量。全球云計(jì)算時(shí)代到來使數(shù)據(jù)流量成倍增加,通訊設(shè)備高頻高速化是必然趨勢。PCB為適合高頻、高速傳輸?shù)男枰?,除?a target="_blank">電路設(shè)計(jì)方面減少信號(hào)干擾與損耗,保持信號(hào)完整性,以及PCB制造保持符合設(shè)計(jì)要求外,重要的是有高性能基材。
設(shè)計(jì)工程師為解決PCB增加速度和信號(hào)完整性,主要是針對電信號(hào)損失屬性?;倪x擇的關(guān)鍵因素介電常數(shù)(Dk)與介質(zhì)損耗(Df),當(dāng)Dk低于4與Df0.010以下為中Dk/Df級(jí)層壓板,當(dāng)Dk低于3.7與Df0.005以下為低Dk/Df級(jí)層壓板,現(xiàn)在有多種基材進(jìn)入市場可供選擇。
目前較多采用的高頻電路板基材主要是氟系樹脂、聚苯醚(PPO或PPE)樹脂和改性環(huán)氧樹脂這三大類材料。氟系介質(zhì)基板,如聚四氟乙烯(PTFE)介電性能最低,通常應(yīng)用在5GHz以上。另外還有用改性環(huán)氧FR-4或PPO基材。
對高頻用覆銅板除了上述樹脂等絕緣材料性能有特殊要求外,導(dǎo)體銅的表面粗糙度(輪廓)也是影響信號(hào)傳輸損耗的一個(gè)重要因素,這是受集膚效應(yīng)(SkinEffect)的影響。集膚效應(yīng)為高頻信號(hào)傳輸時(shí)在導(dǎo)線產(chǎn)生電磁感應(yīng),在導(dǎo)線截面中心處電感較大,使得電流或信號(hào)趨于導(dǎo)線表面集中。導(dǎo)體表層粗糙度影響到傳輸信號(hào)損失,表面光滑損失小。
在相同頻率下,銅表面粗糙度越大,信號(hào)損耗越大,所以我們在實(shí)際生產(chǎn)中盡可能控制表面銅厚的粗糙度,粗糙度在不影響結(jié)合力的情況下越小越好。特別是對10GHz以上范圍的信號(hào)。在10GHz時(shí)銅箔粗糙度需要低于1μm,使用超平面銅箔(表面粗糙度0.04μm)效果更佳。銅箔表面粗糙度還需結(jié)合適宜的氧化處理和粘合樹脂系統(tǒng)。在不久的將來,會(huì)有一種幾乎沒有輪廓的涂有樹脂的銅箔,能有更高的剝離強(qiáng)度并且不影響介質(zhì)損耗。
高頻、高速PCB板升級(jí)
1、如何選擇PCB 板材?
選擇PCB 板材必須在滿足設(shè)計(jì)需求和可量產(chǎn)性及成本中間取得平衡點(diǎn)。設(shè)計(jì)需求包含電氣和機(jī)構(gòu)這兩部分。通常在設(shè)計(jì)非常高速的 PCB 板子(大于 GHz 的頻率)時(shí)這材質(zhì)問題會(huì)比較重要。
例如,現(xiàn)在常用的 FR-4 材質(zhì),在幾個(gè)GHz 的頻率時(shí)的介質(zhì)損耗(dielectric loss)會(huì)對信號(hào)衰減有很大的影響,可能就不合用。就電氣而言,要注意介電常數(shù)(dielectric constant)和介質(zhì)損在所設(shè)計(jì)的頻率是否合用。
2、如何避免高頻干擾?
避免高頻干擾的基本思路是盡量降低高頻信號(hào)電磁場的干擾,也就是所謂的串?dāng)_(Crosstalk)??捎美蟾咚傩盘?hào)和模擬信號(hào)之間的距離,或加 ground guard/shunt traces 在模擬信號(hào)旁邊。還要注意數(shù)字地對模擬地的噪聲干擾。
3、在高速設(shè)計(jì)中,如何解決信號(hào)的完整性問題?
信號(hào)完整性基本上是阻抗匹配的問題。而影響阻抗匹配的因素有信號(hào)源的架構(gòu)和輸出阻抗(output impedance),走線的特性阻抗,負(fù)載端的特性,走線的拓樸(topology)架構(gòu)等。解決的方式是靠端接(termination)與調(diào)整走線的拓樸。
4、差分布線方式是如何實(shí)現(xiàn)的?
差分對的布線有兩點(diǎn)要注意,一是兩條線的長度要盡量一樣長,另一是兩線的間距(此間距由差分阻抗決定)要一直保持不變,也就是要保持平行。平行的方式有兩種,一為兩條線走在同一走線層(side-by-side),一為兩條線走在上下相鄰兩層(over-under)。一般以前者 side-by-side(并排, 并肩) 實(shí)現(xiàn)的方式較多。
5、對于只有一個(gè)輸出端的時(shí)鐘信號(hào)線,如何實(shí)現(xiàn)差分布線?
要用差分布線一定是信號(hào)源和接收端也都是差分信號(hào)才有意義。所以對只有一個(gè)輸出端的時(shí)鐘信號(hào)是無法使用差分布線的。
6、接收端差分線對之間可否加一匹配電阻?
接收端差分線對間的匹配電阻通常會(huì)加, 其值應(yīng)等于差分阻抗的值。這樣信號(hào)質(zhì)量會(huì)好些。
7、為何差分對的布線要靠近且平行?
