如何使您設(shè)計(jì)的PCB更利于制造并降低加工成本
第一部分 剛?cè)峤Y(jié)合板
剛撓結(jié)合板并不是一種普通的電路板。將薄層狀的撓性底層和剛性底層結(jié)合,再層壓入一個(gè)單一組件中,這項(xiàng)工藝為我們帶來(lái)了非同一般的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。當(dāng)設(shè)計(jì)者開(kāi)始設(shè)計(jì)第一塊剛撓結(jié)合板印刷電路板(PCB)時(shí),發(fā)現(xiàn)他們以前學(xué)到的大多數(shù)有關(guān)印刷電路板設(shè)計(jì)的知識(shí)都存在問(wèn)題。他們?cè)O(shè)計(jì)的不再是兩度空間的平面底層,而是三維立體的內(nèi)部連線,可以彎曲折疊。我敢說(shuō),這將是一款性能更強(qiáng)的PCB。剛撓結(jié)合板的設(shè)計(jì)者利用單個(gè)組件替代由多個(gè)連接器、多條線纜和帶狀電纜連接成的復(fù)合印刷電路板,性能更強(qiáng),穩(wěn)定性也越高。他們將設(shè)計(jì)的范圍限制在一個(gè)組件內(nèi),像疊紙?zhí)禊Z一樣通過(guò)彎曲、折疊線路來(lái)優(yōu)化可用空間。
常用術(shù)語(yǔ)從字面上看,“撓性電路”給人的感覺(jué)就像是多重布線的帶狀電纜的替代品。在撓性扁平基底之上是線路層,它們彼此頭尾相接。在噴墨打印機(jī)的打印頭和控制板之間,常可以看到這種連接方式。在有關(guān)撓性電路的術(shù)語(yǔ)中,這種持續(xù)性的撓性被稱(chēng)作“動(dòng)態(tài)撓性”(dynamic flex )。在動(dòng)態(tài)撓性的應(yīng)用中,撓性電路往往(但又不限于)單面板,目的是為了取得最好的效果和最強(qiáng)的可靠性。在各個(gè)子系統(tǒng)之間的互聯(lián),比如將打印頭連接至控制板時(shí),最好使用撓性電路。
在撓性電路的使用周期中,必須以最少的撓曲進(jìn)行彎曲、折疊、組裝,就稱(chēng)為“撓性安裝”(flex-to-install )。撓性安裝的結(jié)構(gòu)有多種多樣,從單層到多層,全憑應(yīng)用的需求而定。在生命周期內(nèi)有限的撓曲有利于限制導(dǎo)體所受到的應(yīng)力,也有利于做更多的層數(shù)。
在撓性安裝過(guò)程中,若要求進(jìn)行單面組件安裝,那么應(yīng)對(duì)的策略就是,將剛性材料定位并層壓入撓性電路中,用以加固特定的區(qū)域。此類(lèi)型的撓性電路設(shè)計(jì)被稱(chēng)作“剛化撓性板”(rigidized flex )。剛性材料(典型的是FR4)不包含導(dǎo)體,主要用于加固組件的基底或連接區(qū)域。剛撓結(jié)合板兼具撓性電路和剛性材料的優(yōu)點(diǎn),但成本較高;剛化撓性板可以作為剛撓結(jié)合板的替代品。剛性材料無(wú)需蝕刻或電鍍,只需要鉆孔和按線路添加,便可減少印刷電路板的處理時(shí)間。
在撓性安裝過(guò)程中,若要求進(jìn)行雙面組件安裝,或者您需要超薄的印刷電路板,那么選擇剛撓結(jié)合板可能是唯一可行的解決辦法。剛撓結(jié)合板兼具剛性層與撓性層,是一種多層印刷電路板。典型的(四層)剛撓結(jié)合印刷電路板有一個(gè)聚酰亞胺核,它的上下兩面都有覆著銅箔。外部剛性層由單面的FR4 組成,它們被層壓入撓性核的兩面,組裝成多層的PCB。剛撓結(jié)合板應(yīng)用廣泛,但是由于多種材料的混合使用和多重的制作步驟,剛撓結(jié)合板的加工時(shí)間更長(zhǎng),制作成本更高。在制作多層剛撓結(jié)合板時(shí),撓性層的加工工藝又與外部 FR4 層截然不同。由不同材料制作的各個(gè)層面必須通過(guò)層壓聚集在一起,然后再鉆孔、電鍍。因此,制作一個(gè)典型的四層剛撓結(jié)合印刷電路板的時(shí)間,可能比制作一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的四層剛性印刷電路板長(zhǎng)5至7倍
