高速PCB設(shè)計(jì)指南二(20201223154042)

1、高速 PCB 設(shè)計(jì)指南高速 PCB 設(shè)計(jì)指南之二第一篇 高密度(HD)電路的設(shè)計(jì)本文介紹, 許多人把芯片規(guī)模的封裝看作是由便攜式電子產(chǎn)品所需的空間限制的一個(gè)可行的解決方案, 它同時(shí)滿足這些產(chǎn)品更高效用與性能的要求。 為便攜式產(chǎn)品的高密度電路設(shè)計(jì)應(yīng)該為裝配工藝著想。當(dāng)為今天價(jià)值推動(dòng)的市場開發(fā)電子產(chǎn)品時(shí), 性能與可靠性是最優(yōu)先考慮的。 為了在這個(gè)市場上競爭, 開發(fā)者還必須注重裝配的效率, 因?yàn)檫@樣可以控制制造成本。 電子產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步和不斷增長的復(fù)雜性正產(chǎn)生對(duì)更高密度電路制造方法的需求。 當(dāng)設(shè)計(jì)要求表面貼裝、 密間距和向量封裝的集成電路 時(shí),可能要求具有較細(xì)的線寬和較密間隔的更高密度電路板。 可是

2、, 展望未來, 一些已經(jīng)在提供微型旁路孔、 序列組裝電路板的公司正大量投資來擴(kuò)大能力。 這些公司認(rèn)識(shí)到便攜式電子產(chǎn)品對(duì)更小封裝的目前趨勢。 單是通信與個(gè)人計(jì)算產(chǎn)品工業(yè)就足以領(lǐng)導(dǎo)全球的市場。高密度電子產(chǎn)品的開發(fā)者越來越受到幾個(gè)因素的挑戰(zhàn)： 物理 復(fù)雜元件上更密的引腳間隔 、財(cái)力 貼裝必須很精密 、和環(huán)境 許多塑料封裝吸潮,造成裝配處理期間的破裂 。物理因素也包括安裝工藝的復(fù)雜性與最終產(chǎn)品的可靠性。 進(jìn)一步的財(cái)政決定必須考慮產(chǎn)品將如何制造和裝配設(shè)備效率。較脆弱的引腳元件,如與 與 引腳間距的 ,可能在維護(hù)一個(gè)持續(xù)的裝配工藝合格率方面向裝配專家提出一個(gè)挑戰(zhàn)。 最成功的開發(fā)計(jì)劃是那些已經(jīng)實(shí)行工藝認(rèn)證的

3、電路板設(shè)計(jì)指引和工藝認(rèn)證的焊盤幾何形狀。在環(huán)境上, 焊盤幾何形狀可能不同, 它基于所用的安裝電子零件的焊接類型。 可能的時(shí)候,焊盤形狀應(yīng)該以一種對(duì)使用的安裝工藝透明的方式來定義。 不管零件是安裝在板的一面或兩面、 經(jīng)受波峰、 回流或其它焊接, 焊盤與零件尺寸應(yīng)該優(yōu)化, 以保證適當(dāng)?shù)暮附狱c(diǎn)與檢查標(biāo)準(zhǔn)。 雖然焊盤圖案是在尺寸上定義的, 并且因?yàn)樗怯≈瓢咫娐穾缀涡螤畹囊徊糠? 它們受到可生產(chǎn)性水平和與電鍍、 腐蝕、 裝配或其它條件有關(guān)的公差的限制。 生產(chǎn)性方面也與阻焊層的使用和在阻焊與導(dǎo)體圖案之間的對(duì)齊定位有關(guān)。1、焊盤的要求國際電子技術(shù)委員會(huì) 的標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)識(shí)到對(duì)焊接圓角或焊盤凸起條件的不同目標(biāo)的需要

4、。這個(gè)新的國際標(biāo)準(zhǔn)確認(rèn)兩個(gè)為開發(fā)焊盤形狀提供信息的基本方法：)基于工業(yè)元件規(guī)格、電路板制造和元件貼裝精度能力的準(zhǔn)確資料。這些焊盤形狀局限于一個(gè)特定的元件,有一個(gè)標(biāo)識(shí)焊盤形狀的編號(hào)。)一些方程式可用來改變給定的信息,以達(dá)到一個(gè)更穩(wěn)健的焊接連接,這是用于一些特殊的情況, 在這些情況中用于貼裝或安裝設(shè)備比在決定焊盤細(xì)節(jié)時(shí)所假設(shè)的精度有或多或少的差別。該標(biāo)準(zhǔn)為用于貼裝各種引腳或元件端子的焊盤定義了最大、 中等和最小材料情況。 除非另外標(biāo)明,這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)將所有三中 “希望目標(biāo) ”標(biāo)記為一級(jí)、二級(jí)或三級(jí)。一級(jí) ：最大 用于低密度產(chǎn)品應(yīng)用, “最大 ”焊盤條件用于波峰或流動(dòng)焊接無引腳的片狀元件和有引腳的翅形元件

5、。 為這些元件以及向內(nèi)的 型引腳元件配置的幾何形狀可以為- 1 -高速 PCB 設(shè)計(jì)指南手工焊接和回流焊接提供一個(gè)較寬的工藝窗口。二級(jí) ：中等 具有中等水平元件密度的產(chǎn)品可以考慮采用這個(gè) “中等 ”的焊盤幾何形狀。與標(biāo)準(zhǔn)焊盤幾何形狀非常相似, 為所有元件類型配置的中等焊盤將為回流焊接工藝提供一個(gè)穩(wěn)健的焊接條件, 并且應(yīng)該為無引腳元件和翅形引腳類元件的波峰或流動(dòng)焊接提供適當(dāng)?shù)臈l件。三級(jí) ：最小 具有高元件密度的產(chǎn)品 通常是便攜式產(chǎn)品應(yīng)用 可以考慮 “最小 ”焊盤幾何形狀。最小焊盤幾何形狀的選擇可能不適合于所有的產(chǎn)品。 在采用最小的焊盤形狀之前,使用這應(yīng)該考慮產(chǎn)品的限制條件,基于表格中所示的條件進(jìn)