對差分對的布線方式應(yīng)該要適當(dāng)?shù)目拷移叫小K^適當(dāng)?shù)目拷且驗(yàn)檫@間距會(huì)影響到差分阻抗(differential impedance)的值, 此值是設(shè)計(jì)差分對的重要參數(shù)。需要平行也是因?yàn)橐3植罘肿杩沟囊恢滦?。若兩線忽遠(yuǎn)忽近, 差分阻抗就會(huì)不一致, 就會(huì)影響信號(hào)完整性(signal integrity)及時(shí)間延遲(timing delay)。
8、如何處理實(shí)際布線中的一些理論沖突的問題
基本上, 將模/數(shù)地分割隔離是對的。要注意的是信號(hào)走線盡量不要跨過有分割的地方(moat), 還有不要讓電源和信號(hào)的回流電流路徑(returning current path)變太大。
晶振是模擬的正反饋振蕩電路, 要有穩(wěn)定的振蕩信號(hào), 必須滿足loop gain 與 phase 的規(guī)范, 而這模擬信號(hào)的振蕩規(guī)范很容易受到干擾, 即使加 ground guard traces 可能也無法完全隔離干擾。而且離的太遠(yuǎn),地平面上的噪聲也會(huì)影響正反饋振蕩電路。所以, 一定要將晶振和芯片的距離進(jìn)可能靠近。
確實(shí)高速布線與 EMI 的要求有很多沖突。但基本原則是因 EMI 所加的電阻電容或 ferrite bead, 不能造成信號(hào)的一些電氣特性不符合規(guī)范。所以, 最好先用安排走線和 PCB 迭層的技巧來解決或減少 EMI的問題, 如高速信號(hào)走內(nèi)層。最后才用電阻電容或 ferrite bead 的方式, 以降低對信號(hào)的傷害。
9、如何解決高速信號(hào)的手工布線和自動(dòng)布線之間的矛盾?
現(xiàn)在較強(qiáng)的布線軟件的自動(dòng)布線器大部分都有設(shè)定約束條件來控制繞線方式及過孔數(shù)目。各家 EDA公司的繞線引擎能力和約束條件的設(shè)定項(xiàng)目有時(shí)相差甚遠(yuǎn)。例如, 是否有足夠的約束條件控制蛇行線(serpentine)蜿蜒的方式, 能否控制差分對的走線間距等。
這會(huì)影響到自動(dòng)布線出來的走線方式是否能符合設(shè)計(jì)者的想法。另外, 手動(dòng)調(diào)整布線的難易也與繞線引擎的能力有絕對的關(guān)系。例如, 走線的推擠能力,過孔的推擠能力, 甚至走線對敷銅的推擠能力等等。所以, 選擇一個(gè)繞線引擎能力強(qiáng)的布線器, 才是解決之道。
10、關(guān)于 test coupon
test coupon 是用來以 TDR (Time Domain Reflectometer) 測量所生產(chǎn)的 PCB 板的特性阻抗是否滿足設(shè)計(jì)需求。一般要控制的阻抗有單根線和差分對兩種情況。所以, test coupon 上的走線線寬和線距(有差分對時(shí))要與所要控制的線一樣。
最重要的是測量時(shí)接地點(diǎn)的位置。為了減少接地引線(ground lead)的電感值, TDR 探棒(probe)接地的地方通常非常接近量信號(hào)的地方(probe tip), 所以, test coupon 上量測信號(hào)的點(diǎn)跟接地點(diǎn)的距離和方式要符合所用的探棒。
11、在高速 PCB 設(shè)計(jì)中,信號(hào)層的空白區(qū)域可以敷銅,而多個(gè)信號(hào)層的敷銅在接地和接電源上應(yīng)如何分配?
一般在空白區(qū)域的敷銅絕大部分情況是接地。只是在高速信號(hào)線旁敷銅時(shí)要注意敷銅與信號(hào)線的距離, 因?yàn)樗蟮你~會(huì)降低一點(diǎn)走線的特性阻抗。也要注意不要影響到它層的特性阻抗, 例如在 dual strip line的結(jié)構(gòu)時(shí)。
12、是否可以把電源平面上面的信號(hào)線使用微帶線模型計(jì)算特性阻抗?電源和地平面之間的信號(hào)是否可以使用帶狀線模型計(jì)算?
是的, 在計(jì)算特性阻抗時(shí)電源平面跟地平面都必須視為參考平面。例如四層板: 頂層-電源層-地層-底層,這時(shí)頂層走線特性阻抗的模型是以電源平面為參考平面的微帶線模型。
13、在高密度印制板上通過軟件自動(dòng)產(chǎn)生測試點(diǎn)一般情況下能滿足大批量生產(chǎn)的測試要求嗎?
一般軟件自動(dòng)產(chǎn)生測試點(diǎn)是否滿足測試需求必須看對加測試點(diǎn)的規(guī)范是否符合測試機(jī)具的要求。另外,如果走線太密且加測試點(diǎn)的規(guī)范比較嚴(yán),則有可能沒辦法自動(dòng)對每段線都加上測試點(diǎn),當(dāng)然,需要手動(dòng)補(bǔ)齊所要測試的地方。
14、添加測試點(diǎn)會(huì)不會(huì)影響高速信號(hào)的質(zhì)量?
至于會(huì)不會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量就要看加測試點(diǎn)的方式和信號(hào)到底多快而定。基本上外加的測試點(diǎn)(不用在線既有的穿孔(via or DIP pin)當(dāng)測試點(diǎn))可能加在在線或是從在線拉一小段線出來。前者相當(dāng)于是加上一個(gè)很小的電容在在線,后者則是多了一段分支。
這兩個(gè)情況都會(huì)對高速信號(hào)多多少少會(huì)有點(diǎn)影響,影響的程度就跟信號(hào)的頻率速度和信號(hào)緣變化率(edge rate)有關(guān)。影響大小可透過仿真得知。原則上測試點(diǎn)越小越好(當(dāng)然還要滿足測試機(jī)具的要求)分支越短越好。
15、若干 PCB 組成系統(tǒng),各板之間的地線應(yīng)如何連接?
各個(gè) PCB 板子相互連接之間的信號(hào)或電源在動(dòng)作時(shí),例如 A 板子有電源或信號(hào)送到 B 板子,一定會(huì)有等量的電流從地層流回到 A 板子 (此為 Kirchoff current law)。這地層上的電流會(huì)找阻抗最小的地方流回去。
所以,在各個(gè)不管是電源或信號(hào)相互連接的接口處,分配給地層的管腳數(shù)不能太少,以降低阻抗,這樣可以降低地層上的噪聲。另外,也可以分析整個(gè)電流環(huán)路,尤其是電流較大的部分,調(diào)整地層或地線的接法,來控制電流的走法(例如,在某處制造低阻抗,讓大部分的電流從這個(gè)地方走),降低對其它較敏感信號(hào)的影響。
16、能介紹一些國外關(guān)于高速 PCB 設(shè)計(jì)的技術(shù)書籍和數(shù)據(jù)嗎?
