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PCB设计需要知道的多层板工艺

 李清龙1023 2023-02-04 发布于安徽
记得老wu第一次PCB Layout那会儿,多层板打样费用很高,交期要七八天的样子,出于成本和时间的考虑,往往只会考虑采用双面板进行布线。然后手里拿着很多会相互“打架”的设计规则或者BBS里流传的经验法则,痛苦地在信号线和电源/地线之间纠结。
结果就是PCB的布线载流能力考虑不足,电源线按照普通信号线来布线,电源线宽过细造成PCB温升以及电压降;同时,地线的Layout也被安排在了最后,而把信号线的优先级排在了首位;结果地线就在顶层与底层间来回穿梭,制造了许多巨大无比的回流环路,从而给信号线上带来了许多莫名其妙的干扰,直接打击了信心,差点还未入门就放弃 Image
而如今,人们生活质量提高了,PCB的制造工艺也有了巨大提升,比如现在老wu登录嘉立创打个6层板,费用和交期都是老wu刚工作那会儿不敢想象的,而且他家还提供每月的免费打样服务。Image
在嘉立创的创新推动下,现在的多层板打样已经变得非常的便捷,但要利用好多层板的优势,也不是提交制板文件然后就坐等PCB板厂把板子给我们寄回来那么简单,虽然相对而言,PCB布线层数越多布线就越容易,但要做到合理的设计,还需要额外的考量。现在,让我们先从PCB设计需要知道的多层板工艺开始吧。
一.多层PCB的发展历史与趋势
保罗-艾斯勒(Paul Eisler,奥地利发明家)于1936年发表的印刷电路板制造技术专利,与目前主流的印刷电路板制造形式最为接近,被认为是现代电路板的起源,所以保罗-艾斯勒也被誉为PCB之父。

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保罗-艾斯勒(Paul Eisler,奥地利发明家)
当然,在此之前,即使是早在 '电子设备 '一词还不存在的20世纪初期,人们便诞生了制造“电路板”的想法,自从1876年贝尔成功进行了电话通信的公开演示之后,电话通信便开始快速地发展;到1904年仅美国就有300万条电话线路需要靠人工进行电话交换连接,这种换线操作是劳动密集型的,为解决电话系统换线连接的操作繁琐的问题,早在1903年就出现了制造“电路板”的想法,并出现在专利中。
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图为1907年的汉口路14号英商华洋德律风公司的人工电话交换所

当时一位名叫阿尔伯特·汉森(Albert Hanson)的德国著名发明家申请了一项专利,他首创利用“线路”的观念应用于电话交换机系统,利用金属箔切割成线路导体,然后线路导体之间粘上石蜡纸,在线路交点上设置导通孔实现不同层间的电气互联,这就是“电路板”的早期雏形。

