微型PCB設計和制造的11個(gè)技巧

2021-04-26

微型PCB設計和制造的11個(gè)技巧

電子世界即將爆炸，或者我應該說(shuō)“內爆”，其定義是“向內猛烈崩潰”。這種內爆將由電子產(chǎn)品的大幅減小尺寸或電子產(chǎn)品功能的巨大改進(jìn)所驅動(dòng)，從而導致印刷電路板的小型化。這里有一些技巧，可以幫助您了解如何處理微型PCB的設計和制造。

如今，基本電路板的尺寸減小將使設計人員能夠將其PCB的尺寸減小一半，或者減小到原始尺寸的四分之一。我們之所以說(shuō)“今天”，是因為在撰寫(xiě)本文時(shí)，我知道有幾家公司開(kāi)始涉足微電子印刷電路領(lǐng)域。過(guò)去設計師無(wú)法使用的非常細的線(xiàn)現在將成為主流，而原來(lái)的絕對最小線(xiàn)寬75微米（3密耳）逐漸減小到30微米（1.2密耳）或更小。

對于較小的走線(xiàn)和過(guò)孔，需要新的設計規則，因為印刷電路板的制造方法完全不同且先進(jìn)。微電子印刷電路制造商無(wú)法使用標準的舊干膜，印版和蝕刻工藝來(lái)可靠地制造75微米以下的線(xiàn)。光刻是產(chǎn)生這些非常細的線(xiàn)條和空間的一種選擇方法。轉向較小的線(xiàn)寬可能會(huì )使相當多的“陷在泥里”的老式印刷電路制造商措手不及，這些制造商現在甚至不提供3密耳的電阻。為了在不久的將來(lái)具有競爭力，PCB車(chē)間將需要提供至少50微米的線(xiàn)和空間，甚至低至30微米。

微型PCB制造商群體

精細微電路的制造商分為四組。第一組主要是亞洲人，擁有一到兩個(gè)美國俘虜的大批量電子制造商，它們?yōu)槭謾C或iPod開(kāi)發(fā)了獨特的細線(xiàn)工藝，可跟蹤40-50微米的痕跡。第二組是數量有限的研發(fā)公司，僅在Kapton上制造少量的非常細的線(xiàn)路，其細線(xiàn)小于40微米，這些線(xiàn)路僅在Kapton上建造，成本高，交貨期長(cháng)達三個(gè)月且產(chǎn)量小。

第三集團正在以最快的速度擴展中型印刷電路公司，這些公司提供較小的生產(chǎn)數量，線(xiàn)寬為75至40微米，幾周之內即可生產(chǎn)成千上萬(wàn)的產(chǎn)品。最后，第四組是正常的細線(xiàn)印刷電路板生產(chǎn)，尺寸為125至75微米，具有大批量生產(chǎn)和眾多參與者。我們將自己置于第五集團。我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種新的制造技術(shù)，能夠在FR4或Kapton上形成30微米的線(xiàn)和間距。我們在開(kāi)發(fā)中的時(shí)間也小于20微米，并希望在2008年第二季度提供此功能。

隨著(zhù)微電子業(yè)務(wù)的擴展以及越來(lái)越多的印刷電路公司發(fā)現制造40微米及以下的非常細的線(xiàn)所必需的技術(shù)，設計人員將需要熟悉新的設計規則以及微電路制造的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

如何設計微型PCB

出于明顯的原因，非常細的30微米線(xiàn)不能使用普通的1盎司銅。當我們減小線(xiàn)寬時(shí)，我們必須減小厚度。在Sierra Circuits，我們使用18微米厚的銅制造了25微米的生產(chǎn)線(xiàn)，但這大約是上限。除非您的設計使用較大的電流，否則較細的銅走線(xiàn)應該不是問(wèn)題，在這種情況下，可以將特定的走線(xiàn)做得更寬以處理更大的電流。30微米的生產(chǎn)線(xiàn)堅固而可靠，但是，它不會(huì )遭受太多的物理虐待，而通過(guò)使用典型的阻焊膜幾乎可以消除這種濫用。

細線(xiàn)可能會(huì )使許多設計人員擔心，但是，他們需要實(shí)現目前開(kāi)始使用的200微米寬的線(xiàn)跡，并將其減少到將芯片連接到芯片載體的25至13微米的鋁或金圓線(xiàn)。細線(xiàn)被封裝在多層的內層中或通過(guò)阻焊劑封裝，這意味著(zhù)它們實(shí)際上被鎖定了。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了將銅附著(zhù)到電路板表面的新方法，這些新方法用于改善微跡線(xiàn)的整體附著(zhù)力到表面。我們有一個(gè)帶有40微米跡線(xiàn)的示例板，沒(méi)有阻焊層，我們允許客戶(hù)用指甲刮擦。到目前為止，還沒(méi)有人留下任何痕跡。