6、行試驗(yàn)。在中所提供的以及在中所配置的焊盤幾何形狀應(yīng)該接納元件公差和工藝變量。 雖然在標(biāo)準(zhǔn)中的焊盤已經(jīng)為使用者的多數(shù)裝配應(yīng)用提供一個(gè)穩(wěn)健的界面, 但是一些公司已經(jīng)表示了對(duì)采用最小焊盤幾何形狀的需要, 以用于便攜式電子產(chǎn)品和其它獨(dú)特的高密度應(yīng)用。國際焊盤標(biāo)準(zhǔn) ( )了解到更高零件密度應(yīng)用的要求, 并提供用于特殊產(chǎn)品類型的焊盤幾何形狀的信息。 這些信息的目的是要提供適當(dāng)?shù)谋砻尜N裝焊盤的尺寸、 形狀和公差,以保證適當(dāng)焊接圓角的足夠區(qū)域,也允許對(duì)這些焊接點(diǎn)的檢查、測試和返工。圖一和表一所描述的典型的三類焊盤幾何形狀是為每一類元件所提供的：最大焊盤 (一級(jí))、中等焊盤 (二級(jí))和最小焊盤 (三級(jí))。圖一、

7、兩個(gè)端子的、矩形電容與電阻元件的 IEC 標(biāo)準(zhǔn)可以不同以滿足特殊產(chǎn)品應(yīng)用焊盤特性 最大一級(jí) 中等二級(jí) 最小三級(jí)腳趾-焊盤突出 0.6 0.4 0.2腳跟-焊盤突出 0.0 0.0 0.0側(cè)面-焊盤突出 0.1 0.0 0.0開井余量 0.5 0.25 0.05圓整因素 最近 0.5 最近 0.05 最近 0.05表一、矩形與方形端的元件(陶瓷電容與電阻 ) (單位:mm)焊接點(diǎn)的腳趾、 腳跟和側(cè)面圓角必須針對(duì)元件、 電路板和貼裝精度偏差的公差 平方和。如圖二所示,最小的焊接點(diǎn)或焊盤突出是隨著公差變量而增加的（表二） 。圖二、帶狀翅形引腳元件的 IEC 標(biāo)準(zhǔn)定義了三種可能的變量以滿足用戶的應(yīng)用焊

8、盤特性 最大一級(jí) 中等二級(jí) 最小三級(jí)腳趾-焊盤突出 0.8 0.5 0.2腳跟-焊盤突出 0.5 0.35 0.2側(cè)面-焊盤突出 0.05 0.05 0.03開井余量 0.5 0.25 0.05圓整因素 最近 0.5 最近 0.05 最近 0.05表二、平帶 L 形與翅形引腳(大于 0.625mm 的間距 ) ( 單位:mm)- 2 -高速 PCB 設(shè)計(jì)指南如果這些焊盤的用戶希望對(duì)貼裝和焊接設(shè)備有一個(gè)更穩(wěn)健的工藝條件, 那么分析中的個(gè)別元素可以改變到新的所希望的尺寸條件。 這包括元件、 板或貼裝精度的擴(kuò)散, 以及最小的焊接點(diǎn)或焊盤突出的期望（表,和） 。用于焊盤的輪廓公差方法的方式與元件的類似

9、。 所有焊盤公差都是要對(duì)每一個(gè)焊盤以最大尺寸提供一個(gè)預(yù)計(jì)的焊盤圖形。 單向公差是要減小焊盤尺寸, 因此得當(dāng)焊接點(diǎn)形成的較小區(qū)域。為了使開孔的尺寸標(biāo)注系統(tǒng)容易,焊盤是跨過內(nèi)外極限標(biāo)注尺寸的。在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中, 尺寸標(biāo)注概念使用極限尺寸和幾何公差來描述焊盤允許的最大與最小尺寸。當(dāng)焊盤在其最大尺寸時(shí), 結(jié)果可能是最小可接受的焊盤之間的間隔； 相反, 當(dāng)焊盤在其最小尺寸時(shí), 結(jié)果可能是最小的可接受焊盤, 需要達(dá)到可靠的焊接點(diǎn)。 這些極限允許判斷焊盤通過不通過的條件。假設(shè)焊盤幾何形狀是正確的, 并且電路結(jié)構(gòu)的最終都滿足所有規(guī)定標(biāo)準(zhǔn), 焊接缺陷應(yīng)該可以減少； 盡管如此, 焊接缺陷還可能由于材料與工藝變量而發(fā)生

10、。 為密間距 開發(fā)焊盤的設(shè)計(jì)者必須建立一個(gè)可靠的焊接連接所要求的最小腳尖與腳跟, 以及在元件封裝特征上允許最大與最小 或至少 的材料條件。表三、 J 形引腳 (單位:mm)焊盤特性 最大一級(jí) 中等二級(jí) 最小三級(jí)腳趾-焊盤突出 0.2 0.2 0.2腳跟-焊盤突出 0.8 0.6 0.4側(cè)面-焊盤突出 0.1 0.05 0.0開井余量 1.5 0.8 0.2圓整因素 最近 0.5 最近 0.05 最近 0.05表四、圓柱形端子（ MELF ） (單位:mm)焊盤特性 最大一級(jí) 中等二級(jí) 最小三級(jí)腳趾-焊盤突出 1.0 0.4 0.2腳跟-焊盤突出 0.2 0.1 0.0側(cè)面-焊盤突出 0.2 0

