深圳市组创微电子有限公司
销售部:15338833908采购部:0755-8299 4126行政部:0755-8299 4126
咨询电话
0755-8299 4141

硬件开发

多层PCB设计方法


高组装效率的多层PCB设计

现代电子产品大多数都要求体积小、重量轻、功能多,相当部分的电子产品(航空、航天、船舶、兵器等)在体积小和重量轻等方面有着永无止境的追求。在PCB板上组装器件是减小体积和重量的一种重要方法。由于PCB电路设计人员往往不在PCB板生产的第一线,因而对最新的工艺或设备不太了解,所以设计的产品在PCB的各种工艺方面难以做到最优化,在质量和成本方面也就做不到最好。本文在介绍多层PCB的设计步骤及各种技巧的同时,重点介绍在组装效率方面有着明显优势的两种工艺:高密度连接板(HDI)工艺和PCB上键合工艺。

最新的工艺通常是某种组装方法的改变,一般不影响PCB设计流程。传统PCB的设计有一定的流程,按照流程来做,不仅可以提高工作效率,而且可以有效避免布线错误等情况的出现。PCB的设计流程主要分为网表输入、布局、布线、检查、设计输出五个步骤。本文以这五个步骤为主线,重点介绍高组装效率的多层PCB的各种设计技巧。

一、网表输入

网表输入包括电路的网络信息和封装信息,也可以涵盖PCB的各类设计规则。首先要保证电路图和PCB版图的网表信息完全一致,还应该采用手工方式将网表与纸质电路图进行核对,确保该电路的设计内容与网表信息完全一致。对于器件的封装设计,器件厂家与相关设计软件的推荐设计尺寸都比较大,适合大批量的机械生产。如果是小批量的手工制作,可以适当减小焊盘尺寸,还可以去掉部分或全部器件外框和字符,但在纸质文档中要提供相关内容,类似于厚膜电路生产,这样调整后可以适当提高组装效率。电路的各类布线规则,可以在原理图设计阶段制定,也可以在PCB版图设计阶段制定或补充、更改。

二、PCB布局

电路的布局是一个综合系统,包括外框尺寸、工艺选择、层定义、过孔设置、字符设计、布线要求、设计输出设置等内容,可能需要经过多次调整才能基本满足设计要求。布局结果一般不能达到所有设计要求的最完美状态,但应该主次分明,尽量争取电路的总体效果达到最佳。

2.1外框尺寸

外框尺寸一般在设计软件的固定层指定(如Protel软件在Mechanical l层中指定外框),一般要考虑器件的布局尺寸、引脚间距和数量、安装方式、抗过载要求、工艺加工能力等。

2.2工艺选择

工艺的选择一般要考虑是单面组装还是双面组装;是普通的PCB生产工艺,还是HDI生产工艺;是普通的SMT组装工艺,还是包含有金(铝)丝键合工艺。在组装效率方面HDI生产工艺优于普通的PCB生产工艺,金(铝)丝键合工艺优于SMT组装工艺,下面重点介绍这两种工艺。

(1)HDI生产工艺:HDI:是高密度连接板(High Density Interconnection)的简称,是生产PCB的一种技术,也叫积层法多层板。主要是采取了一种铜柱技术,在逐次增层中,先形成铜柱再丝印绝缘介质层,特点是强健的微孔和高可靠性。

在组装效率方面,HDI工艺的优点主要有:更小的线宽和间距、更小的过孔、过孔可以直接放在焊盘区域。

普通PCB的通孔为什么不能放在焊盘上,是因为焊锡会从孔里流到板子的另一面,造成焊接的不可靠,还可能造成板子另一面的短路。而HDI工艺是用铜柱进行连接,没有孔,故能够放置在焊盘上。正是过孔能够放置在焊盘上以及HDI的孔焊盘远小于普通PCB工艺的孔焊盘,使得HDI工艺在组装效率方面比普通PCB工艺提高很多。当器件布局很密,表贴器件无法正常打孔,或者板子上有0.5mm间距和0.65ram间距的BGA器件时,可以选择HDI设计。

(2)PCB上金(铝)丝键合工艺:厚膜混合集成电路中大量使用键合工艺,效果也非常的好,但组装低效率、高成本制约了厚膜混合集成工艺的进一步发展。在使用环境不太恶劣的情况下,选用PCB工艺一般都能满足电路要求,而且经济实惠,如果在PCB上使用裸片键合工艺,不仅能提高部分电性能,还能较大幅度提高电路的组装效率。

在PCB上进行金(铝)丝键合之前,要对PCB表面进行特殊处理,防止键合丝的拉力达不到要求。

这里主要介绍金丝键合前对PCB表面进行处理的方法:PCB使用的导线材料为铜基导线,键合盘表面要进行金属化处理,先镀1m左右厚度的镍,再镀1.5p.m一21xm厚度的金,形成Cu—NiAu合金层,能较好提高键合拉力。

要注意:与厚膜电路上使用裸片的区别:首先键合盘要设计的稍大一点,要求12mil×12rail以上尺寸;键合盘与锡焊盘问要有足够宽度的阻焊绿釉覆盖,当键合盘与锡焊盘问阻焊绿釉脱落或者可能出现焊锡飞溅到键合盘时,可以用厚膜介质浆料或玻璃釉浆料对键合盘进行覆盖、干燥(不能烧结),然后进行表贴器件的焊接,再清洗掉键合盘上的厚膜介质浆料或玻璃釉浆料,最后就可以键合金丝了;一般情况下要用邦定胶对键合丝进行保护。