剛撓結(jié)合板的應(yīng)用
剛撓結(jié)合板在消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品中常常能見(jiàn)到,比如數(shù)碼相機(jī)、可攜式攝相機(jī)和MP3 播放器。它還可以用于高端的飛機(jī)掛載武器導(dǎo)航系統(tǒng)。根據(jù)本人的研究,剛撓結(jié)合板最常用于制造軍用飛機(jī)和醫(yī)療設(shè)備。剛撓結(jié)合板為軍用飛機(jī)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大的益處,因?yàn)樗谔岣哌B接可靠度的同時(shí)還減輕了重量。當(dāng)然,由整體體積變小帶來(lái)的收益也不可忽視。植入型醫(yī)療設(shè)備——比如起搏器和耳蝸植入——也因?yàn)閯倱辖Y(jié)合板在狹小空間內(nèi)的彎曲、折疊能力、以及它那大幅提高的可靠性而獲益非淺。您不妨想象一下,如果起搏器因?yàn)檫B接電池的電線脫落而無(wú)法工作,那會(huì)是怎么的一個(gè)情景。有了剛撓結(jié)合板之后,電池可以直接連接至電路層,而且可以安裝在組件的任何位置。
剛撓結(jié)合板的應(yīng)用實(shí)例
剛撓結(jié)合板應(yīng)用領(lǐng)域的設(shè)計(jì)師將剛撓結(jié)合板作為首選,因?yàn)樗菍?shí)現(xiàn)產(chǎn)品目標(biāo)唯一的方法。他們可能先以剛性設(shè)計(jì)為原型,用以檢驗(yàn)自己的設(shè)計(jì)理念,然后再使用剛撓結(jié)合板創(chuàng)制出新產(chǎn)品。明尼蘇達(dá)州普利茅斯的福祿克公司(Fluke Electronics)完成的項(xiàng)目便是很好的實(shí)例。。技術(shù)總監(jiān)杰弗·魏斯泰德(Jeff Wisted)授命重新設(shè)計(jì)軍用紅外線顯像技術(shù)。
紅外系統(tǒng)將被安裝在微型飛行器或無(wú)人的駕駛飛機(jī)上,要求該系統(tǒng)能覆蓋一臺(tái)5立方英寸、載荷不超過(guò)3盎司的手持型數(shù)碼相機(jī)的監(jiān)控范圍。即在保持原有功能和可靠性水平的同時(shí),減少50%的空間和減輕95%的重量。
其中最大的挑戰(zhàn)是如何將總重量從3磅減少至3盎司以下。唯一的解決方案就是,撤下由多個(gè)連接器連接的剛性PCB組件,轉(zhuǎn)用剛撓結(jié)合板。在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期我就見(jiàn)到了杰弗,雖然這是他首次使用剛撓結(jié)合板,但每一步都做對(duì)了。在制作過(guò)程中,他將PCB設(shè)計(jì)項(xiàng)目外包給一位經(jīng)驗(yàn)十足的剛撓結(jié)合板應(yīng)用設(shè)計(jì)師,而且一早就讓PCB制造商也參與進(jìn)來(lái)。
權(quán)威人士認(rèn)為:“剛撓結(jié)合板的成本盡管比傳統(tǒng)剛性板昂貴,但是它為該項(xiàng)目提供了理想的解決方案。我們利用的是撓性基底的相互連接,而不是多個(gè)PCB的連接設(shè)備,這就是減少占用空間和降低重量的關(guān)鍵,這正是我們所需要的?!?/P>