現(xiàn)在高速數(shù)字電路的應(yīng)用有通信網(wǎng)路和計(jì)算器等相關(guān)領(lǐng)域。在通信網(wǎng)路方面,PCB 板的工作頻率已達(dá) GHz 上下,疊層數(shù)就我所知有到 40 層之多。計(jì)算器相關(guān)應(yīng)用也因?yàn)樾酒倪M(jìn)步,無論是一般的 PC 或服務(wù)器(Server),板子上的最高工作頻率也已經(jīng)達(dá)到 400MHz (如 Rambus) 以上。
因應(yīng)這高速高密度走線需求,盲埋孔(blind/buried vias)、mircrovias 及 build-up 制程工藝的需求也漸漸越來越多。這些設(shè)計(jì)需求都有廠商可大量生產(chǎn)。
17、兩個(gè)常被參考的特性阻抗公式:
微帶線(microstrip) Z={87/[sqrt(Er+1.41)]}ln[5.98H/(0.8W+T)] 其中,W 為線寬,T 為走線的銅皮厚度,H 為走線到參考平面的距離,Er 是 PCB 板材質(zhì)的介電常數(shù)(dielectric constant)。
此公式必須在0.1<(W/H)<2.0 及 1<(Er)<15 的情況才能應(yīng)用。
帶狀線(stripline) Z=[60/sqrt(Er)]ln{4H/[0.67π(T+0.8W)]} 其中,H 為兩參考平面的距離,并且走線位于兩參考平面的中間。此公式必須在 W/H<0.35 及 T/H<0.25 的情況才能應(yīng)用。
18、差分信號(hào)線中間可否加地線?
差分信號(hào)中間一般是不能加地線。因?yàn)椴罘中盘?hào)的應(yīng)用原理最重要的一點(diǎn)便是利用差分信號(hào)間相互耦合(coupling)所帶來的好處,如 flux cancellation,抗噪聲(noise immunity)能力等。若在中間加地線,便會(huì)破壞耦合效應(yīng)。
19、剛?cè)岚逶O(shè)計(jì)是否需要專用設(shè)計(jì)軟件與規(guī)范?國內(nèi)何處可以承接該類電路板加工?
可以用一般設(shè)計(jì) PCB 的軟件來設(shè)計(jì)柔性電路板(Flexible Printed Circuit)。一樣用 Gerber 格式給 FPC廠商生產(chǎn)。由于制造的工藝和一般 PCB 不同,各個(gè)廠商會(huì)依據(jù)他們的制造能力會(huì)對最小線寬、最小線距、最小孔徑(via)有其**。除此之外,可在柔性電路板的轉(zhuǎn)折處鋪些銅皮加以補(bǔ)強(qiáng)。至于生產(chǎn)的廠商可上網(wǎng)“FPC”當(dāng)關(guān)鍵詞查詢應(yīng)該可以找到。
20、適當(dāng)選擇 PCB 與外殼接地的點(diǎn)的原則是什么?
選擇 PCB 與外殼接地點(diǎn)選擇的原則是利用 chassis ground 提供低阻抗的路徑給回流電流(returning current)及控制此回流電流的路徑。例如,通常在高頻器件或時(shí)鐘產(chǎn)生器附近可以借固定用的螺絲將 PCB的地層與 chassis ground 做連接,以盡量縮小整個(gè)電流回路面積,也就減少電磁輻射。
21、電路板 DEBUG 應(yīng)從那幾個(gè)方面著手?
就數(shù)字電路而言,首先先依序確定三件事情:
1. 確認(rèn)所有電源值的大小均達(dá)到設(shè)計(jì)所需。有些多重電源的系統(tǒng)可能會(huì)要求某些電源之間起來的順序與快慢有某種規(guī)范。
2. 確認(rèn)所有時(shí)鐘信號(hào)頻率都工作正常且信號(hào)邊緣上沒有非單調(diào)(non-monotonic)的問題。
3. 確認(rèn) reset 信號(hào)是否達(dá)到規(guī)范要求。這些都正常的話,芯片應(yīng)該要發(fā)出第一個(gè)周期(cycle)的信號(hào)。接下來依照系統(tǒng)運(yùn)作原理與 bus protocol 來 debug。
22、在電路板尺寸固定的情況下,如果設(shè)計(jì)中需要容納更多的功能,就往往需要提高 PCB 的走線密度,但是這樣有可能導(dǎo)致走線的相互干擾增強(qiáng),同時(shí)走線過細(xì)也使阻抗無法降低,請專家介紹在高速(>100MHz)高密度 PCB 設(shè)計(jì)中的技巧?
在設(shè)計(jì)高速高密度 PCB 時(shí),串?dāng)_(crosstalk interference)確實(shí)是要特別注意的,因?yàn)樗鼘r(shí)序(timing)與信號(hào)完整性(signal integrity)有很大的影響。以下提供幾個(gè)注意的地方:
控制走線特性阻抗的連續(xù)與匹配。
走線間距的大小。一般??吹降拈g距為兩倍線寬??梢酝高^仿真來知道走線間距對時(shí)序及信號(hào)完整性的影響,找出可容忍的最小間距。不同芯片信號(hào)的結(jié)果可能不同。
選擇適當(dāng)?shù)亩私臃绞健?/p>
避免上下相鄰兩層的走線方向相同,甚至有走線正好上下重疊在一起,因?yàn)檫@種串?dāng)_比同層相鄰走線的情形還大。
利用盲埋孔(blind/buried via)來增加走線面積。但是 PCB 板的制作成本會(huì)增加。在實(shí)際執(zhí)行時(shí)確實(shí)很難達(dá)到完全平行與等長,不過還是要盡量做到。
除此以外,可以預(yù)留差分端接和共模端接,以緩和對時(shí)序與信號(hào)完整性的影響。
23、模擬電源處的濾波經(jīng)常是用 LC 電路。但是為什么有時(shí) LC 比 RC 濾波效果差?
