微型PCB设计和制造的11个技巧

2021-04-26

微型PCB设计和制造的11个技巧

電(diàn)子世界即将爆炸，或者我应该说“内爆”，其定义是“向内猛烈崩溃”。这种内爆将由電(diàn)子产品的大幅减小(xiǎo)尺寸或電(diàn)子产品功能(néng)的巨大改进所驱动，从而导致印刷電(diàn)路板的小(xiǎo)型化。这里有(yǒu)一些技巧，可(kě)以帮助您了解如何处理(lǐ)微型PCB的设计和制造。

如今，基本電(diàn)路板的尺寸减小(xiǎo)将使设计人员能(néng)够将其PCB的尺寸减小(xiǎo)一半，或者减小(xiǎo)到原始尺寸的四分(fēn)之一。我们之所以说“今天”，是因為(wèi)在撰写本文(wén)时，我知道有(yǒu)几家公司开始涉足微電(diàn)子印刷電(diàn)路领域。过去设计师无法使用(yòng)的非常细的線(xiàn)现在将成為(wèi)主流，而原来的绝对最小(xiǎo)線(xiàn)宽75微米（3密耳）逐渐减小(xiǎo)到30微米（1.2密耳）或更小(xiǎo)。

对于较小(xiǎo)的走線(xiàn)和过孔，需要新(xīn)的设计规则，因為(wèi)印刷電(diàn)路板的制造方法完全不同且先进。微電(diàn)子印刷電(diàn)路制造商(shāng)无法使用(yòng)标准的旧干膜，印版和蚀刻工艺来可(kě)靠地制造75微米以下的線(xiàn)。光刻是产生这些非常细的線(xiàn)条和空间的一种选择方法。转向较小(xiǎo)的線(xiàn)宽可(kě)能(néng)会使相当多(duō)的“陷在泥里”的老式印刷電(diàn)路制造商(shāng)措手不及，这些制造商(shāng)现在甚至不提供3密耳的電(diàn)阻。為(wèi)了在不久的将来具有(yǒu)竞争力，PCB車(chē)间将需要提供至少50微米的線(xiàn)和空间，甚至低至30微米。

微型PCB制造商(shāng)群體(tǐ)

精细微電(diàn)路的制造商(shāng)分(fēn)為(wèi)四组。第一组主要是亚洲人，拥有(yǒu)一到两个美國(guó)俘虏的大批量電(diàn)子制造商(shāng)，它们為(wèi)手机或iPod开发了独特的细線(xiàn)工艺，可(kě)跟踪40-50微米的痕迹。第二组是数量有(yǒu)限的研发公司，仅在Kapton上制造少量的非常细的線(xiàn)路，其细線(xiàn)小(xiǎo)于40微米，这些線(xiàn)路仅在Kapton上建造，成本高，交货期長(cháng)达三个月且产量小(xiǎo)。

第三集团正在以最快的速度扩展中型印刷電(diàn)路公司，这些公司提供较小(xiǎo)的生产数量，線(xiàn)宽為(wèi)75至40微米，几周之内即可(kě)生产成千上万的产品。最后，第四组是正常的细線(xiàn)印刷電(diàn)路板生产，尺寸為(wèi)125至75微米，具有(yǒu)大批量生产和众多(duō)参与者。我们将自己置于第五集团。我们已经开发出一种新(xīn)的制造技术，能(néng)够在FR4或Kapton上形成30微米的線(xiàn)和间距。我们在开发中的时间也小(xiǎo)于20微米，并希望在2008年第二季度提供此功能(néng)。

随着微電(diàn)子业務(wù)的扩展以及越来越多(duō)的印刷電(diàn)路公司发现制造40微米及以下的非常细的線(xiàn)所必需的技术，设计人员将需要熟悉新(xīn)的设计规则以及微電(diàn)路制造的优点和缺点。

如何设计微型PCB

出于明显的原因，非常细的30微米線(xiàn)不能(néng)使用(yòng)普通的1盎司铜。当我们减小(xiǎo)線(xiàn)宽时，我们必须减小(xiǎo)厚度。在Sierra Circuits，我们使用(yòng)18微米厚的铜制造了25微米的生产線(xiàn)，但这大约是上限。除非您的设计使用(yòng)较大的電(diàn)流，否则较细的铜走線(xiàn)应该不是问题，在这种情况下，可(kě)以将特定的走線(xiàn)做得更宽以处理(lǐ)更大的電(diàn)流。30微米的生产線(xiàn)坚固而可(kě)靠，但是，它不会遭受太多(duō)的物(wù)理(lǐ)虐待，而通过使用(yòng)典型的阻焊膜几乎可(kě)以消除这种滥用(yòng)。

