微型PCB設計和制造的11個技巧

2021-04-26

微型PCB設計和制造的11個技巧

電子世界即將爆炸，或者我應該說“內爆”，其定義是“向內猛烈崩潰”。這種內爆將由電子產品的大幅減小尺寸或電子產品功能的巨大改進所驅動，從而導致印刷電路板的小型化。這里有一些技巧，可以幫助您了解如何處理微型PCB的設計和制造。

如今，基本電路板的尺寸減小將使設計人員能夠將其PCB的尺寸減小一半，或者減小到原始尺寸的四分之一。我們之所以說“今天”，是因為在撰寫本文時，我知道有幾家公司開始涉足微電子印刷電路領域。過去設計師無法使用的非常細的線現在將成為主流，而原來的絕對最小線寬75微米（3密耳）逐漸減小到30微米（1.2密耳）或更小。

對于較小的走線和過孔，需要新的設計規則，因為印刷電路板的制造方法完全不同且先進。微電子印刷電路制造商無法使用標準的舊干膜，印版和蝕刻工藝來可靠地制造75微米以下的線。光刻是產生這些非常細的線條和空間的一種選擇方法。轉向較小的線寬可能會使相當多的“陷在泥里”的老式印刷電路制造商措手不及，這些制造商現在甚至不提供3密耳的電阻。為了在不久的將來具有競爭力，PCB車間將需要提供至少50微米的線和空間，甚至低至30微米。

微型PCB制造商群體

精細微電路的制造商分為四組。第一組主要是亞洲人，擁有一到兩個美國俘虜的大批量電子制造商，它們為手機或iPod開發了獨特的細線工藝，可跟蹤40-50微米的痕跡。第二組是數量有限的研發公司，僅在Kapton上制造少量的非常細的線路，其細線小于40微米，這些線路僅在Kapton上建造，成本高，交貨期長達三個月且產量小。

第三集團正在以最快的速度擴展中型印刷電路公司，這些公司提供較小的生產數量，線寬為75至40微米，幾周之內即可生產成千上萬的產品。最后，第四組是正常的細線印刷電路板生產，尺寸為125至75微米，具有大批量生產和眾多參與者。我們將自己置于第五集團。我們已經開發出一種新的制造技術，能夠在FR4或Kapton上形成30微米的線和間距。我們在開發中的時間也小于20微米，并希望在2008年第二季度提供此功能。

隨著微電子業務的擴展以及越來越多的印刷電路公司發現制造40微米及以下的非常細的線所必需的技術，設計人員將需要熟悉新的設計規則以及微電路制造的優點和缺點。

如何設計微型PCB

出于明顯的原因，非常細的30微米線不能使用普通的1盎司銅。當我們減小線寬時，我們必須減小厚度。在Sierra Circuits，我們使用18微米厚的銅制造了25微米的生產線，但這大約是上限。除非您的設計使用較大的電流，否則較細的銅走線應該不是問題，在這種情況下，可以將特定的走線做得更寬以處理更大的電流。30微米的生產線堅固而可靠，但是，它不會遭受太多的物理虐待，而通過使用典型的阻焊膜幾乎可以消除這種濫用。

細線可能會使許多設計人員擔心，但是，他們需要實現目前開始使用的200微米寬的線跡，并將其減少到將芯片連接到芯片載體的25至13微米的鋁或金圓線。細線被封裝在多層的內層中或通過阻焊劑封裝，這意味著它們實際上被鎖定了。已經開發了將銅附著到電路板表面的新方法，這些新方法用于改善微跡線的整體附著力到表面。我們有一個帶有40微米跡線的示例板，沒有阻焊層，我們允許客戶用指甲刮擦。到目前為止，還沒有人留下任何痕跡。

前幾個微設計從30微米跡線到焊盤都有很大的圓角。隨著時間的流逝，事實證明它是不必要的。將走線直接布線到焊盤非常牢固可靠。額外的魚片剛剛被證明會增加圖像寫入時間和成本。

小通孔：微型通孔的尺寸存在物理限制。低于50微米（2密耳）時，電鍍液將無法正確地電鍍孔壁，從而導致過孔質量變差。我們的激光器可以鉆出小至20微米的孔，但我們不能電鍍它們。層壓板的厚度控制通孔的最小直徑，對于電鍍微通孔，上限為2：1。

例如，就電鍍而言，3密耳的微通孔僅限于6密耳厚的層壓板。我們的Yag激光器可以鉆通孔的深度也有一個限制。隨著直徑減小，穿透層壓材料以形成清潔孔的能力也隨之降低。3密耳的通孔在FR4中的深度限制為4到5密耳，而在HDI應用中使用的無玻璃層壓板中則為6到7密耳。關于微孔的一切并不一定是壞的。微孔可能無法像痕跡一樣小，但是我們可以在鍋中添加甜味劑，因為微孔周圍的環形圈會明顯變小。

當我們生產第一個微型PCB時，我們注意到的第一件事是通孔在焊盤中居中。該設計使用了一個9密耳的焊盤和一個3密耳的通孔，對于傳統的印刷電路工程來說，該通孔是緊密的。新的，更精確的激光制造方法將允許小至5密耳的焊盤和3密耳的通孔，從而節省了大量的電路板面積。

使用新的微電路設計技術而非常規的印刷電路技術可節省大量空間。如今，典型的75微米線寬的最佳間距約為.5mm，通過75微米線和250微米（10密耳）的焊盤可得到75微米（3密耳）。墊片之間的間距為225微米（9密耳），墊片之間僅允許一條75微米的線，對于大多數商店來說，這種最小規格是很難的。