11、.1 0.0開井余量 0.2 0.25 0.25圓整因素 最近 0.5 最近 0.05 最近 0.05表五、只有底面的端子 (單位:mm)焊盤特性 最大一級(jí) 中等二級(jí) 最小三級(jí)腳趾-焊盤突出 0.2 0.1 0腳跟-焊盤突出 0.2 0.1 0側(cè)面-焊盤突出 0.2 0.1 0開井余量 0.25 0.1 0.05圓整因素 最近 0.5 最近 0.05 最近 0.05表六、內(nèi)向 L 形帶狀引腳 (單位:mm)- 3 -高速 PCB 設(shè)計(jì)指南焊盤特性 最大一級(jí) 中等二級(jí) 最小三級(jí)腳趾-焊盤突出 0.1 0.1 0.0腳跟-焊盤突出 1.0 0.5 0.2側(cè)面-焊盤突出 0.1 0.1 0.1開井余

12、量 0.5 0.25 0.05圓整因素 最近 0.5 最近 0.05 最近 0.052、BGA 與 CAP封裝已經(jīng)發(fā)展到滿足現(xiàn)在的焊接安裝技術(shù)。 塑料與陶瓷元件具有相對(duì)廣泛的接觸間距（,和） ,而相對(duì)而言,芯片規(guī)模的柵格間距為,和。與密間距元件兩者相對(duì)于密間距引腳框架封裝的都不容易損壞, 并且標(biāo)準(zhǔn)允許選擇性地減少接觸點(diǎn), 以滿足特殊的輸入輸出 （） 要求。 當(dāng)為元件建立接觸點(diǎn)布局和引線排列時(shí), 封裝開發(fā)者必須考慮芯片設(shè)計(jì)以及芯片塊的尺寸和形狀。 在技術(shù)引線排列時(shí)的另一個(gè)要面對(duì)的問題是芯片的方向 芯片模塊的焊盤向上或向下 。芯片模塊 “面朝上 ”的結(jié)構(gòu)通常是當(dāng)提供商正在使用（） （內(nèi)插器）技術(shù)時(shí)

13、才采用的。元件構(gòu)造,以及在其制造中使用的材料結(jié)合,不在這個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與指引中定義。每一個(gè)制造商都將企圖將其特殊的結(jié)構(gòu)勝任用戶所定義的應(yīng)用。 例如 消費(fèi)產(chǎn)品可能有一個(gè)相對(duì)良好的工作環(huán)境, 而工業(yè)或汽車應(yīng)用的產(chǎn)品經(jīng)常必須運(yùn)行在更大的壓力條件下。 取決于制造所選擇材料的物理特性, 可能要使用到倒裝芯片或引線接合技術(shù)。 因?yàn)樾酒惭b結(jié)構(gòu)是剛性材料, 芯片模塊安裝座一般以導(dǎo)體定中心, 信號(hào)從芯片模塊焊盤走入接觸球的排列矩陣。在該文件中詳細(xì)敘述的柵格陣列封裝外形在的出版物中提供。方形, 定義一種較小的矩形塑料元件類別,接觸點(diǎn)間隔為。 該矩陣元件的總的外形規(guī)格允許很大的靈活性, 如引腳間隔、 接觸點(diǎn)矩陣布局與

14、構(gòu)造。 定義各種塑料封裝的。方形輪廓覆蓋的尺寸從,三種接觸點(diǎn)間隔 ,和。球接觸點(diǎn)可以單一的形式分布,行與列排列有雙數(shù)或單數(shù)。雖然排列必須保持對(duì)整個(gè)封裝外形的對(duì)稱,但是各元件制造商允許在某區(qū)域內(nèi)減少接觸點(diǎn)的位置。3、芯片規(guī)模的 BGA 變量針對(duì) “密間距 ”和“真正芯片大小 ”的封裝, 最近開發(fā)的 指引提出許多物理屬性,并為封裝提供商提供 “變量 ”形式的靈活性。 批準(zhǔn)的第一份對(duì)密間距元件類別的文件是注冊(cè)外形, 具有基本 間距接觸點(diǎn)排列的統(tǒng)一方形封裝系列。封裝尺寸范圍從,總的高度 (定義為 “薄的輪廓 ”限) 制到從貼裝表面最大為。下面的例子代表為將來的標(biāo)準(zhǔn)考慮的一些其它變量。球間距與球尺寸將也

15、會(huì)影響電路布線效率。許多公司已經(jīng)選擇對(duì)較低數(shù)的不采用間距。較大的球間距可能減輕最終用戶對(duì)更復(fù)雜的印刷電路板 ()技術(shù)的需求。的接觸點(diǎn)排列間隔是推薦最小的。接觸點(diǎn)直徑規(guī)定為,公差范圍為最小、最大。可是大多數(shù)采用間距- 4 -高速 PCB 設(shè)計(jì)指南的應(yīng)用將依靠電路的次表面布線。 直徑上小至 的焊盤之間的間隔寬度只夠連接一根（ ）寬度的電路。將許多多余的電源和接地觸點(diǎn)分布到矩陣的周圍, 這樣將提供對(duì)排列矩陣的有限滲透。 這些較高數(shù)的應(yīng)用更可能決定于多層、盲孔或封閉的焊盤上的電鍍旁路孔 ( )技術(shù)。4、考慮封裝技術(shù)元件的環(huán)境與電氣性能可能是與封裝尺寸一樣重要的問題。 用于高密度、 高應(yīng)用的封裝技術(shù)首先

16、必須滿足環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。例如,那些使用剛性內(nèi)插器 ( )結(jié)構(gòu)的、 由陶瓷或有機(jī)基板制造的不能緊密地配合硅芯片的外形。 元件四周的引線接合座之間的互連必須流向內(nèi)面。 * 封裝結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)際優(yōu)勢是它在硅芯片模塊外形內(nèi)提供所有電氣界面的能力。使用一種高級(jí)的聚酰胺薄膜作為其基體結(jié)構(gòu), 并且使用半加成銅電鍍工藝來完成芯片上鋁接合座與聚酰胺內(nèi)插器上球接觸座之間的互連。 依順材料的獨(dú)特結(jié)合使元件能夠忍受極端惡劣的環(huán)境。 這種封裝已經(jīng)由一些主要的制造商用來滿足具有廣泛運(yùn)作環(huán)境的應(yīng)用。超過家主要的制造商和封裝服務(wù)提供商已經(jīng)采用了 封裝。 定義為 “面朝下 ”的封裝,元件外形密切配合芯片模塊的外形,芯片上的鋁接合焊盤放