细線(xiàn)可(kě)能(néng)会使许多(duō)设计人员担心，但是，他(tā)们需要实现目前开始使用(yòng)的200微米宽的線(xiàn)迹，并将其减少到将芯片连接到芯片载體(tǐ)的25至13微米的铝或金圆線(xiàn)。细線(xiàn)被封装在多(duō)层的内层中或通过阻焊剂封装，这意味着它们实际上被锁定了。已经开发了将铜附着到電(diàn)路板表面的新(xīn)方法，这些新(xīn)方法用(yòng)于改善微迹線(xiàn)的整體(tǐ)附着力到表面。我们有(yǒu)一个带有(yǒu)40微米迹線(xiàn)的示例板，没有(yǒu)阻焊层，我们允许客户用(yòng)指甲刮擦。到目前為(wèi)止，还没有(yǒu)人留下任何痕迹。

前几个微设计从30微米迹線(xiàn)到焊盘都有(yǒu)很(hěn)大的圆角。随着时间的流逝，事实证明它是不必要的。将走線(xiàn)直接布線(xiàn)到焊盘非常牢固可(kě)靠。额外的鱼片刚刚被证明会增加图像写入时间和成本。

小(xiǎo)通孔：微型通孔的尺寸存在物(wù)理(lǐ)限制。低于50微米（2密耳）时，電(diàn)镀液将无法正确地電(diàn)镀孔壁，从而导致过孔质量变差。我们的激光器可(kě)以钻出小(xiǎo)至20微米的孔，但我们不能(néng)電(diàn)镀它们。层压板的厚度控制通孔的最小(xiǎo)直径，对于電(diàn)镀微通孔，上限為(wèi)2：1。

例如，就電(diàn)镀而言，3密耳的微通孔仅限于6密耳厚的层压板。我们的Yag激光器可(kě)以钻通孔的深度也有(yǒu)一个限制。随着直径减小(xiǎo)，穿透层压材料以形成清洁孔的能(néng)力也随之降低。3密耳的通孔在FR4中的深度限制為(wèi)4到5密耳，而在HDI应用(yòng)中使用(yòng)的无玻璃层压板中则為(wèi)6到7密耳。关于微孔的一切并不一定是坏的。微孔可(kě)能(néng)无法像痕迹一样小(xiǎo)，但是我们可(kě)以在锅中添加甜味剂，因為(wèi)微孔周围的环形圈会明显变小(xiǎo)。

当我们生产第一个微型PCB时，我们注意到的第一件事是通孔在焊盘中居中。该设计使用(yòng)了一个9密耳的焊盘和一个3密耳的通孔，对于传统的印刷電(diàn)路工程来说，该通孔是紧密的。新(xīn)的，更精确的激光制造方法将允许小(xiǎo)至5密耳的焊盘和3密耳的通孔，从而节省了大量的電(diàn)路板面积。

使用(yòng)新(xīn)的微電(diàn)路设计技术而非常规的印刷電(diàn)路技术可(kě)节省大量空间。如今，典型的75微米線(xiàn)宽的最佳间距约為(wèi).5mm，通过75微米線(xiàn)和250微米（10密耳）的焊盘可(kě)得到75微米（3密耳）。垫片之间的间距為(wèi)225微米（9密耳），垫片之间仅允许一条75微米的線(xiàn)，对于大多(duō)数商(shāng)店(diàn)来说，这种最小(xiǎo)规格是很(hěn)难的。

微型PCB设计准则

利用(yòng)3密耳过孔，5密耳，30微米線(xiàn)和30微米间距的微電(diàn)路技术可(kě)产生0.2mm的间距布局。

与标准的3密耳印刷電(diàn)路板布局相比，微電(diàn)路技术可(kě)将使用(yòng)的面积减少五倍。在以后的文(wén)章中，我们将讨论减少所需组件面积的想法。但是，即使使用(yòng)相同的组件，仅切换到30微米線(xiàn)和更小(xiǎo)的焊盘也将显着减小(xiǎo)電(diàn)路板面积。

布線(xiàn)时，请使用(yòng)相同的技术，但是在转弯时尝试使線(xiàn)倾斜，而不要使用(yòng)90度的转弯。拐角处的斜線(xiàn)将拐角应力分(fēn)布在更大的區(qū)域上。

1. Microvias

当利用(yòng)添加在多(duō)层板顶部或作為(wèi)所有(yǒu)HDI多(duō)层的HDI技术层时，微通孔可(kě)用(yòng)于连接薄层之间。可(kě)以钻出直径為(wèi)5.9密耳的通孔，最大厚度為(wèi)60密耳，或者可(kě)以钻出直径為(wèi)2-3密耳的激光孔，但只能(néng)在2-4密耳厚的HDI层压板上。请记住，与激光创建的孔相比，钻孔的漂移很(hěn)大，这限制了焊盘到孔的大小(xiǎo)。对于钻孔，请使用(yòng)12 mil的焊盘和6 mil的孔，而对于激光钻孔的微孔，可(kě)以将5 mil的焊盘与3 mil的通孔一起使用(yòng)。

2.孔尺寸

尽管看起来很(hěn)明显，但值得重申：传统PCB设计的每个元素都需要进行调整，以适应更小(xiǎo)的微型尺寸。对于熟悉传统PCB设计的PCB布局工程师而言，这可(kě)能(néng)是一个挑战。我们在该區(qū)域看到的最常见的错误是过大的孔。实际上，微型PCB设计应具有(yǒu)激光微型通孔，以在基板层之间互连。如果设计中的孔过大（通常如此），将导致微型PCB效果欠佳甚至无法正常工作。