LC 與 RC 濾波效果的比較必須考慮所要濾掉的頻帶與電感值的選擇是否恰當(dāng)。因?yàn)殡姼械母锌?reactance)大小與電感值和頻率有關(guān)。如果電源的噪聲頻率較低,而電感值又不夠大,這時(shí)濾波效果可能不如 RC。但是,使用 RC 濾波要付出的代價(jià)是電阻本身會(huì)耗能,效率較差,且要注意所選電阻能承受的功率。
24、濾波時(shí)選用電感,電容值的方法是什么?
電感值的選用除了考慮所想濾掉的噪聲頻率外,還要考慮瞬時(shí)電流的反應(yīng)能力。如 果 LC 的輸出端會(huì)有機(jī)會(huì)需要瞬間輸出大電流,則電感值太大會(huì)阻礙此大電流流經(jīng)此電感的速度,增加紋波噪聲(ripple noise)。
電容值則和所能容忍的紋波噪聲規(guī)范值的大小有關(guān)。紋波噪聲值要求越小,電容值會(huì)較大。而電容的ESR/ESL 也會(huì)有影響。另外,如果這 LC 是放在開關(guān)式電源(switching regulation power)的輸出端時(shí),還要注意此 LC 所產(chǎn)生的極點(diǎn)零點(diǎn)(pole/zero)對負(fù)反饋控制(negative feedback control)回路穩(wěn)定度的影響。
25、如何盡可能的達(dá)到 EMC 要求,又不致造成太大的成本壓力?
PCB 板上會(huì)因 EMC 而增加的成本通常是因增加地層數(shù)目以增強(qiáng)屏蔽效應(yīng)及增加了 ferrite bead、choke等抑制高頻諧波器件的緣故。除此之外,通常還是需搭配其它機(jī)構(gòu)上的屏蔽結(jié)構(gòu)才能使整個(gè)系統(tǒng)通過 EMC的要求。以下僅就 PCB 板的設(shè)計(jì)技巧提供幾個(gè)降低電路產(chǎn)生的電磁輻射效應(yīng)。
盡可能選用信號(hào)斜率(slew rate)較慢的器件,以降低信號(hào)所產(chǎn)生的高頻成分。
注意高頻器件擺放的位置,不要太靠近對外的連接器。
注意高速信號(hào)的阻抗匹配,走線層及其回流電流路徑(return current path), 以減少高頻的反射與輻射。
在各器件的電源管腳放置足夠與適當(dāng)?shù)娜ヱ詈想娙菀跃徍碗娫磳雍偷貙由系脑肼暋L貏e注意電容的頻率響應(yīng)與溫度的特性是否符合設(shè)計(jì)所需。
對外的連接器附近的地可與地層做適當(dāng)分割,并將連接器的地就近接到 chassis ground。
可適當(dāng)運(yùn)用 ground guard/shunt traces 在一些特別高速的信號(hào)旁。但要注意 guard/shunt traces 對走線特性阻抗的影響。
電源層比地層內(nèi)縮 20H,H 為電源層與地層之間的距離。
26、當(dāng)一塊 PCB 板中有多個(gè)數(shù)/模功能塊時(shí),常規(guī)做法是要將數(shù)/模地分開,原因何在?
將數(shù)/模地分開的原因是因?yàn)閿?shù)字電路在高低電位切換時(shí)會(huì)在電源和地產(chǎn)生噪聲,噪聲的大小跟信號(hào)的速度及電流大小有關(guān)。如果地平面上不分割且由數(shù)字區(qū)域電路所產(chǎn)生的噪聲較大而模擬區(qū)域的電路又非常接近,則即使數(shù)模信號(hào)不交叉,模擬的信號(hào)依然會(huì)被地噪聲干擾。也就是說數(shù)模地不分割的方式只能在模擬電路區(qū)域距產(chǎn)生大噪聲的數(shù)字電路區(qū)域較遠(yuǎn)時(shí)使用。
27、另一種作法是在確保數(shù)/模分開布局,且數(shù)/模信號(hào)走線相互不交叉的情況下,整個(gè) PCB板地不做分割,數(shù)/模地都連到這個(gè)地平面上。道理何在?
數(shù)模信號(hào)走線不能交叉的要求是因?yàn)樗俣壬钥斓?a target="_blank">數(shù)字信號(hào)其返回電流路徑(return current path)會(huì)盡量沿著走線的下方附近的地流回?cái)?shù)字信號(hào)的源頭,若數(shù)模信號(hào)走線交叉,則返回電流所產(chǎn)生的噪聲便會(huì)出現(xiàn)在模擬電路區(qū)域內(nèi)。
28、在高速 PCB 設(shè)計(jì)原理圖設(shè)計(jì)時(shí),如何考慮阻抗匹配問題?
在設(shè)計(jì)高速 PCB 電路時(shí),阻抗匹配是設(shè)計(jì)的要素之一。而阻抗值跟走線方式有絕對的關(guān)系,例如是走在表面層(microstrip)或內(nèi)層(stripline/double stripline),與參考層(電源層或地層)的距離,走線寬度,PCB材質(zhì)等均會(huì)影響走線的特性阻抗值。也就是說要在布線后才能確定阻抗值。
一般仿真軟件會(huì)因線路模型或所使用的數(shù)學(xué)算法的**而無法考慮到一些阻抗不連續(xù)的布線情況,這時(shí)候在原理圖上只能預(yù)留一些terminators(端接),如串聯(lián)電阻等,來緩和走線阻抗不連續(xù)的效應(yīng)。真正根本解決問題的方法還是布線時(shí)盡量注意避免阻抗不連續(xù)的發(fā)生。
29、哪里能提供比較準(zhǔn)確的 IBIS 模型庫?