17、于朝向球接觸點(diǎn)和表面的位置。 這種結(jié)構(gòu)在工業(yè)中有最廣泛的認(rèn)同, 因?yàn)槠浣⒌幕A(chǔ)結(jié)談判無比的可靠性。 封裝的材料與引腳設(shè)計(jì)的獨(dú)特系統(tǒng)是在物理上順應(yīng)的,補(bǔ)償了硅芯片與結(jié)構(gòu)的溫度膨脹系統(tǒng)的較大差別。5、安裝座計(jì)劃推薦給元件的安裝座或焊盤的幾何形狀通常是圓形的, 可以調(diào)節(jié)直徑來滿足接觸點(diǎn)間隔和尺寸的變化。 焊盤直徑應(yīng)該不大于封裝上接觸點(diǎn)或球的直徑, 經(jīng)常比球接觸點(diǎn)規(guī)定的正常直徑小。 在最后確定焊盤排列與幾何形狀之前, 參考第節(jié)或制造商的規(guī)格。有兩種方法用來定義安裝座：定義焊盤或銅,定義阻焊,如圖三所示。圖三、的焊盤可以通過化學(xué)腐蝕的圖案來界定,無阻焊層或有阻焊層疊加在焊盤圓周上（阻焊層界定）銅定義焊

18、盤圖形 通過腐蝕的銅界定焊盤圖形。阻焊間隔應(yīng)該最小離腐蝕的銅焊盤。對(duì)要求間隔小于所推薦值的應(yīng)用,咨詢印制板提供商。阻焊定義焊盤圖形 如果使用阻焊界定的圖形, 相應(yīng)地調(diào)整焊盤直徑, 以保證阻焊的覆蓋。元件上的焊盤間隔活間距是 “基本的 ”,因此是不累積的； 可是, 貼裝精度和制造公差必須考慮。如前面所說的,的焊盤一般是圓形的、阻焊界定或腐蝕 阻焊脫離焊盤 界定的。 雖然較大間距的將接納電路走線的焊盤之間的間隔, 較高的元件將依靠電鍍旁路孔來將電路走到次表面層。 表七所示的焊盤幾何形狀推薦一個(gè)與名義標(biāo)準(zhǔn)接觸點(diǎn)或球的直徑相等或稍小的直徑。表七、 BGA 元件安裝的焊盤圖形接觸點(diǎn)間距- 5 -高速 P

19、CB 設(shè)計(jì)指南（基本的） 標(biāo)準(zhǔn)球直徑 焊盤直徑 (mm)最小 名義 最大 最小 - 最大0.05 0.25 0.30 0.35 0.25-0.300.65 0.25 0.30 0.35 0.25-0.300.65 0.35 0.40 0.45 0.35-0.400.80 0.25 0.30 0.35 0.25-0.300.80 0.35 0.40 0.45 0.35-0.400.80 0.45 0.50 0.55 0.40-0.501.00 0.55 0.60 0.65 0.50-0.601.27 0.70 0.75 0.80 0.60-0.701.50 0.70 0.75 0.80 0.60

20、-0.70有些公司企圖為所有密間距的應(yīng)用維持一個(gè)不變的接觸點(diǎn)直徑。 可是, 因?yàn)橐恍┡c 接觸點(diǎn)間距的元件制造商允許隨意的球與接觸點(diǎn)直徑的變化, 設(shè)計(jì)者應(yīng)該在制定焊盤直徑之前參考專門的提供商規(guī)格。 較大的球與焊盤的直徑可能限制較高元件的電路布線。 一些元件類型的焊盤幾何形狀可能不允許寬度足夠容納不止一條或兩條電路的間隔。 例如,間距的將不允許甚至一條大于 或 的電路。那些采用密間距封裝變量的可能發(fā)現(xiàn)焊盤中的旁路孔 (微型旁路孔)更加實(shí)際,特別如果元件密度高,必須減少電路布線。6、裝配工藝效率所要求的特征為了采納對(duì)密間距表面貼裝元件 ( )的模板的精確定位, 要求一些視覺或攝像機(jī)幫助的對(duì)中方法。

21、全局定位基準(zhǔn)點(diǎn)是用于準(zhǔn)確的錫膏印刷的模板定位和在精確的貼裝中作為參考點(diǎn)。模板印刷機(jī)的攝相機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)將板對(duì)準(zhǔn)模板,達(dá)到準(zhǔn)確的錫膏轉(zhuǎn)移。對(duì)于那些使用模板到電路板的自動(dòng)視覺對(duì)中的系統(tǒng), 電路板的設(shè)計(jì)者必須在焊盤層的設(shè)計(jì)文件中提供至少兩個(gè)全局基準(zhǔn)點(diǎn)（圖四） 。在組合板的每一個(gè)裝配單元內(nèi)也必須提供局部基準(zhǔn)點(diǎn)目標(biāo), 以幫助自動(dòng)元件貼裝。 另外, 對(duì)于每一個(gè)密間距、 和高密間距元件,通常提供一或兩個(gè)目標(biāo)。在所有位置推薦使用一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的尺寸。 雖然形狀和尺寸可以對(duì)不同的應(yīng)用分別對(duì)待, 但是大多數(shù)設(shè)備制造商都認(rèn)同（ ）直徑的實(shí)心點(diǎn)。該點(diǎn)必須沒有阻焊層,以保證攝相機(jī)可以快速識(shí)別 。除了基準(zhǔn)點(diǎn)目標(biāo)外, 電路板必須包