微型PCB設計準則

利用3密耳過孔，5密耳，30微米線和30微米間距的微電路技術可產生0.2mm的間距布局。

與標準的3密耳印刷電路板布局相比，微電路技術可將使用的面積減少五倍。在以后的文章中，我們將討論減少所需組件面積的想法。但是，即使使用相同的組件，僅切換到30微米線和更小的焊盤也將顯著減小電路板面積。

布線時，請使用相同的技術，但是在轉彎時嘗試使線傾斜，而不要使用90度的轉彎。拐角處的斜線將拐角應力分布在更大的區域上。

1. Microvias

當利用添加在多層板頂部或作為所有HDI多層的HDI技術層時，微通孔可用于連接薄層之間。可以鉆出直徑為5.9密耳的通孔，最大厚度為60密耳，或者可以鉆出直徑為2-3密耳的激光孔，但只能在2-4密耳厚的HDI層壓板上。請記住，與激光創建的孔相比，鉆孔的漂移很大，這限制了焊盤到孔的大小。對于鉆孔，請使用12 mil的焊盤和6 mil的孔，而對于激光鉆孔的微孔，可以將5 mil的焊盤與3 mil的通孔一起使用。

2.孔尺寸

盡管看起來很明顯，但值得重申：傳統PCB設計的每個元素都需要進行調整，以適應更小的微型尺寸。對于熟悉傳統PCB設計的PCB布局工程師而言，這可能是一個挑戰。我們在該區域看到的最常見的錯誤是過大的孔。實際上，微型PCB設計應具有激光微型通孔，以在基板層之間互連。如果設計中的孔過大（通常如此），將導致微型PCB效果欠佳甚至無法正常工作。

這再次回到了與合適的微型PCB制造商合作的重要性。當PCB公司作為合作伙伴時，您將有一位專家可以在PCB工藝的每個步驟中尋求幫助，以確保您的微型PCB設計滿足所有必要的要求。

3.銅厚度

正常的3密耳細線電路是1盎司銅，微電路每30微米寬度使用oz。常規圖案電鍍用于制造微電路，這意味著跡線不必從電路引出到電鍍總線，圖案電鍍連接到整個電路，而引線鍵合電鍍是化學的或電氣的。

4.可靠性

大多數普通的印刷電路板都可以用于HDI或微電路，但都有局限性。微型單面和雙面電路可以由剛性FR4型層壓板制成，但是它們需要很薄才能留出微型通孔。

5.電氣測試

目前，飛行探針或什至是剛性探針（釘床）技術的下限為2-3密耳。我們期望隨著時間的推移，它會降低，因為必要時需要更小的平臺。如果您的微電路具有較小的點，例如邊緣條連接器，則將線從電路延伸到3-4 mil焊盤是明智的。

6.阻焊膜

不幸的是，允許我們制造30微米線的成像技術還沒有轉移到阻焊膜上。75微米的位置精度以及圖像分辨率仍然是極限。

7.識別標記

典型的絲網印刷圖像精度對于微電路而言太大。Sierra Proto使用非常精細的噴墨打印機，這會導致非常小的識別標記分辨率。

8.安全標記

可以將非常小的單個條形碼成像到阻焊膜中，以正確識別印刷電路板。條形碼是如此之小，以至于人眼幾乎看不見。

9.最終完成

可以提供普通的印刷電路板飾面。大多數微電路使用可焊線的軟金，浸錫或銀。

10.了解制造商的能力

到目前為止，無論您要開發微電子的具體應用或類型如何，這都是進行微型PCB設計時采取的最重要的步驟。

在開始任何PCB設計工作時，本技巧都非常重要。但是，了解它們的功能和服務對于微型PCB尤其重要。對于一家從未從事過微型PCB設計的公司，或者從未與指定的PCB制造公司合作過此類產品的公司，這是至關重要的。

原因很簡單：微型PCB的制造能力在一家PCB制造商與另一家PCB制造商之間差異很大。實際上，微型PCB仍相當新，而且足夠復雜，以至于許多PCB制造商將提供有限的微電子功能或支持。為了證明微型PCB設計成功，您需要確保制造商能夠滿足您的基本要求。

請記住，您的設計需求必須符合其準則。如果您將制造商無法滿足的元素納入設計中，則需要進行返工。這將導致延誤，減慢周轉時間和上市速度。

11.與工程師對話

盡早且最好在整個設計過程中，與PCB制造廠的工程師聯系并討論您的下一個項目。

考慮到以下事實，這一點尤其重要：微型PCB正在向無數在該領域幾乎沒有經驗的組織開放微電子領域。例如，一家專門從事血液測試設備的公司可能會對開發這種設備的微型版本感興趣，該設備需要少量的血液進行分析。這是微型PCB潛力的完美例子，但是在這種情況下，該公司可能沒有過去從事微型PCB設計工作的員工的PCB布局工程師。

這就是為什么與在微型PCB設計過程的每個步驟中由其自己的工程師提供指導的電路板車間合作至關重要的原因。盡管一些PCB制造商（例如Sierra Circuits）為所有客戶提供了這種服務水平，但許多公司卻沒有。如果微型PCB制造商不為從事微型PCB設計的客戶提供工程師主導的支持和專業知識，則您的公司可能應該在設計過程的早期就尋找其他地方。