2211月 2017

0

1095

是时候去PCB板厂浪一波了

PCB设计技巧 by xfire

老wu最近面试应聘的Layout,发现很多攻城狮会画板,但对于PCB的加工制造流程完全不清楚,用AD画好PCB,直接在嘉X创的在线下单平台提交AD的PCB设计源文件,按照在线计价算出的支付金额,付款了事。

问:设置过PCB设计的规则约束吗?约束规则的设置依据是什么?答:不知道

问:线宽线距怎么选,会影响PCB的制造成本和良率吗?答:没关注过,都是按AD软件默认的来,6mil吧,电源会适当加宽

问:常用的PCB表面处理工艺是什么,有什么优缺点,会影响PCB的制造成本吗?答:不是很清楚,一般都是喷锡

问:知道常用的内层和外层的铜厚是多少吗?铜厚是如何影响到PCB载流温升和线宽线距的?答:第一次听说

问:做过阻抗板吗?板厂是如何控制达到你所需的阻抗的?答:阻抗?是电阻吗?

问:列举一下你熟悉的PCB板厂,讲一下板厂的工艺能力。答:只在嘉X创打板,看过嘉x创送的《PCB设计与制造》资料,但不太关注。

老wu默默的从兜里掏出了颗网友们打赏的六味地黄丸放到嘴里,嚼了两下,“很抱歉,连板厂的工艺能力你都不清楚,你不担心你画的板子板厂生产不出来吗?没接到过板厂审单的妹纸的电话?我建议您有机会的话,应该去下板厂参观参观,了解一下板厂的工艺能力和制板流程,对您的职业提升还是有帮助的,谢谢,顺便帮我把下一位叫进来。”

也许,是时候去PCB板厂浪一波了。你没去过PCB板厂,不熟悉PCB生产制造流程和工艺,你说你做Layout没遇到问题,那只能说明你只是在做非常非常低端的板子,当然待遇相比也是低端的,除非你的颜值逆天吧 🙃

随着现在半导体行业的飞速发展,IC的性能越来越强,主频也越来越高,外围总线的传输速率也随之越来越快,同时,在IC内塞入的功能也越来越多,这也导致了PCB正在往高速高密度的方向发展,同时,对于智能设备和可穿戴设备的发展,刚柔结合板的设计应用也越来越普遍,这就要求我们在Layout时要把电路板的可制造性设计考虑进去。

谁是PCB可制造性设计方面的专家?当然是PCB板厂的人咯,人家就是靠这个吃饭的,你精心设计的PCB,技术功能再牛逼,艺术感强大,可是超出的PCB板厂的工艺能力,人家制造不出来,或者即使制造出来了,批量良率太低,成本非常高,你家老板肯定是要让你走人的,😅

PCB板厂不仅仅是你的供应商,他还是你的Partner,跟板厂搞好关系,工作中或私下里可以跟板厂的工艺工程师聊聊天,还是很有用处的,能够及时的解决你的PCB可制造性的疑问。

如果你公司有条件,可以让公司联系一下板厂,到产线上走走看看,看一下你设计的PCB从Gerber文件是如何一步一步的转换成最终的PCB成品的,哪些设计会让板厂的工艺工程师骂你是SB 🙃 不要排斥板厂难闻的化学药剂的味道,或者厂妹不够高端。

如果你暂时没有条件去板厂参观,老wu这里分享一下2015年当时老wu与一波小伙伴去板厂参观时录制的视频分享给大家,干货嘛,还是有一些的。


这里是欧洲的一个板厂 Eurocircuits 的制造一款4层PCB板的完整工艺流程,从设计文件一直到成品的PCB板打包发货,可以不用去板厂也能了解到整个pcb加工制造的流程咯。

PCB设计的规则约束是PCB设计软件非常好用的功能,有关于PCB布局布线方面的物理约束,比如线宽、线距、过孔大小等等,也有关于信号方面的约束,比如网络阻抗、串扰、信号反射和布线长度等。PCB设计规则约束大体上可以归类为:电气约束、布线约束、布局约束、SMT表贴约束、SI约束、制造约束、高速设置约束等等。

对于 PCB 设计,是线路越宽越好,还是越细越好? 电源设计人员:当然是越宽越好,这对板的可靠性及走电流、散热都有好处。高频设计人员:还是细一些好,这样可以减少辐射源,对降噪比较有利。PCB 厂家:还是宽一些吧,不然工艺上没法保证,报废率太高。PCB布局:细一些为好,不然有些地方,如 BGA 都没空间走线。

在我们电子产品开发过程中常常会遇到一些自认为很好的创意,结果却没有好的办法来实现。PCB设计人员总能在EDA软件上轻易实现极微小的孔,极细的走线,这样就想当然可以把产品做得足够精细。但是这对 PCB 板厂家来说却恰恰是巨大的挑战,甚至因为缺陷率太高或者在现有条件下根本无法制造出来。那么再好的创意也无异于空中楼阁。