22、含一些定位孔, 用于二次裝配有關(guān)的操作。組合板應(yīng)該提供兩或三個(gè)定位孔,每個(gè)電路板報(bào)單元提供至少兩個(gè)定位孔。通常,裝配專家規(guī)定尺寸（是常見的） ,應(yīng)該指定無電鍍孔。至于在錫膏印刷模板夾具上提供的基準(zhǔn)點(diǎn), 一些系統(tǒng)檢測模板的定面, 而另一些則檢測底面。模板上的全局基準(zhǔn)點(diǎn)只是半腐蝕在模板的表面,用黑樹脂顏料填充。7、指定表面最終涂層為元件的安裝選擇專門類型的表面最終涂鍍方法可以提高裝配工藝的效率, 但是也可能影響的制造成本。在銅箔上電鍍錫或錫鉛合金作為抗腐蝕層是非常常見的制造方法。選擇性地去掉銅箔的減去法 化學(xué)腐蝕 繼續(xù)在工業(yè)廣泛使用。因?yàn)殄a鉛導(dǎo)線當(dāng)暴露在 °溫度以上時(shí)變成液體,所以大多數(shù)

23、使用回流焊接技術(shù)的表面貼裝板都指定裸銅上的阻焊層 ( , )來保持阻焊材料下一個(gè)平坦均勻的表面。 當(dāng)處理板時(shí), 錫或錫鉛是化學(xué)剝離的,只留下銅導(dǎo)體和沒有電鍍的元件安裝座。 銅導(dǎo)體用環(huán)氧樹脂或聚合物阻焊層涂蓋, 以防止對(duì)- 6 -高速 PCB 設(shè)計(jì)指南焊接有關(guān)工藝的暴露。 雖然電路導(dǎo)線有阻焊層覆蓋, 設(shè)計(jì)者還必須為那些不被阻焊層覆蓋的部分 元件安裝座 指定表面涂層。下面的例子是廣泛使用在制造工業(yè)的合金電鍍典型方法。通常要求預(yù)處理安裝座的應(yīng)用是超密間距元件。 例如, ( )元件可能具有小于 的引腳間距。 通過在這些座上提供 的錫鉛合金, 裝配專家可以上少量的助焊劑、 貼裝零件和使用加熱棒、熱風(fēng)、

24、激光或軟束線光源來回流焊接該元件。 在特殊的安裝座上選擇性地電鍍或保留錫鉛合金將適用于超密間距封裝的回流焊接。使用熱風(fēng)均勻法, 錫鉛在上阻焊層之后涂鍍?cè)陔娐钒迳稀?該工藝是, 電鍍的板經(jīng)過清洗、上助焊劑和浸入熔化的焊錫中,當(dāng)合金還是液體狀態(tài)的時(shí)候,多余的材料被吹離表面,留下合金覆蓋的表面。熱風(fēng)焊錫均勻 ( )電鍍工藝廣泛使用,一般適合于回流焊接裝配工藝；可是,焊錫量與平整度的不一致可能不適合于使用密間距元件的電路板。密間距的、 和元件要求非常均勻和平整的表面涂層。 作為控制在密間距元件的安裝座上均勻錫膏量的方法, 表面必須盡可能地平整。 為了保證平整度, 許多公司在銅箔上使用鎳合金,接著一層很

25、薄的金合金涂層,來去掉氧化物。在阻焊涂層工藝之后, 在暴露的裸銅上使用無電鍍鎳金。 用這個(gè)工藝, 制造商通常將使用錫鉛電鍍圖案作為抗腐蝕層, 在腐蝕之后剝離錫鉛合金, 但是不是對(duì)暴露的安裝座和孔施用焊錫合金,而是電路板浸鍍鎳金合金。按照標(biāo)準(zhǔn)印制板設(shè)計(jì)的通用標(biāo)準(zhǔn) ,推薦的無電鍍鎳厚度是 (至少 ),而推薦的浸金厚度為 。有關(guān)金的合金與焊接工藝的一句話忠告： 如果金涂層厚度超過 （ ）,那么金對(duì)錫鉛比率可能引起最終焊接點(diǎn)的脆弱。 脆弱將造成溫度循環(huán)中的過分開裂或裝配后的板可能暴露到的其它物理應(yīng)力。8、合金電鍍替代方案在上阻焊層之后給板增加焊錫合金是有成本代價(jià)的,并且給基板遭受極大的應(yīng)力條件。例如用

26、錫鉛涂層, 板插入熔化的焊錫中, 然后抽出和用強(qiáng)風(fēng)將多余的錫鉛材料去掉。 溫度沖擊可能導(dǎo)致基板結(jié)構(gòu)的脫層、損壞電鍍孔和可能影響長期可靠性的缺陷。 涂鍍,雖然應(yīng)力較小, 但不是所有電路板制造商都有的一種技術(shù)。 作為對(duì)電鍍的另一種選擇,許多公司已經(jīng)找到成功的、 有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢的和平整的安裝表面的方法, 這就是有機(jī)保護(hù)層或在裸銅上與上助焊劑涂層。作為阻止裸銅安裝座和旁通孔測試焊盤上氧化增長的一個(gè)方法, 將一種特殊的保護(hù)劑或阻化劑涂層應(yīng)用到板上。 諸如苯并三唑 （） 和咪唑 （） 這些有機(jī)氮涂層材料被用來取代上面所描述的合金表面涂層, 可從幾個(gè)渠道購買到, 不同的商標(biāo)名稱。 在北美洲, 廣泛使用的一種產(chǎn)品