前幾個(gè)微設計從30微米跡線(xiàn)到焊盤(pán)都有很大的圓角。隨著(zhù)時(shí)間的流逝，事實(shí)證明它是不必要的。將走線(xiàn)直接布線(xiàn)到焊盤(pán)非常牢固可靠。額外的魚(yú)片剛剛被證明會(huì )增加圖像寫(xiě)入時(shí)間和成本。

小通孔：微型通孔的尺寸存在物理限制。低于50微米（2密耳）時(shí)，電鍍液將無(wú)法正確地電鍍孔壁，從而導致過(guò)孔質(zhì)量變差。我們的激光器可以鉆出小至20微米的孔，但我們不能電鍍它們。層壓板的厚度控制通孔的最小直徑，對于電鍍微通孔，上限為2：1。

例如，就電鍍而言，3密耳的微通孔僅限于6密耳厚的層壓板。我們的Yag激光器可以鉆通孔的深度也有一個(gè)限制。隨著(zhù)直徑減小，穿透層壓材料以形成清潔孔的能力也隨之降低。3密耳的通孔在FR4中的深度限制為4到5密耳，而在HDI應用中使用的無(wú)玻璃層壓板中則為6到7密耳。關(guān)于微孔的一切并不一定是壞的。微孔可能無(wú)法像痕跡一樣小，但是我們可以在鍋中添加甜味劑，因為微孔周?chē)沫h(huán)形圈會(huì )明顯變小。

當我們生產(chǎn)第一個(gè)微型PCB時(shí)，我們注意到的第一件事是通孔在焊盤(pán)中居中。該設計使用了一個(gè)9密耳的焊盤(pán)和一個(gè)3密耳的通孔，對于傳統的印刷電路工程來(lái)說(shuō)，該通孔是緊密的。新的，更精確的激光制造方法將允許小至5密耳的焊盤(pán)和3密耳的通孔，從而節省了大量的電路板面積。

使用新的微電路設計技術(shù)而非常規的印刷電路技術(shù)可節省大量空間。如今，典型的75微米線(xiàn)寬的最佳間距約為.5mm，通過(guò)75微米線(xiàn)和250微米（10密耳）的焊盤(pán)可得到75微米（3密耳）。墊片之間的間距為225微米（9密耳），墊片之間僅允許一條75微米的線(xiàn)，對于大多數商店來(lái)說(shuō)，這種最小規格是很難的。

微型PCB設計準則

利用3密耳過(guò)孔，5密耳，30微米線(xiàn)和30微米間距的微電路技術(shù)可產(chǎn)生0.2mm的間距布局。

與標準的3密耳印刷電路板布局相比，微電路技術(shù)可將使用的面積減少五倍。在以后的文章中，我們將討論減少所需組件面積的想法。但是，即使使用相同的組件，僅切換到30微米線(xiàn)和更小的焊盤(pán)也將顯著(zhù)減小電路板面積。

布線(xiàn)時(shí)，請使用相同的技術(shù)，但是在轉彎時(shí)嘗試使線(xiàn)傾斜，而不要使用90度的轉彎。拐角處的斜線(xiàn)將拐角應力分布在更大的區域上。

1. Microvias

當利用添加在多層板頂部或作為所有HDI多層的HDI技術(shù)層時(shí)，微通孔可用于連接薄層之間?？梢糟@出直徑為5.9密耳的通孔，最大厚度為60密耳，或者可以鉆出直徑為2-3密耳的激光孔，但只能在2-4密耳厚的HDI層壓板上。請記住，與激光創(chuàng )建的孔相比，鉆孔的漂移很大，這限制了焊盤(pán)到孔的大小。對于鉆孔，請使用12 mil的焊盤(pán)和6 mil的孔，而對于激光鉆孔的微孔，可以將5 mil的焊盤(pán)與3 mil的通孔一起使用。

2.孔尺寸

盡管看起來(lái)很明顯，但值得重申：傳統PCB設計的每個(gè)元素都需要進(jìn)行調整，以適應更小的微型尺寸。對于熟悉傳統PCB設計的PCB布局工程師而言，這可能是一個(gè)挑戰。我們在該區域看到的最常見(jiàn)的錯誤是過(guò)大的孔。實(shí)際上，微型PCB設計應具有激光微型通孔，以在基板層之間互連。如果設計中的孔過(guò)大（通常如此），將導致微型PCB效果欠佳甚至無(wú)法正常工作。