出现上述问题根本原因在于设计者没有考虑到厂家自身的加工能力水平限制,这个水平可能因厂而异,但在一定时期内大多数厂家的能力水平应该相差不大。这就为总结一些可通用的可制造性设计指导规则提供了可能。导线的宽度、底铜厚度、工艺选择、蚀刻能力这些因素是制作上需要重点考虑的。

常见的PCB表面处理工艺总结如下:

1.热风整平
热风整平曾经在PCB表面处理工艺中处于主导地位。二十世纪八十年代,超过四分之三的PCB使用热风整平工艺,但过去十年以来业界一直都在减少热风整平工艺的使用,估计目前约有25%-40%的PCB使用热风整平工艺。热风整平制程比较脏、难闻、危险,因而从未是令人喜爱的工艺,但热风整平对于尺寸较大的元件和间距较大的导线而言,却是极好的工艺。

在密度较高的PCB中,热风整平的平坦性将影响后续的组装;故HDI板一般不采用热风整平工艺。随着技术的进步,业界现在已经出现了适于组装间距更小的QFP和BGA的热风整平工艺,但实际应用较少。目前一些工厂采用有机涂覆和化学镀镍/浸金工艺来代替热风整平工艺;技术上的发展也使得一些工厂采用浸锡、浸银工艺。加上近年来无铅化的趋势,热风整平使用受到进一步的限制。虽然目前已经出现所谓的无铅热风整平,但这可将涉及到设备的兼容性问题。

2.有机涂覆
估计目前约有25%-30%的PCB使用有机涂覆工艺,该比例一直在上升(很可能有机涂覆现在已超过热风整平居于第一位)。有机涂覆工艺可以用在低技术含量的PCB,也可以用在高技术含量的PCB上,如单面电视机用PCB、高密度芯片封装用板。对于BGA方面,有机涂覆应用也较多。PCB如果没有表面连接功能性要求或者储存期的限定,有机涂覆将是最理想的表面处理工艺,但由于OSP膜本身是绝缘的,选择此种表面处理需要注意对ICT测试点做好处理。

3.化学镀镍/浸金
化学镀镍/浸金工艺与有机涂覆不同,它主要用在表面有连接功能性要求和较长的储存期的板子上,如手机按键区、路由器壳体的边缘连接区和芯片处理器弹性连接的电性接触区。由于热风整平的平坦性问题和有机涂覆助焊剂的清除问题,二十世纪九十年代化学镀镍/浸金使用很广;后来由于黑盘、脆的镍磷合金的出现,化学镀镍/浸金工艺的应用有所减少,不过目前几乎每个高技术的PCB厂都有化学镀镍/浸金线。考虑到除去铜锡金属间化合物时焊点会变脆,相对脆的镍锡金属间化合物处将出现很多的问题。

因此,便携式电子产品(如手机)几乎都采用有机涂覆、浸银或浸锡形成的铜锡金属间化合物焊点,而采用化学镀镍/浸金形成按键区、接触区和EMI的屏蔽区。估计目前大约有10%-20%的PCB使用化学镀镍/浸金工艺。

4.浸银
浸银比化学镀镍/浸金便宜,如果PCB有连接功能性要求和需要降低成本,浸银是一个好的选择;加上浸银良好的平坦度和接触性,那就更应该选择浸银工艺。在通信产品、汽车、电脑外设方面浸银应用的很多,在高速信号设计方面浸银也有所应用。由于浸银具有其它表面处理所无法匹敌的良好电性能,它也可用在高频信号中。

使用浸银工艺是因为它易于组装和具有较好的可检查性。但是由于浸银存在诸如失去光泽、焊点空洞等缺陷使得其增长缓慢(但没有下降)。此外由于银对硫元素非常敏感,若产品应用环境富含硫元素,则须谨慎选择。估计目前大约有10%-15%的PCB使用浸银工艺。

5.浸锡
锡被引入表面处理工艺是近十年的事情,该工艺的出现是生产自动化的要求的结果。浸锡在焊接处没有带入任何新元素,特别适用于通信用背板。在板子的储存期之外锡将失去可焊性,因而浸锡需要较好的储存条件。另外浸锡工艺中由于含有致癌物质而被限制使用。估计目前大约有5%-10%的PCB使用浸锡工艺。

随着电子产品要求愈来愈高,环境要求愈来愈严,表面处理工艺愈来愈多,到底该选择那种有发展前景、通用性更强的表面处理工艺,目前看来好像有点眼花缭乱、扑朔迷离。PCB表面处理工艺未来将走向何方,现在亦无法准确预测。

根据实际产品需要来选择,例如:

双面贴装和混装(SMD与通孔插装)的印制电路板使用浸银;如果使用的是OSP,在再流焊和波峰焊时使用氮气或者腐蚀性很小的助焊剂,可以根据产品灵活掌握,如果使用ENIG就不需要使用氮气。在选择表面镀覆层时,氮气的使用、助焊剂的类型和对成本的敏感性,这些都是重要的因素。总之,选择无铅PCB焊盘涂镀层必须考虑焊料、工艺与PCB焊盘涂镀层的相容性。