27、是 。 這種涂層適合于大多數(shù)有機(jī)助焊焊接材料, 在對(duì)裝配工藝中經(jīng)常遇到的三、 四次高溫暴露之后仍有保護(hù)特征。 多次暴露的能力是重要的。 當(dāng)要焊接到裝配的主面和第二面的時(shí)候, 會(huì)發(fā)生兩次對(duì)回流焊接溫度的暴露。 混合技術(shù)典型的多次裝配步驟也可能包括對(duì)波峰焊接或其它焊接工藝的暴露。9、一般成本考慮與電鍍或涂鍍有關(guān)的成本不總是詳細(xì)界定的。 一些提供商感覺方法之間的成本差別占總的單位成本中的很小部分, 所以界不界定是不重要的。 其他的可能對(duì)不是其能力之內(nèi)- 7 -高速 PCB 設(shè)計(jì)指南的成本有一個(gè)額外的費(fèi)用, 因?yàn)榘灞仨毸统鋈プ詈蠹庸ぁ?例如, 在加州的一家公司將板發(fā)送給在德州的一家公司進(jìn)行電鍍。 這個(gè)

28、額外處理的費(fèi)用可能沒有清晰地界定為對(duì)客戶的一個(gè)額外開支；可是,總的板成本受到影響。每一個(gè)電鍍和涂鍍工藝都有其優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)。 設(shè)計(jì)者與制造工程師必須通過試驗(yàn)或工藝效率評(píng)估仔細(xì)地權(quán)衡每一個(gè)因素。 在指定制造是必須考慮的問題都有經(jīng)濟(jì)以及工藝上的平衡。對(duì)于細(xì)導(dǎo)線、高元件密度或密間距技術(shù)與 ,平整的外形是必須的。焊盤表面涂層可以是電鍍的或涂敷的,但必須考慮裝配工藝與經(jīng)濟(jì)性。在所有涂敷和電鍍的選擇中,是最萬能的 (只要金的厚度低于 。)電鍍工藝比保護(hù)性涂層好的優(yōu)勢是貨架壽命、 永久性地覆蓋在那些不暴露到焊接工藝的旁路孔或其它電路特征的銅上面、 和抗污染。 雖然表面涂層特性之間的平衡將影響最終選擇, 但是可行

29、性與總的成本最可能決定最后的選擇。 在北美,工藝傳統(tǒng)上主宰工業(yè),但是表面的均勻性難于控制。 對(duì)于密間距元件的焊接, 一個(gè)受控的裝配工藝取決于一個(gè)平整均勻的安裝座。密間距元件包括、和 元件族。如果密間距元件在裝配中不使用,使用工藝是可行的選擇。10、阻焊層（ sldermask)要求阻焊層在控制回流焊接工藝期間的焊接缺陷中的角色是重要的, 設(shè)計(jì)者應(yīng)該盡量減小焊盤特征周圍的間隔或空氣間隙。 雖然許多工藝工程師寧可阻焊層分開板上所有焊盤特征,但是密間距元件的引腳間隔與焊盤尺寸將要求特殊的考慮。 雖然在四邊的上不分區(qū)的阻焊層開口或窗口可能是可接受的, 但是控制元件引腳之間的錫橋可能更加困難。 對(duì)于的阻

30、焊層, 許多公司提供一種阻焊層, 它不接觸焊盤, 但是覆蓋焊盤之間的任何特征,以防止錫橋。 多數(shù)表面貼裝的以阻焊層覆蓋, 但是阻焊層的涂敷, 如果厚度大于 （ ）,可能影響錫膏的應(yīng)用。表面貼裝,特別是那些使用密間距元件的,都要求一種低輪廓感光阻焊層。阻焊材料必須通過液體 濕 工藝或者干薄膜疊層來使用。干薄膜阻焊材料是以（ ）厚度提供的, 可適合于一些表面貼裝產(chǎn)品, 但是這種材料不推薦用于密間距應(yīng)用。 很少公司提供薄到可以滿足密間距標(biāo)準(zhǔn)的干薄膜, 但是有幾家公司可以提供液體感光阻焊材料。 通常, 阻焊的開口應(yīng)該比焊盤大（ ）。這允許在焊盤所有邊上( )的間隙。低輪廓的液體感光阻焊材料是經(jīng)濟(jì)的,通

31、常指定用于表面貼裝應(yīng)用,提供精確的特征尺寸和間隙。結(jié)論密間距 ( )、和的裝配工藝可以調(diào)整到滿足可接受的效率水平, 但是彎曲的引腳和錫膏印刷的不持續(xù)性經(jīng)常給裝配工藝合格率帶來麻煩。 雖然使用小型的密間距元件提供布局的靈活性, 但是將很復(fù)雜的多層基板報(bào)上的元件推得更近, 可能犧牲可測試性和修理。 元件的使用已經(jīng)提供較高的裝配工藝合格率和更多的布局靈活性, 提供較緊密的元件間隔與較短的元件之間的電路。 一些公司正企圖將幾個(gè)電路效用集成到一兩個(gè)多芯片的元件中來釋放面積的限制。 用戶化的或?qū)Ｓ玫目梢跃徑獾臇鸥裣拗? 但是較高的數(shù)與較密的引腳間距一般都會(huì)迫使設(shè)計(jì)者使用更多的電路層,因此增加制造的復(fù)雜性與

32、成本。芯片規(guī)模的封裝被許多人看作是新一代手持與便攜式電子產(chǎn)品空間限制的可行參考答案。 許多公司也正在期待改進(jìn)的效用以及更高的性能。 當(dāng)為這些元件選擇最有效的接觸點(diǎn)間距時(shí), 必須考慮硅芯片模塊的尺寸、 信號(hào)的數(shù)量、 所要求的電源與接地點(diǎn)和在印制板上采用這些元件時(shí)的實(shí)際限制。雖然密間距的芯片規(guī)模 ( )與芯片大小的元- 8 -高速 PCB 設(shè)計(jì)指南件被看作是新出現(xiàn)的技術(shù), 但是主要的元件提供商和幾家主要的電子產(chǎn)品制造商已經(jīng)采用了一兩種的變化類型。 在較小封裝概念中的這種迅速增長是必須的, 它滿足產(chǎn)品開發(fā)商對(duì)減小產(chǎn)品尺寸、增加效用并且提高性能的需求。第二篇 抗干擾 3（部分）3 提高敏感器件的抗干擾