比键合工艺达到组装效率更高的是倒装焊工艺,就是将裸芯片倒扣着焊接在基板的表面,在PCB上也能实现,只是工艺难度很大,成本也高很多。

2.3层定义

应根据具体电路的布局密度、布线密度、电性能要求、电源平面和接地平面数量等合理定义板层的数量和层次结构。采用的PCB的层数越多,越要注意布线层与参考平面的位置关系,多个参考平面的设置会使线条阻抗控制更容易,RF通量对消特性也可以得到进一步改善。对于高速数字电路,应使接地平面和电源平面直接相邻,使用额外的接地平面而不是电源平面来隔离布线层。

2.4过孔设置

同一个PCB过孔的类型要尽量少,尽量少用盲孔、埋孔,过孔类型还要尽量对称,如8层PCB中,1层到4层的盲孔和5层到8层的盲孔是对称关系,可以算作同一类型。过孔类型越少,工艺步骤就越少,价格也就相对越便宜。过孑L及孔焊盘尺寸要根据具体PCB生产厂家的工艺能力来定,尽量不选厂家的工艺极限值。

2.5字符设计

字符线宽不得低于4rail,最小字符高度25mil,最小字符宽度15rail。字符位置要紧挨器件,不能产生混淆。焊盘上不能印刷字符和器件边框,如果字符或边框的放置影响了电路的组装效率,可以部分或全部不印刷,但纸质文件上要打印出来,在软件中将不需要印刷的字符或边框放置在另外一层即可。器件布局是整个PCB设计中的重中之重,一定要充分考虑到各方面因素,争取做到一次成功,布线完成后的布局改动会花费大量的时间和精力。

三、PCB布线

布线是很重要的一环,复杂的PCB电路设计时要利用设计软件的自动布线功能,但也不能完全依靠软件,自动布线和手动布线应相互结合,反复交叉使用。布线规则的合理设定是决定自动布线结果的关键,可以反复试验。

布局和设计规则指定后,应先进行自动布线,根据自动布线结果对布局、布线规则、层次结构、过孔尺寸等内容进行适当调整。调整后删除所有布线,对关键信号线、部分电源线和地线进行手工布线,用软件中锁定功能锁定这些线后自动布线,一般能得到较理想结果,然后对所有布线进行微调就可以了。

相邻两个板层的导线宜相互垂直、斜交、或弯曲走线,避免相互平行,以减小寄生耦合;作为电路的输人及输出用的印制导线应尽量避免相邻平行,在这些导线之间最好加接地线;走线拐角尽可能大于90度,杜绝90度以下的拐角,也尽量少用9O度拐角;0402尺寸表贴器件两个焊盘之间最好不要走线,否则可能会短路,如果发生短路情况也不方便问题分析,可以在设计0402尺寸表贴器件的封装时,在两个焊盘之间加一个尺寸适当的焊盘,自动布线完成后再统一去掉这个附加焊盘即可。

四、PCB检查

PCB设计软件一般都有自动检查功能,在设计过程中和设计完成后应多次使用,检查的内容包括设计规则,层定义、线宽、间距、焊盘、过孔设置等。除了使用软件的自动检查,还要进行人工检查,除自动检查的所有内容外还有器件的布局、PCB的外框尺寸、安装孔、字符等内容。

五、PCB设计输出

PCB的设计输出包括生产所需的各种数据文件和纸质文件,数据文件包括Gerber(光绘文件)、NC drill(数控钻孔文件)、Pick and Place(插置文件)以及Test Point Report(测试点文件);纸质文件包括器件明细表、装配图、版图、特殊工艺说明等。PCB生产厂家一般要求设计人员提供完整的数据文件,对数据文件的正确与否不负责任,个别厂家提供由版图原文件输出生产所需的各种数据文件服务。

总结

高密度连接板(HDI)工艺和PCB上键合工艺是提高微组装效率的两种关键工艺。基于铜柱技术的高密度连接板(HDI),其过孔和焊盘尺寸远小于普通PCB板,且可以将过孔直接放置在焊盘上,这是高密度连接板(HDI)工艺的最大优势。PCB上键合工艺,通过对普通PCB板键合盘表面进行金属化处理,解决了裸芯片的键合拉力问题。从而可以安装未封装的器件,提高组装效率。

以上就是我们深圳市组创微电子有限公司为您介绍的高组装效率的多层PCB设计详情。如果您有智能电子产品的软硬件功能开发需求,可以放心交给我们,我们有丰富的电子产品定制开发经验,可以尽快评估开发周期与IC价格,也可以核算PCBA报价。我们是多家国内外芯片代理商:松翰、应广、杰理、安凯、全志、realtek,有MCU、语音IC、蓝牙IC与模块、wifi模块。我们的拥有硬件设计与软件开发能力。涵盖了电路设计、PCB设计、单片机开发、软件定制开发、APP定制开发、微信公众号开发、语音识别技术、蓝牙wifi开发等。还可以承接智能电子产品研发、家用电器方案设计、美容仪器开发、物联网应用开发、智能家居方案设计、TWS耳机开发、蓝牙耳机音箱开发、儿童玩具方案开发、电子教育产品研发。

使用该技术的解决方案

  • 返回顶部