PCB铜厚与走线的关系

PCB铜厚一般分为1oz(35um)、2oz(70um)、3oz(105um),当然还有更厚的,铜厚要看你做什么样的板子,像开关电源走大电流的就2oz、一般信号的1oz就够了。一般双面板是1oz多层板内层一般是1/2oz 1/3oz外层1oz 1/2oz 1/3oz,电源板铜厚要求高,国外很多要求2oz 3oz 还有更高的。(老wu注:这里的oz是盎司,1/2oz为0.5盎司 Hoz也是0.5盎司,即 half oz)

PCB 蚀刻工艺原理

PCB 外层线路制作普遍采用氨碱性蚀刻系统,化学药水蚀铜速率与药液的交换有很大关系。由于蚀刻的水池效应,药水在板面垂直 方向上的交换速度是不一致的,新鲜药水总是较多地汇聚于 PCB 的表面,然后再交换到底层。

蚀刻不仅仅从表层向底层蚀刻,同时也会横向蚀刻,表层的蚀刻速率快,底层慢,这样最终在宏观上导线的上下宽度并不一致,一般上层线宽小于底层线宽。横截面看就是个梯字形,如下图。目前,业界也认可这种工艺本身造成的缺陷,线宽管控以表层线宽为准。

对于PCB成品而言,自然是b与a越接近越好,理想状态为 a=b,所以衡量蚀刻工艺能力常常用蚀刻因子来表征。

蚀刻因子 = H/X 或铜厚 / [(下线宽 – 上线 宽)/2]

蚀刻因子越高,侧蚀量越少。在印制板的蚀刻操作中,希望有较高的蚀刻因子,尤其是高密度的精细导线的印制板更是如此。对于现今常用的碱性氯化铜蚀刻体系,侧蚀或多或少都会存在,所以控制侧蚀量成为蚀刻工艺控制的一个重点。铜厚越厚,造成的侧蚀的量会 越多,对于一些铜厚要求高的厚铜板,除了在制作工艺上要选择侧蚀速率较小的药水体系, 在设计上要满足工艺对线宽线距的要求。PCB 制造商依据自身工艺进行合理的补偿才能达到要求的线宽。

基铜与线宽的关系

在上边已提到过侧蚀对线宽的影响,涉及侧蚀量的大小除了与蚀刻本身工艺相关外, 在设计上选用不同的基铜也有很大关系。由于 目前业界主流的外层制作以图形电镀为主,以下的讨论也主要以图形电镀为基础。PCB 制作工艺中,外层线路的完成铜厚为三部分组成:

完成铜厚=基铜+PTH化学铜+ I 次电镀铜+图形电镀

基铜一般是固定的几种规格:0.5oz、 1oz、2oz,最常用为 0.5oz 与 1oz,厚铜板也用到 2oz、3oz 甚至 5oz 的基板。
PTH 化学铜很薄,一般 5um 左右,I 次电镀铜属于整板电镀,100um 左右,图形电镀将孔铜镀到 1mil,对于平面增加厚度一般达到 1.2 ~ 1.4mil。

蚀刻铜厚 = 基铜 +PTH 化学铜 +I 次电镀铜。

对于完成线宽与厚度的一定线路,侧蚀量取决于基铜厚度的选择,PTH 化学铜与 I 次 电镀铜相对基铜较薄,可忽略之间的影响因素。

对于同一种完成厚度,PCB 厂家倾向于选用较低的基铜板,通过电镀来达到完成铜厚。 对于一些载流量较大的线路,可通过加大线宽 或者增加线厚来满足要求,两种方式效果是一致的。从 PCB 制造的角度而言,增加线宽更有利于 PCB 制作。

关于阻抗控制的内容,大家可以在老wu的博客http://www.mr-wu.cn 里搜索关键字【阻抗】,老wu之前已经发布过很多关于阻抗控制相关的博文,这里不再一一复述,上边分享的板厂参观视频里也有阻抗相关的讨论,大家可以看一下。

列举一下你熟悉的PCB板厂,列举一下板厂的工艺能力?这个不不做广告了,网络搜索【打样】或者【PCB板厂】,进到板厂的网站,一般都有工艺能力说明的。

PCB板厂的工艺制作流程一般如下:开料–内层–内层AOI–压合–钻孔–沉铜–板电–外层图形–图形电镀–外层蚀刻–外层AOI–阻焊–字符–沉金–成型–电测–FQC–包装

大家可以通过上边老wu分享的Eurocircuits板厂的生产视频可以详细了解到。

最后,还是要感谢当初景旺提供了非常棒的免费板厂参观服务,记得当时是周六去的,他们工程师为了这次参观都回来加班,中午提供的免费午餐也很丰盛,表示感谢 👍。


微信扫描二维码
为老wu 打个赏
pay_weixin
金额随意 快来“打”我呀 老wu要买六味地黄丸补补~~

原创文章,转载请注明: 转载自 吴川斌的博客 http://www.mr-wu.cn/

本文链接地址: 是时候去PCB板厂浪一波了 http://www.mr-wu.cn/shi-shi-hou-qu-pcb-ban-chang-lang-yi-bo-le/