33、性能提高敏感器件的抗干擾性能是指從敏感器件這邊考慮盡量減少對(duì)干擾噪聲的拾取,以及從不正常狀態(tài)盡快恢復(fù)的方法。提高敏感器件抗干擾性能的常用措施如下：（1）布線時(shí)盡量減少回路環(huán)的面積,以降低感應(yīng)噪聲。（2）布線時(shí),電源線和地線要盡量粗。除減小壓降外,更重要的是降低耦合噪聲。（3）對(duì)于單片機(jī)閑置的 I/O 口,不要懸空,要接地或接電源。其它 IC 的閑置端在不改變系統(tǒng)邏輯的情況下接地或接電源。（4）對(duì)單片機(jī)使用電源監(jiān)控及看門狗電路,如： IMP809 ,IMP706 ,IMP813 ,X25043,X25045 等,可大幅度提高整個(gè)電路的抗干擾性能。（5）在速度能滿足要求的前提下,盡量降低單片機(jī)的晶

34、振和選用低速數(shù)字電路。（6）IC 器件盡量直接焊在電路板上,少用 IC 座。第三篇 印制電路板的可靠性設(shè)計(jì) -去耦電容配置在直流電源回路中,負(fù)載的變化會(huì)引起電源噪聲。例如在數(shù)字電路中,當(dāng)電路從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種狀態(tài)時(shí), 就會(huì)在電源線上產(chǎn)生一個(gè)很大的尖峰電流, 形成瞬變的噪聲電壓。配置去耦電容可以抑制因負(fù)載變化而產(chǎn)生的噪聲, 是印制電路板的可靠性設(shè)計(jì)的一種常規(guī)做法,配置原則如下：電源輸入端跨接一個(gè) 10100uF 的電解電容器 ,如果印制電路板的位置允許,采用100uF 以上的電解電容器的抗干擾效果會(huì)更好。為每個(gè)集成電路芯片配置一個(gè) 0.01uF 的陶瓷電容器。 如遇到印制電路板空間小而裝不下

35、時(shí), 可每 410 個(gè)芯片配置一個(gè) 110uF 鉭電解電容器, 這種器件的高頻阻抗特別小,在 500kHz20MHz 范圍內(nèi)阻抗小于 1,而且漏電流很?。?0.5uA 以下）。對(duì)于噪聲能力弱、關(guān)斷時(shí)電流變化大的器件和 ROM 、RAM 等存儲(chǔ)型器件,應(yīng)在芯片的電源線（ Vcc）和地線（ GND ）間直接接入去耦電容。去耦電容的引線不能過長,特別是高頻旁路電容不能帶引線。- 9 -高速 PCB 設(shè)計(jì)指南第四篇 電磁兼容性和 PCB 設(shè)計(jì)約束（缺具體數(shù)據(jù)）PCB 布線對(duì) PCB 的電磁兼容性影響很大,為了使 PCB 上的電路正常工作,應(yīng)根據(jù)本文所述的約束條件來優(yōu)化布線以及元器件 /接頭和某些 IC

36、 所用去耦電路的布局（一）、PCB 材料的選擇通過合理選擇 PCB 的材料和印刷線路的布線路徑,可以做出對(duì)其它線路耦合低的傳輸線。當(dāng)傳輸線導(dǎo)體間的距離 d 小于同其它相鄰導(dǎo)體間的距離時(shí), 就能做到更低的耦合, 或者更小的串?dāng)_（見電子工程專輯 2000 年第 1 期"應(yīng)用指南 "）。設(shè)計(jì)之前,可根據(jù)下列條件選擇最經(jīng)濟(jì)的 PCB 形式：對(duì) EMC 的要求·印制板的密集程度·組裝與生產(chǎn)的能力·CAD 系統(tǒng)能力·設(shè)計(jì)成本·PCB 的數(shù)量·電磁屏蔽的成本當(dāng)采用非屏蔽外殼產(chǎn)品結(jié)構(gòu)時(shí),尤其要注意產(chǎn)品的整體成本 /元器件封裝 /管

37、腳樣式、 PCB形式、電磁場屏蔽、構(gòu)造和組裝） ,在許多情況下,選好合適的 PCB 形式可以不必在塑膠外殼里加入金屬屏蔽盒。為了提高高速模擬電路和所有數(shù)字應(yīng)用的抗擾性同時(shí)減少有害輻射,需要用到傳輸線技術(shù)。根據(jù)輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)換情況, S-VCC、S-VEE 及 VEE-VCC 之間的傳輸線需要表示出來,如圖 1 所示。信號(hào)電流由電路輸出級(jí)的對(duì)稱性決定。對(duì) MOS 而言 IOL=IOH, 而對(duì) TTL 而言 IOL IOH.效用/邏輯類型 ZO()電源（典型值） 10ECL 邏輯 50TTL 邏輯 100HC(T) 邏輯 200表 1：幾種信號(hào)路徑的傳輸線阻抗 ZO。邏輯器件類型和效用上的原因決定了

38、傳輸線典型特征阻抗 ZO,如表 1 所示。圖 1：顯示三種特定傳輸線的（數(shù)字） IC 之間典型互聯(lián)圖圖 2：IC 去耦電路。圖 3：正確的去耦電路塊表 2：去耦電容 Cdec.的推薦值。邏輯電路噪聲容限- 10 -高速 PCB 設(shè)計(jì)指南（二）、信號(hào)線路及其信號(hào)回路傳送信號(hào)的線路要與其信號(hào)回路盡可能靠近,以防止這些線路包圍的環(huán)路區(qū)域產(chǎn)生輻射,并降低環(huán)路感應(yīng)電壓的磁化系數(shù)。一般情況下, 當(dāng)兩條線路間的距離等于線寬時(shí), 耦合系數(shù)大約為 0.5 到 0.6,線路的有效自感應(yīng)從 1H/m降到 0.4-0.5 H/m.這就意味著信號(hào)回路電流的 40到 50自由地就流向了 PCB 上其它線路。對(duì)兩個(gè)（子）電