由于剛撓結(jié)合板具有可彎曲、可折疊的特點(diǎn),因此可以用于制作的定制電路,最大化地利用室內(nèi)的可用空間。杰弗利用這一點(diǎn),降低了整個(gè)系統(tǒng)所占用的空間。由于此設(shè)計(jì)并不會(huì)大量生產(chǎn),因此盡管生產(chǎn)成本較高,但相比之下收益仍高于成本。
設(shè)計(jì)考慮在設(shè)計(jì)剛撓結(jié)合板時(shí),必須考慮制造過(guò)程的特點(diǎn)以及使用的多種材料。設(shè)計(jì)者不能簡(jiǎn)單地創(chuàng)建四層剛性PCB上所使用的典型線路類(lèi)型,然后期望獲得與剛撓結(jié)合板同樣的效果。由于聚酰亞胺的空間穩(wěn)定性比 FR4 要差3倍以上。一旦銅蝕刻掉,撓性材料就會(huì)大幅皺縮。大多數(shù)制造商都了解該材料的這種特性,都準(zhǔn)確地估計(jì)到這樣的情況,因此當(dāng)PCB進(jìn)入機(jī)械加工過(guò)程時(shí)(鉆孔和按線路添加),他們盡可能使電路板接近尺寸公差。如果設(shè)計(jì)者不考慮可能出現(xiàn)的制造問(wèn)題,那么很可能要到最后一刻才意識(shí)到,必須更新設(shè)計(jì)才能適應(yīng)制造商的特殊加工過(guò)程。要達(dá)到最理想的結(jié)果,就要考慮通過(guò)在撓性層上盡可能擴(kuò)大電鍍過(guò)孔的最小環(huán)孔,并且確保所有的線到焊盤(pán)和線到線(trace-to-trace)結(jié)點(diǎn)添加淚滴。如果要使用撓性內(nèi)層連接剛性電路的各個(gè)區(qū)域,就必須仔細(xì)考慮在制造過(guò)程中如何支撐浮動(dòng)的板內(nèi)剛性區(qū)域,因?yàn)閯傂詫拥膮^(qū)域?qū)⒁灰瞥月冻鱿旅娴膿闲詫?。但是,移除太多的剛性材料可能使板變得脆弱。圖2是一個(gè)多層的剛撓結(jié)合板,在剛性層上開(kāi)有“窗口”。
我們通常對(duì)撓性層進(jìn)行沖切,因?yàn)闆_切更適合于薄的聚酰亞胺。撓性層上的區(qū)域也有可能被移除,從而在最終的布線中減少與布線點(diǎn)的接觸(參看圖3)。在設(shè)計(jì)工具中,必須將這些“無(wú)層”區(qū)域考慮進(jìn)去,另外在設(shè)計(jì)中可能需要放置無(wú)布線和/或無(wú)組件區(qū)域,防止一些組件或線路懸掛在剛性區(qū)域的邊緣。
設(shè)計(jì)建議由于撓性電路可彎曲、可折疊,避免創(chuàng)建不良的線路,因?yàn)椴涣嫉木€路會(huì)增加導(dǎo)體受壓裂開(kāi)的可能性。以下是減少折彎區(qū)域?qū)w受壓的幾條建議:
通過(guò)折彎區(qū)域向彎曲軸垂直布線
保持線路倒角、寬度改變和過(guò)孔取道在折彎區(qū)域之外
采用網(wǎng)格形鋪銅而不是實(shí)心鋪銅
交叉相鄰層的并排布線,“I-Beaming”(參看圖4)
圍繞撓性電路的設(shè)計(jì)還很多類(lèi)似的建議,恕不在此一一列舉。請(qǐng)查看推薦閱讀書(shū)目中的公開(kāi)出版物,那里有更多的細(xì)節(jié)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)。
結(jié)論一些制造商的意見(jiàn),他們中的大多數(shù)人都建議客戶放棄剛撓結(jié)合板而轉(zhuǎn)用剛化撓性板,因?yàn)榍罢呤筆CB的制作成本增加,滿足不了顧客的價(jià)格要求。要實(shí)現(xiàn)高量產(chǎn)的剛撓結(jié)合板,最關(guān)鍵的步驟之一是讓制造商盡早參與生產(chǎn)。
