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