IBIS 模型的準(zhǔn)確性直接影響到仿真的結(jié)果?;旧?IBIS 可看成是實(shí)際芯片 I/O buffer 等效電路的電氣特性數(shù)據(jù),一般可由 SPICE 模型轉(zhuǎn)換而得 (亦可采用測量, 但**較多),而 SPICE 的數(shù)據(jù)與芯片制造有絕對的關(guān)系,所以同樣一個(gè)器件不同芯片廠商提供,其 SPICE 的數(shù)據(jù)是不同的,進(jìn)而轉(zhuǎn)換后的 IBIS 模型內(nèi)之?dāng)?shù)據(jù)也會(huì)隨之而異。
也就是說,如果用了 A 廠商的器件,只有他們有能力提供他們器件準(zhǔn)確模型數(shù)據(jù),因?yàn)闆]有其它人會(huì)比他們更清楚他們的器件是由何種工藝做出來的。如果廠商所提供的 IBIS 不準(zhǔn)確,只能不斷要求該廠商改進(jìn)才是根本解決之道。
30、在高速 PCB 設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)者應(yīng)該從那些方面去考慮 EMC、EMI 的規(guī)則呢?
一般 EMI/EMC 設(shè)計(jì)時(shí)需要同時(shí)考慮輻射(radiated)與傳導(dǎo)(conducted)兩個(gè)方面. 前者歸屬于頻率較高的部分(>30MHz)后者則是較低頻的部分(<30MHz). 所以不能只注意高頻而忽略低頻的部分.
一個(gè)好的EMI/EMC 設(shè)計(jì)必須一開始布局時(shí)就要考慮到器件的位置, PCB 疊層的安排, 重要聯(lián)機(jī)的走法, 器件的選擇等, 如果這些沒有事前有較佳的安排, 事后解決則會(huì)事倍功半, 增加成本.
例如時(shí)鐘產(chǎn)生器的位置盡量不要靠近對外的連接器, 高速信號(hào)盡量走內(nèi)層并注意特性阻抗匹配與參考層的連續(xù)以減少反射, 器件所推的信號(hào)之斜率(slew rate)盡量小以減低高頻成分, 選擇去耦合(decoupling/bypass)電容時(shí)注意其頻率響應(yīng)是否符合需求以降低電源層噪聲.
另外, 注意高頻信號(hào)電流之回流路徑使其回路面積盡量小(也就是回路阻抗loop impedance 盡量小)以減少輻射. 還可以用分割地層的方式以控制高頻噪聲的范圍. 最后, 適當(dāng)?shù)倪x擇PCB 與外殼的接地點(diǎn)(chassis ground)。
31、如何選擇 EDA 工具?
目前的 pcb 設(shè)計(jì)軟件中,熱分析都不是強(qiáng)項(xiàng),所以并不建議選用,其它的功能 1.3.4 可以選擇 PADS或 Cadence 性能價(jià)格比都不錯(cuò)。PLD 的設(shè)計(jì)的初學(xué)者可以采用 PLD 芯片廠家提供的集成環(huán)境,在做到百萬門以上的設(shè)計(jì)時(shí)可以選用單點(diǎn)工具。
32、請推薦一種適合于高速信號(hào)處理和傳輸?shù)?EDA 軟件
常規(guī)的電路設(shè)計(jì),INNOVEDA 的 PADS 就非常不錯(cuò),且有配合用的仿真軟件,而這類設(shè)計(jì)往往占據(jù)了 70%的應(yīng)用場合。在做高速電路設(shè)計(jì),模擬和數(shù)字混合電路,采用 Cadence 的解決方案應(yīng)該屬于性能價(jià)格比較好的軟件,當(dāng)然 Mentor 的性能還是非常不錯(cuò)的,特別是它的設(shè)計(jì)流程管理方面應(yīng)該是最為優(yōu)秀的。
33、對 PCB 板各層含義的解釋
Topoverlay ----頂層器件名稱, 也叫 top silkscreen 或者 top component legend, 比如 R1 C5,
IC10.bottomoverlay----同理 multilayer-----如果你設(shè)計(jì)一個(gè) 4 層板,你放置一個(gè) free pad or via, 定義它作為multilay 那么它的 pad 就會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)在 4 個(gè)層 上,如果你只定義它是 top layer, 那么它的 pad 就會(huì)只出現(xiàn)在頂層上。
34、2G 以上高頻 PCB 設(shè)計(jì),走線,排版,應(yīng)重點(diǎn)注意哪些方面?
2G 以上高頻 PCB 屬于射頻電路設(shè)計(jì),不在高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)討論范圍內(nèi)。而 射頻電路的布局(layout)和布線(routing)應(yīng)該和原理圖一起考慮的,因?yàn)椴季植季€都會(huì)造成分布效應(yīng)。
而且,射頻電路設(shè)計(jì)一些無源器件是通過參數(shù)化定義,特殊形狀銅箔實(shí)現(xiàn),因此要求 EDA 工具能夠提供參數(shù)化器件,能夠編輯特殊形狀銅箔。
Mentor 公司的 boardstation 中有專門的 RF 設(shè)計(jì)模塊,能夠滿足這些要求。而且,一般射頻設(shè)計(jì)要求有專門射頻電路分析工具,業(yè)界最著名的是 agilent 的 eesoft,和 Mentor 的工具有很好的接口。
35、2G 以上高頻 PCB 設(shè)計(jì),微帶的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循哪些規(guī)則?
射頻微帶線設(shè)計(jì),需要用三維場分析工具提取傳輸線參數(shù)。所有的規(guī)則應(yīng)該在這個(gè)場提取工具中規(guī)定。
36、對于全數(shù)字信號(hào)的 PCB,板上有一個(gè) 80MHz 的鐘源。除了采用絲網(wǎng)(接地)外,為了保證有足夠的驅(qū)動(dòng)能力,還應(yīng)該采用什么樣的電路進(jìn)行保護(hù)?