這再次回到了與合適的微型PCB制造商合作的重要性。當PCB公司作為合作伙伴時(shí)，您將有一位專(zhuān)家可以在PCB工藝的每個(gè)步驟中尋求幫助，以確保您的微型PCB設計滿(mǎn)足所有必要的要求。

3.銅厚度

正常的3密耳細線(xiàn)電路是1盎司銅，微電路每30微米寬度使用oz。常規圖案電鍍用于制造微電路，這意味著(zhù)跡線(xiàn)不必從電路引出到電鍍總線(xiàn)，圖案電鍍連接到整個(gè)電路，而引線(xiàn)鍵合電鍍是化學(xué)的或電氣的。

4.可靠性

大多數普通的印刷電路板都可以用于HDI或微電路，但都有局限性。微型單面和雙面電路可以由剛性FR4型層壓板制成，但是它們需要很薄才能留出微型通孔。

5.電氣測試

目前，飛行探針或什至是剛性探針（釘床）技術(shù)的下限為2-3密耳。我們期望隨著(zhù)時(shí)間的推移，它會(huì )降低，因為必要時(shí)需要更小的平臺。如果您的微電路具有較小的點(diǎn)，例如邊緣條連接器，則將線(xiàn)從電路延伸到3-4 mil焊盤(pán)是明智的。

6.阻焊膜

不幸的是，允許我們制造30微米線(xiàn)的成像技術(shù)還沒(méi)有轉移到阻焊膜上。75微米的位置精度以及圖像分辨率仍然是極限。

7.識別標記

典型的絲網(wǎng)印刷圖像精度對于微電路而言太大。Sierra Proto使用非常精細的噴墨打印機，這會(huì )導致非常小的識別標記分辨率。

8.安全標記

可以將非常小的單個(gè)條形碼成像到阻焊膜中，以正確識別印刷電路板。條形碼是如此之小，以至于人眼幾乎看不見(jiàn)。

9.最終完成

可以提供普通的印刷電路板飾面。大多數微電路使用可焊線(xiàn)的軟金，浸錫或銀。

10.了解制造商的能力

到目前為止，無(wú)論您要開(kāi)發(fā)微電子的具體應用或類(lèi)型如何，這都是進(jìn)行微型PCB設計時(shí)采取的最重要的步驟。

在開(kāi)始任何PCB設計工作時(shí)，本技巧都非常重要。但是，了解它們的功能和服務(wù)對于微型PCB尤其重要。對于一家從未從事過(guò)微型PCB設計的公司，或者從未與指定的PCB制造公司合作過(guò)此類(lèi)產(chǎn)品的公司，這是至關(guān)重要的。

原因很簡(jiǎn)單：微型PCB的制造能力在一家PCB制造商與另一家PCB制造商之間差異很大。實(shí)際上，微型PCB仍相當新，而且足夠復雜，以至于許多PCB制造商將提供有限的微電子功能或支持。為了證明微型PCB設計成功，您需要確保制造商能夠滿(mǎn)足您的基本要求。

請記住，您的設計需求必須符合其準則。如果您將制造商無(wú)法滿(mǎn)足的元素納入設計中，則需要進(jìn)行返工。這將導致延誤，減慢周轉時(shí)間和上市速度。

11.與工程師對話(huà)

盡早且最好在整個(gè)設計過(guò)程中，與PCB制造廠(chǎng)的工程師聯(lián)系并討論您的下一個(gè)項目。

考慮到以下事實(shí)，這一點(diǎn)尤其重要：微型PCB正在向無(wú)數在該領(lǐng)域幾乎沒(méi)有經(jīng)驗的組織開(kāi)放微電子領(lǐng)域。例如，一家專(zhuān)門(mén)從事血液測試設備的公司可能會(huì )對開(kāi)發(fā)這種設備的微型版本感興趣，該設備需要少量的血液進(jìn)行分析。這是微型PCB潛力的完美例子，但是在這種情況下，該公司可能沒(méi)有過(guò)去從事微型PCB設計工作的員工的PCB布局工程師。

這就是為什么與在微型PCB設計過(guò)程的每個(gè)步驟中由其自己的工程師提供指導的電路板車(chē)間合作至關(guān)重要的原因。盡管一些PCB制造商（例如Sierra Circuits）為所有客戶(hù)提供了這種服務(wù)水平，但許多公司卻沒(méi)有。如果微型PCB制造商不為從事微型PCB設計的客戶(hù)提供工程師主導的支持和專(zhuān)業(yè)知識，則您的公司可能應該在設計過(guò)程的早期就尋找其他地方。