同時(shí),我們認(rèn)為:“導(dǎo)致剛撓結(jié)合板成本上升的三個(gè)主要因素是原材料、板的利用以及產(chǎn)量。如果我們能夠在項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)就與設(shè)計(jì)師進(jìn)行合作,我們就可以幫助他們實(shí)現(xiàn)低成本的設(shè)計(jì)和避免一些代價(jià)高昂的錯(cuò)誤。”
在選擇撓性板和/或剛撓結(jié)合板的供應(yīng)商時(shí),看一看他們?cè)谶@方面的主要項(xiàng)目數(shù)量。對(duì)于他們的平均技術(shù)水平要有一個(gè)精確的了解,從而確定他們的大多數(shù)板處于哪個(gè)技術(shù)層次。你設(shè)計(jì)的板應(yīng)該處于他們加工能力的中游而不是高端,這一點(diǎn)對(duì)于剛撓結(jié)合板的選擇特別適用。
一個(gè)理想的剛撓結(jié)合板設(shè)計(jì)評(píng)估小組應(yīng)由機(jī)械與電子工程師、PCB設(shè)計(jì)師和PCB加工工程師組成。機(jī)械工程師了解系統(tǒng)組件中的機(jī)械限制。小組中的PCB工藝工程師能夠調(diào)查改變彎度和添加加固材料等,最大化拼板的實(shí)際數(shù)量和生產(chǎn)成本的最小化。請(qǐng)切記,每個(gè)PCB的成本與板上的圖像數(shù)成反比。如果一個(gè)剛撓印刷電路結(jié)合板看起來(lái)像一個(gè)多腿蜘蛛并且不能很好地嵌在板上,那么每個(gè)組件的成本就會(huì)大幅增加。如果決定要用剛撓結(jié)合板制作PCB,那么設(shè)計(jì)人員就應(yīng)該在思維上更靈活以提升量產(chǎn)和減少投資。
第二部分 剛性板
分別從“線”“孔”“面”幾個(gè)大的方面來(lái)看,以下參數(shù)應(yīng)該特別注意:
線
線路成品銅厚控制在0.07mm以內(nèi)
線寬/線距控制在0.10/0.10mm以上
線到焊盤(pán)距離控制在0.10mm以上
線寬/線距公差控制在+/-20%
SMT 焊盤(pán)寬度控制在0.50mm以上,間距控制在0.20mm 以上
BGA焊盤(pán)直徑控制在0.30mm以上
孔
成品孔徑控制在0.30mm以上
內(nèi)層孔邊到線距離控制在0.20mm以上
孔壁最小銅厚控制在0.02mm以內(nèi)
成品孔徑公差:PTH:+/-0.08mm, NPTH:+/-0.05mm
成品孔位置精度控制在+/-0.08mm以上
每平米板面積的總孔數(shù)控制在50000個(gè)以內(nèi)
板厚與最小成品孔徑的比值控制在8:1以內(nèi)
面
各層表面底銅控制在0.035mm以內(nèi)
表面鋪銅應(yīng)盡量均勻,不要有間距大于1mm的無(wú)銅區(qū)
工藝邊須鋪銅,且工藝邊須設(shè)計(jì)工具孔和光學(xué)點(diǎn)
不要有間距小于0.13mm的刪格設(shè)計(jì)
導(dǎo)體距板邊距離:外層大于0.25mm,內(nèi)層大于0.38mm
層對(duì)位精度控制在0.08mm以上
其他
層壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),各層銅厚要對(duì)稱(chēng)
單元尺寸小于60x60mm的,一定要設(shè)計(jì)拼版,加工藝邊
BGA過(guò)孔一定要設(shè)計(jì)為兩面塞孔,為需測(cè)試的位置單獨(dú)牽引測(cè)試焊盤(pán)
阻焊設(shè)計(jì),盡量不要有一面開(kāi)窗,一面塞孔的設(shè)計(jì)
白字線寬一定要大于0.13mm
表面處理工藝優(yōu)選噴錫、OSP、沉金
成品板厚宜在0.8~1.6mm之間
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