確保時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)能力,不應(yīng)該通過保護(hù)實(shí)現(xiàn),一般采用時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)芯片。一般擔(dān)心時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)能力,是因?yàn)槎鄠€(gè)時(shí)鐘負(fù)載造成。采用時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)芯片,將一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)變成幾個(gè),采用點(diǎn)到點(diǎn)的連接。
選擇驅(qū)動(dòng)芯片,除了保證與負(fù)載基本匹配,信號(hào)沿滿足要求(一般時(shí)鐘為沿有效信號(hào)),在計(jì)算系統(tǒng)時(shí)序時(shí),要算上時(shí)鐘在驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)時(shí)延。
37、如果用單獨(dú)的時(shí)鐘信號(hào)板,一般采用什么樣的接口,來保證時(shí)鐘信號(hào)的傳輸受到的影響?。?/p>
時(shí)鐘信號(hào)越短,傳輸線效應(yīng)越小。采用單獨(dú)的時(shí)鐘信號(hào)板,會(huì)增加信號(hào)布線長度。而且單板的接地供電也是問題。如果要長距離傳輸,建議采用差分信號(hào)。LVDS 信號(hào)可以滿足驅(qū)動(dòng)能力要求,不過您的時(shí)鐘不是太快,沒有必要。
38、27M,SDRAM 時(shí)鐘線(80M-90M),這些時(shí)鐘線二三次諧波剛好在 VHF 波段,從接收端高頻竄入后干擾很大。除了縮短線長以外,還有那些好辦法?
如果是三次諧波大,二次諧波小,可能因?yàn)樾盘?hào)占空比為 50%,因?yàn)檫@種情況下,信號(hào)沒有偶次諧波。這時(shí)需要修改一下信號(hào)占空比。此外,對于如果是單向的時(shí)鐘信號(hào),一般采用源端串聯(lián)匹配。這樣可以抑制二次反射,但不會(huì)影響時(shí)鐘沿速率。源端匹配值,可以采用下圖公式得到。
39、什么是走線的拓?fù)浼軜?gòu)?
Topology,有的也叫 routing order.對于多端口連接的網(wǎng)絡(luò)的布線次序。
40、怎樣調(diào)整走線的拓?fù)浼軜?gòu)來提高信號(hào)的完整性?
這種網(wǎng)絡(luò)信號(hào)方向比較復(fù)雜,因?yàn)閷蜗颍p向信號(hào),不同電平種類信號(hào),拓樸影響都不一樣,很難說哪種拓樸對信號(hào)質(zhì)量有利。而且作前仿真時(shí),采用何種拓樸對工程師要求很高,要求對電路原理,信號(hào)類型,甚至布線難度等都要了解。
41、怎樣通過安排疊層來減少 EMI 問題?
首先,EMI 要從系統(tǒng)考慮,單憑 PCB 無法解決問題。層迭對 EMI 來講,我認(rèn)為主要是提供信號(hào)最短回流路徑,減小耦合面積,抑制差模干擾。另外地層與電源層緊耦合,適當(dāng)比電源層外延,對抑制共模干擾有好處。
42、為何要鋪銅?
一般鋪銅有幾個(gè)方面原因。
EMC.對于大面積的地或電源鋪銅,會(huì)起到屏蔽作用,有些特殊地,如 PGND 起到防護(hù)作用。
PCB 工藝要求。一般為了保證電鍍效果,或者層壓不變形,對于布線較少的PCB 板層鋪銅。
信號(hào)完整性要求,給高頻數(shù)字信號(hào)一個(gè)完整的回流路徑,并減少直流網(wǎng)絡(luò)的布線。當(dāng)然還有散熱,特殊器件安裝要求鋪銅等等原因。
43、在一個(gè)系統(tǒng)中,包含了 dsp 和 pld,請問布線時(shí)要注意哪些問題呢?
看你的信號(hào)速率和布線長度的比值。如果信號(hào)在傳輸在線的時(shí)延和信號(hào)變化沿時(shí)間可比的話,就要考慮信號(hào)完整性問題。另外對于多個(gè) DSP,時(shí) 鐘,數(shù)據(jù) 信號(hào)走線拓普也會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量和時(shí)序,需要關(guān)注。
44、除 protel 工具布線外,還有其他好的工具嗎?
至于工具,除了 PROTEL,還有很多布線工具,如 MENTOR 的 WG2000,EN2000 系列和 powerpcb,Cadence 的 allegro,zuken 的 cadstar,cr5000 等,各有所長。
45、什么是“信號(hào)回流路徑”?
信號(hào)回流路徑,即 return current。高速數(shù)字信號(hào)在傳輸時(shí),信號(hào)的流向是從驅(qū)動(dòng)器沿 PCB 傳輸線到負(fù)載,再由負(fù)載沿著地或電源通過最短路徑返回驅(qū)動(dòng)器端。這個(gè)在地或電源上的返回信號(hào)就稱信號(hào)回流路徑。Dr.Johson 在他的書中解釋,高頻信號(hào)傳輸,實(shí)際上是對傳輸線與直流層之間包夾的介質(zhì)電容充電的過程。SI 分析的就是這個(gè)圍場的電磁特性,以及他們之間的耦合。
46、如何對接插件進(jìn)行 SI 分析?
在 IBIS3.2 規(guī)范中,有關(guān)于接插件模型的描述。一般使用 EBD 模型。如果是特殊板,如背板,需要SPICE 模型。也可以使用多板仿真軟件(HYPERLYNX 或 IS_multiboard),建立多板系統(tǒng)時(shí),輸入接插件的分布參數(shù),一般從接插件手冊中得到。當(dāng)然這種方式會(huì)不夠精確,但只要在可接受范圍內(nèi)即可。
47、請問端接的方式有哪些?
端接(terminal),也稱匹配。一般按照匹配位置分有源端匹配和終端匹配。其中源端匹配一般為電阻串聯(lián)匹配,終端匹配一般為并聯(lián)匹配,方式比較多,有電阻上拉,電阻下拉,戴維南匹配,AC 匹配,肖特基二極管匹配。
48、采用端接(匹配)的方式是由什么因素決定的?
匹配采用方式一般由 BUFFER 特性,拓普情況,電平種類和判決方式來決定,也要考慮信號(hào)占空比,系統(tǒng)功耗等。
49、采用端接(匹配)的方式有什么規(guī)則?