这再次回到了与合适的微型PCB制造商(shāng)合作的重要性。当PCB公司作為(wèi)合作伙伴时，您将有(yǒu)一位专家可(kě)以在PCB工艺的每个步骤中寻求帮助，以确保您的微型PCB设计满足所有(yǒu)必要的要求。

3.铜厚度

正常的3密耳细線(xiàn)電(diàn)路是1盎司铜，微電(diàn)路每30微米宽度使用(yòng)oz。常规图案電(diàn)镀用(yòng)于制造微電(diàn)路，这意味着迹線(xiàn)不必从電(diàn)路引出到電(diàn)镀总線(xiàn)，图案電(diàn)镀连接到整个電(diàn)路，而引線(xiàn)键合電(diàn)镀是化學(xué)的或電(diàn)气的。

4.可(kě)靠性

大多(duō)数普通的印刷電(diàn)路板都可(kě)以用(yòng)于HDI或微電(diàn)路，但都有(yǒu)局限性。微型单面和双面電(diàn)路可(kě)以由刚性FR4型层压板制成，但是它们需要很(hěn)薄才能(néng)留出微型通孔。

5.電(diàn)气测试

目前，飞行探针或什至是刚性探针（钉床）技术的下限為(wèi)2-3密耳。我们期望随着时间的推移，它会降低，因為(wèi)必要时需要更小(xiǎo)的平台。如果您的微電(diàn)路具有(yǒu)较小(xiǎo)的点，例如边缘条连接器，则将線(xiàn)从電(diàn)路延伸到3-4 mil焊盘是明智的。

6.阻焊膜

不幸的是，允许我们制造30微米線(xiàn)的成像技术还没有(yǒu)转移到阻焊膜上。75微米的位置精度以及图像分(fēn)辨率仍然是极限。

7.识别标记

典型的丝网印刷图像精度对于微電(diàn)路而言太大。Sierra Proto使用(yòng)非常精细的喷墨打印机，这会导致非常小(xiǎo)的识别标记分(fēn)辨率。

8.安全标记

可(kě)以将非常小(xiǎo)的单个条形码成像到阻焊膜中，以正确识别印刷電(diàn)路板。条形码是如此之小(xiǎo)，以至于人眼几乎看不见。

9.最终完成

可(kě)以提供普通的印刷電(diàn)路板饰面。大多(duō)数微電(diàn)路使用(yòng)可(kě)焊線(xiàn)的软金，浸锡或银。

10.了解制造商(shāng)的能(néng)力

到目前為(wèi)止，无论您要开发微電(diàn)子的具體(tǐ)应用(yòng)或类型如何，这都是进行微型PCB设计时采取的最重要的步骤。

在开始任何PCB设计工作时，本技巧都非常重要。但是，了解它们的功能(néng)和服務(wù)对于微型PCB尤其重要。对于一家从未从事过微型PCB设计的公司，或者从未与指定的PCB制造公司合作过此类产品的公司，这是至关重要的。

原因很(hěn)简单：微型PCB的制造能(néng)力在一家PCB制造商(shāng)与另一家PCB制造商(shāng)之间差异很(hěn)大。实际上，微型PCB仍相当新(xīn)，而且足够复杂，以至于许多(duō)PCB制造商(shāng)将提供有(yǒu)限的微電(diàn)子功能(néng)或支持。為(wèi)了证明微型PCB设计成功，您需要确保制造商(shāng)能(néng)够满足您的基本要求。

请记住，您的设计需求必须符合其准则。如果您将制造商(shāng)无法满足的元素纳入设计中，则需要进行返工。这将导致延误，减慢周转时间和上市速度。

11.与工程师对话

尽早且最好在整个设计过程中，与PCB制造厂的工程师联系并讨论您的下一个项目。

考虑到以下事实，这一点尤其重要：微型PCB正在向无数在该领域几乎没有(yǒu)经验的组织开放微電(diàn)子领域。例如，一家专门从事血液测试设备的公司可(kě)能(néng)会对开发这种设备的微型版本感兴趣，该设备需要少量的血液进行分(fēn)析。这是微型PCB潜力的完美例子，但是在这种情况下，该公司可(kě)能(néng)没有(yǒu)过去从事微型PCB设计工作的员工的PCB布局工程师。

这就是為(wèi)什么与在微型PCB设计过程的每个步骤中由其自己的工程师提供指导的電(diàn)路板車(chē)间合作至关重要的原因。尽管一些PCB制造商(shāng)（例如Sierra Circuits）為(wèi)所有(yǒu)客户提供了这种服務(wù)水平，但许多(duō)公司却没有(yǒu)。如果微型PCB制造商(shāng)不為(wèi)从事微型PCB设计的客户提供工程师主导的支持和专业知识，则您的公司可(kě)能(néng)应该在设计过程的早期就寻找其他(tā)地方。