39、路塊間的每一塊信號(hào)路徑,無論是模擬的還是數(shù)字的,都可以用三種傳輸線來表示,如圖 1 所示,其中阻抗可從表 1 得到。TTL 邏輯電路由高電平向低電平轉(zhuǎn)換時(shí),吸收電流會(huì)大于電源電流以,在這種情況下,通常將傳輸線定義在 Vcc 和 S 之間,而不是 VEE 和 S 之間。通過采用鐵氧體磁環(huán)可完全控制信號(hào)線和信號(hào)回路線上的電流。在平行導(dǎo)體情況下, 傳輸線的特征阻抗會(huì)因?yàn)殍F氧體而受到影響, 而在同軸電纜的情況下,鐵氧體只會(huì)對(duì)電纜的外部參數(shù)有影響。因此,相鄰線路應(yīng)盡可能細(xì),而上下排列的則相反（通常距離小于 1.5mm/ 雙層板中環(huán)氧樹脂的厚度）。布線應(yīng)使每條信號(hào)線和它的信號(hào)回路盡可能靠近（信號(hào)和電源布線

40、均適用） 。如果傳輸線導(dǎo)體間耦合不夠, 可采用鐵氧體磁環(huán)。（三）、IC 的去耦通常 IC 僅通過電容來達(dá)到去耦的目的,因?yàn)殡娙莶⒉焕硐?所以會(huì)產(chǎn)生諧振。在大于諧振頻率時(shí),電容表現(xiàn)得象個(gè)電感,這就意味著 di/dt 受到了限制。電容的值由 IC 管腳間允許的電源電壓波動(dòng)來決定, 根據(jù)資深設(shè)計(jì)人員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn), 電壓波動(dòng)應(yīng)小于信號(hào)線最壞狀況下的噪聲容限的 25,下面公式可計(jì)算出每種邏輯系列輸出門電路的最佳去耦電容值：I=c d·V/dt表 2 給出了幾種邏輯系列門電路在最壞情況下信號(hào)線噪聲的容限, 同時(shí)還給出每個(gè)輸出級(jí)應(yīng)加的去耦電容 Cdec.的推薦值。圖 4：PCB 上環(huán)路的輻射對(duì)快速邏

41、輯電路來說,如果去耦電容含有很大串聯(lián)電感（這種電感也許是由電容的結(jié)構(gòu)、長的連接線或 PCB 的印制線路造成的） ,電容的值可能不再有用。 這時(shí)則需要在盡可能靠近IC 管腳的地方加入另外一個(gè)小陶瓷電容 （100-100Pf）,與"LF-" 去耦電容并聯(lián)。 陶瓷電容的諧振頻率（包括到 IC 電源管腳的線路長度）應(yīng)高于邏輯電路的帶寬 1/( . 其r)中, , r是邏輯電路中電壓的上升時(shí)間。如果每個(gè) IC 都有去耦電容,信號(hào)回路電流可選擇最方便的路徑, VEE 或者 VCC,這可以由傳送信號(hào)的線路和電源線路間的互耦來決定。在兩個(gè)去耦電容（每個(gè) IC 一個(gè)）和電源線路形成的電感 L

42、trace 之間,會(huì)形成串聯(lián)諧振電路,這種諧振只可以發(fā)生在低頻（ 1MHz 或諧振電路的 Q 值較低（ 2的情況下。通過將高射頻損耗扼流線圈串聯(lián)在 Vcc 網(wǎng)絡(luò)和要去耦的 IC 中,可使諧振頻率保持在 1MHz以下,如果射頻損耗太低可通過并聯(lián)或串聯(lián)電阻來補(bǔ)償（圖 2）。扼流線圈應(yīng)該總是采用封閉的內(nèi)芯,否則它會(huì)成為一個(gè)射頻發(fā)射器或磁場鐵感應(yīng)器。例如： 1MHz*1Hz Z1=6.28 Rs=3.14 Q<2 Rp=12.56- 11 -高速 PCB 設(shè)計(jì)指南大于諧振頻率時(shí), "傳輸線 "的特征阻抗 Z0（此時(shí)將 IC 的阻抗看作電源負(fù)載）等于： Z0 =（Ltrace/

43、Cdecoupling ）的平方根去耦電容的串聯(lián)電感和連接線路的電感對(duì)射頻電源電流分配沒有多大影響, 比如采用了一個(gè) 1H 扼流線圈的情況。但它仍然會(huì)決定 IC 電源管腳間的電壓波動(dòng), 表 3 給出了電源信噪容限為 25時(shí), 推薦的最大電感值 Ltrace.根據(jù)圖 2 所建議的去耦方法, 兩個(gè) IC 間的傳輸線數(shù)量從 3 條減少到了 1 條（見圖 3）。因此,對(duì)每個(gè) IC 采用適當(dāng)?shù)娜ヱ罘椒ǎ?Lchoke+Cdec. 電路塊間就只需定義一條傳輸線。對(duì)于 r<3ns的高速邏輯電路,與去耦電容串聯(lián)的全部電感必須要很低（見表 3）。與電源管腳串聯(lián)的 50mm 印制線路相當(dāng)于一個(gè) 50hH 電感,與輸出端的負(fù)載（典型值為 50pF）一起決定了最小上升時(shí)間為 3.2ns。如要求更快的上升時(shí)間,就必須縮短去耦電容的引腳。長度（最好無引腳）并縮短 IC 封裝的引腳,例如可以用 IC 去耦電容,或最好采用將（電源）管腳在中間的 IC 與很小的 3E 間距（ DIL ）無引腳陶瓷電容相結(jié)合等