數(shù)字電路最關(guān)鍵的是時(shí)序問題,加匹配的目的是改善信號(hào)質(zhì)量,在判決時(shí)刻得到可以確定的信號(hào)。對于電平有效信號(hào),在保證建立、保持時(shí)間的前提下,信號(hào)質(zhì)量穩(wěn)定;對延有效信號(hào),在保證信號(hào)延單調(diào)性前提下,信號(hào)變化延速度滿足要求。Mentor ICX 產(chǎn)品教材中有關(guān)于匹配的一些資料。
另外《High Speed Digital design a hand book of blackmagic》有一章專門對 terminal 的講述,從電磁波原理上講述匹配對信號(hào)完整性的作用,可供參考。
50、能否利用器件的 IBIS 模型對器件的邏輯功能進(jìn)行仿真?如果不能,那么如何進(jìn)行電路的板級(jí)和系統(tǒng)級(jí)仿真?
IBIS 模型是行為級(jí)模型,不能用于功能仿真。功能仿真,需要用 SPICE 模型,或者其他結(jié)構(gòu)級(jí)模型。
51、在數(shù)字和模擬并存的系統(tǒng)中,有 2 種處理方法,一個(gè)是數(shù)字地和模擬地分開,比如在地層,數(shù)字地是獨(dú)立地一塊,模擬地獨(dú)立一塊,單點(diǎn)用銅皮或 FB 磁珠連接,而電源不分開;另一種是模擬電源和數(shù)字電源分開用 FB 連接,而地是統(tǒng)一地地。請問李先生,這兩種方法效果是否一樣?
應(yīng)該說從原理上講是一樣的。因?yàn)殡娫春偷貙Ω哳l信號(hào)是等效的。
區(qū)分模擬和數(shù)字部分的目的是為了抗干擾,主要是數(shù)字電路對模擬電路的干擾。但是,分割可能造成信號(hào)回流路徑不完整,影響數(shù)字信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量,影響系統(tǒng) EMC 質(zhì)量。
因此,無論分割哪個(gè)平面,要看這樣作,信號(hào)回流路徑是否被增大,回流信號(hào)對正常工作信號(hào)干擾有多大?,F(xiàn)在也有一些混合設(shè)計(jì),不分電源和地,在布局時(shí),按照數(shù)字部分、模擬部分分開布局布線,避免出現(xiàn)跨區(qū)信號(hào)。
52、安規(guī)問題:FCC、EMC 的具體含義是什么?
FCC: federal communication commission 美國通信委員會(huì)
EMC: electro megnetic compatibility 電磁兼容
FCC 是個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組織,EMC 是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)頒布都有相應(yīng)的原因,標(biāo)準(zhǔn)和測試方法。
53、何謂差分布線?
差分信號(hào),有些也稱差動(dòng)信號(hào),用兩根完全一樣,極性相反的信號(hào)傳輸一路數(shù)據(jù),依靠兩根信號(hào)電平差進(jìn)行判決。為了保證兩根信號(hào)完全一致,在布線時(shí)要保持并行,線寬、線間距保持不變。
54、PCB 仿真軟件有哪些?
仿 真 的種類很多, 高 速 數(shù) 字電 路 信 號(hào) 完 整 性 分 析 仿 真 分析(SI) 常 用 軟 件有icx,signalvision,hyperlynx,XTK,speectraquest 等。有些也用 Hspice。
55、PCB 仿真軟件是如何進(jìn)行 LAYOUT 仿真的?
高速數(shù)字電路中,為了提高信號(hào)質(zhì)量,降低布線難度,一般采用多層板,分配專門的電源層,地層。
56、在布局、布線中如何處理才能保證 50M 以上信號(hào)的穩(wěn)定性
高速數(shù)字信號(hào)布線,關(guān)鍵是減小傳輸線對信號(hào)質(zhì)量的影響。因此,100M 以上的高速信號(hào)布局時(shí)要求信號(hào)走線盡量短。數(shù)字電路中,高速信號(hào)是用信號(hào)上升延時(shí)間來界定的。而 且 ,不 同種類的信號(hào)(如 TTL,GTL,LVTTL),確保信號(hào)質(zhì)量的方法不一樣。
57、室外單元的射頻部分,中頻部分,乃至對室外單元進(jìn)行監(jiān)控的低頻電路部分往往采用部署在同一 PCB 上,請問對這樣的 PCB 在材質(zhì)上有何要求?如何防止射頻,中頻乃至低頻電路互相之間的干擾?
混合電路設(shè)計(jì)是一個(gè)很大的問題。很難有一個(gè)完美的解決方案。
一般射頻電路在系統(tǒng)中都作為一個(gè)獨(dú)立的單板進(jìn)行布局布線,甚至?xí)袑iT的屏蔽腔體。而且射頻電路一般為單面或雙面板,電路較為簡單,所有這些都是為了減少對射頻電路分布參數(shù)的影響,提高射頻系統(tǒng)的一致性。
相對于一般的 FR4 材質(zhì),射頻電路板傾向與采用高 Q 值的基材,這種材料的介電常數(shù)比較小,傳輸線分布電容較小,阻抗高,信號(hào)傳輸時(shí)延小。在混合電路設(shè)計(jì)中,雖然射頻,數(shù)字電路做在同一塊 PCB 上,但一般都分成射頻電路區(qū)和數(shù)字電路區(qū),分別布局布線。之間用接地過孔帶和屏蔽盒屏蔽。
58、對于射頻部分,中頻部分和低頻電路部分部署在同一 PCB 上,mentor 有什么解決方案?
Mentor 的板級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件,除了基本的電路設(shè)計(jì)功能外,還有專門的 RF 設(shè)計(jì)模塊。在 RF 原理圖設(shè)計(jì)模塊中,提供參數(shù)化的器件模型,并且提供和 EESOFT 等射頻電路分析仿真工具的雙向接口;在 RF LAYOUT 模塊中,提供專門用于射頻電路布局布線的圖案編輯功能,也有和 EESOFT 等射頻電路分析仿真工具的雙向接口,對于分析仿真后的結(jié)果可以反標(biāo)回原理圖和 PCB。
同時(shí),利用 Mentor 軟件的設(shè)計(jì)管理功能,可以方便的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)復(fù)用,設(shè)計(jì)派生,和協(xié)同設(shè)計(jì)。大大加速混合電路設(shè)計(jì)進(jìn)程。手機(jī)板是典型的混合電路設(shè)計(jì),很多大型手機(jī)設(shè)計(jì)制造商都利用 Mentor 加安杰倫的 eesoft 作為設(shè)計(jì)平臺(tái)。
59、Mentor 的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如何?
Mentor Graphics 的 PCB 工具有 WG(原 veribest)系列和 Enterprise(boardstation)系列。
60、Mentor 的 PCB 設(shè)計(jì)軟件對 BGA、PGA、COB 等封裝是如何支持的?
Mentor 的 autoactive RE 由收購得來的 veribest 發(fā)展而來,是業(yè)界第一個(gè)無網(wǎng)格,任意角度布線器。
眾所周知,對于球柵數(shù)組,COB 器件,無網(wǎng)格,任意角度布線器是解決布通率的關(guān)鍵。在最新的autoactive RE 中,新增添了推擠過孔,銅箔,REROUTE 等功能,使它應(yīng)用更方便。另外,他支持高速布線,包括有時(shí)延要求信號(hào)布線和差分對布線。
61、Mentor 的 PCB 設(shè)計(jì)軟件對差分線隊(duì)的處理又如何?
Mentor 軟件在定義好差分對屬性后,兩根差分對可以一起走線,嚴(yán)格保證差分對線寬,間距和長度差,遇到障礙可以自動(dòng)分開,在換層時(shí)可以選擇過孔方式。
62、在一塊 12 層 PCb 板上,有三個(gè)電源層 2.2v,3.3v,5v,將三個(gè)電源各作在一層,地線該如何處理?
一般說來,三個(gè)電源分別做在三層,對信號(hào)質(zhì)量比較好。因?yàn)椴淮罂赡艹霈F(xiàn)信號(hào)跨平面層分割現(xiàn)象??绶指钍怯绊懶盘?hào)質(zhì)量很關(guān)鍵的一個(gè)因素,而仿真軟件一般都忽略了它。對于電源層和地層,對高頻信號(hào)來說都是等效的。
在實(shí)際中,除了考慮信號(hào)質(zhì)量外,電 源 平 面 耦 合 ( 利 用相鄰地平面降低電源平面交流阻抗),層迭對稱,都是需要考慮的因素。
63、PCB 在出廠時(shí)如何檢查是否達(dá)到了設(shè)計(jì)工藝要求?
很多 PCB 廠家在 PCB 加工完成出廠前,都要經(jīng)過加電的網(wǎng)絡(luò)通斷測試,以確保所有聯(lián)線正確。同時(shí),越來越多的廠家也采用 x 光測試,檢查蝕刻或?qū)訅簳r(shí)的一些故障。對于貼片加工后的成品板,一般采用 ICT測試檢查,這需要在 PCB 設(shè)計(jì)時(shí)添加 ICT 測試點(diǎn)。如果出現(xiàn)問題,也可以通過一種特殊的 X 光檢查設(shè)備排除是否加工原因造成故障。
64、“機(jī)構(gòu)的防護(hù)”是不是機(jī)殼的防護(hù)?
是的。機(jī)殼要盡量嚴(yán)密,少用或不用導(dǎo)電材料,盡可能接地。
65、在芯片選擇的時(shí)候是否也需要考慮芯片本身的 esd 問題?
不論是雙層板還是多層板,都應(yīng)盡量增大地的面積。在選擇芯片時(shí)要考慮芯片本身的 ESD 特性,這些在芯片說明中一般都有提到,而且即使不同廠家的同一種芯片性能也會(huì)有所不同。設(shè)計(jì)時(shí)多加注意,考慮的全面一點(diǎn),做出電路板的性能也會(huì)得到一定的保證。但 ESD 的問題仍然可能出現(xiàn),因此機(jī)構(gòu)的防護(hù)對ESD 的防護(hù)也是相當(dāng)重要的。
66、在做 pcb 板的時(shí)候,為了減小干擾,地線是否應(yīng)該構(gòu)成閉和形式?
在做 PCB 板的時(shí)候,一般來講都要減小回路面積,以便減少干擾,布地線的時(shí)候,也不應(yīng)布成閉合形式,而是布成樹枝狀較好,還有就是要盡可能增大地的面積。
67、如果仿真器用一個(gè)電源,pcb 板用一個(gè)電源,這兩個(gè)電源的地是否應(yīng)該連在一起?
如果可以采用分離電源當(dāng)然較好,因?yàn)槿绱穗娫撮g不易產(chǎn)生干擾,但大部分設(shè)備是有具體要求的。既然仿真器和 PCB 板用的是兩個(gè)電源,按我的想法是不該將其共地的。
68、一個(gè)電路由幾塊 pcb 板構(gòu)成,他們是否應(yīng)該共地?
一個(gè)電路由幾塊 PCB 構(gòu)成,多半是要求共地的,因?yàn)樵谝粋€(gè)電路中用幾個(gè)電源畢竟是不太實(shí)際的。但如果你有具體的條件,可以用不同電源當(dāng)然干擾會(huì)小些。
69、設(shè)計(jì)一個(gè)手持產(chǎn)品,帶 LCD,外殼為金屬。
測試 ESD 時(shí),無法通過 ICE-1000-4-2 的測試,CONTACT 只能通過 1100V,AIR 可以通過 6000V。ESD 耦合測試時(shí),水平只能可以通過 3000V,垂直可以通過 4000V 測試。CPU 主頻為 33MHZ。有什么方法可以通過 ESD 測試?
手持產(chǎn)品又是金屬外殼,ESD 的問題一定比較明顯,LCD 也恐怕會(huì)出現(xiàn)較多的不良現(xiàn)象。如果沒辦法改變現(xiàn)有的金屬材質(zhì),則建議在機(jī)構(gòu)內(nèi)部加上防電材料,加強(qiáng) PCB 的地,同時(shí)想辦法讓 LCD 接地。當(dāng)然,如何操作要看具體情況。
70、設(shè)計(jì)一個(gè)含有 DSP,PLD 的系統(tǒng),該從那些方面考慮 ESD?
編輯:黃飛
評(píng)論