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虽然1936年已经发明了印刷电路板制造技术,但由于当时PCB制造相关的周边配套技术还不完善,比如PCB的基材还未完善,而电子管体积又太大、太重而且工作温度太高等条件限制,PCB制造技术应用于电子产品的生产一直到1950年代才得以普及。
被誉为“塑料工业之父”的比利时裔美国化学家贝克兰发明了酚醛树脂,依靠贝克兰的酚醛树脂制造及应用的专利,实现了酚醛树脂的工业化生产,这也促进了酚醛纸质层压板的发明,在20世纪四十年代由美国首先运用到PCB制造用基板上。
1947年发明了晶体管之后,1950年代晶体管开始普遍替代电子管用于电子产品,当时覆铜的酚醛纸质层压板开始大量应用于电子管收音机的生产。
1947年环氧树脂开始进入工业化生产,进入1960年代,印刷电路板的商业生产已全面发展,而主流的PCB基材也开始转向了性能更好的环氧树脂玻纤布基板。
随着IC(集成电路)和LSI(大规模集成电路)的出现,电子设备也在朝着更加紧凑,轻、薄、短、小的方向发展,进而使得PCB上的布线密度也急剧增加,导致了PCB向多层印刷电路板的转变。
到了20世纪80年代,由于电路结构越来越复杂,PCB的层数量也迅速增加,当时几乎所有高性能民用电子设备都采用多层印制电路板,多层PCB的市场需求量急速扩大。多层基板PCB作为基础性的新兴产业,迅速扩张,当时最先进的PCB制造技术已经能制造高达64层的多层板。
20世纪80年代后半期,计算机行业的飞速发展使得多层板产量大增。同时,铝基等金属基板、陶瓷多层板、刚挠结合板等应用也崭露头角。
在线路层间互连方面,除了电镀,还有导电膏通孔技术,较为知名的技术有松下公司的ALIVH及东芝公司的B2IT( buried bump interconnection technology:埋置凸点互联技术)布线板,这些技术推动电路板应用进入高密度互连(HDI)时代。
二、为什么要采用多层PCB结构进行设计
随着芯片集成度的提高,芯片封装的I/O引脚数目也在飞跃性地增加,特别是BGA封装的出现,仅靠单面、双面导体层布线已经无法将BGA内圈的引脚的走线引出。
更重要的是,随着传输信号的高速化发展,高速信号的布线需要采用传输线技术。在高速PCB设计中需要考虑怎样使走线的电气互连的性能达到最优,且同时考虑控制PCB的制造成本。影响信号完整性的反射、串扰、传输延时、开关噪声(SSN)等,是高速电路设计中要解决的主要问题。
传输线技术有几种类别,最早的传输线是奥利弗·海维塞德(Oliver Heaviside)发明的同轴传输线,用于解决当时电报的远距离传输问题,而PCB上的传输线的常见形式有微带线(Microstrip)和带状线(Stripline)。
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Microstrip 微带传输线
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Stripline 带状线传输线
带状线是一种横向电磁(TEM) 传输线介质,由Robert M. Barrett 在 1950 年代发明,而两年之后,作为带状线的竞争者,微带线由ITT实验室开发出来。
微带线位于PCB外层,其与外界环境接触,所以微带线的辐射能量更容易辐射到外界环境中,而且微带线也容易受外界环境的影响,比如,阻焊层变化的εr对特性阻抗的影响,所以,关键的高速信号优先采用内层走线,也即带状线传输线。
多层板还专设有单独完整的电源层和接地层,这不仅可以提高布线的自由度,而且对于防止信号干扰和电磁波辐射都是有利的,这进一步促进了PCB多层化的发展。
现在随着IC制程工艺的提高,数字信号上升沿时间也在“被动地”变短,以前只需要考虑把线拉通的PCB,越来越多的需要在布线时考虑到传输线效应,以便能更好的引导电磁波,避免出现信号完整性问题以及符合EMC性能,而单层板或者双层板,对于现在的IC集成度以及布线密度,很难有空间构造出良好的传输线结构,这就需要采用四层板,甚至是六层板,把富含高次谐波的关键信号采用带状线进行传输。
随着半导体技术的发展,我们不得不考虑采用多层板来构造传输线进行电磁波的引导。而让多层板进一步普及的,应该就是嘉立创的免费打样活动了。嘉立创目前6层、4层PCB都能享受免费的打样服务,能让更多小伙伴体验到采用多层板拉线的畅快感,而且现在6层板打样的话,嘉立创他们家连表面处理的沉金工艺以及盘中孔工艺(树脂塞孔+电镀盖帽)都给免费了。Image
对于6层板,基本上都会有BGA或者QFN芯片,SMT时对PCB的表面平整度有要求,沉金板焊盘表面平整,利于焊接,与高密度高多层板是满分适配。Image采用嘉立创的盘中孔工艺,既不影响SMT焊接,还能使产品可靠性稳定性增强。采用盘中孔工艺还可以节省扇出过孔所占用的表层布线空间,进一步提升了表层的布线密度,除此之外,采用盘中孔工艺使得电源/地的焊盘可以直接通过过孔与主电源/地平面连接,避免了扇出过孔的引线寄生电感的影响,对于电源完整性也有所帮助。
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嘉立创PCB免费打样规则

1、采用嘉立创EDA设计

无需消费金,无任何限制,每月可以领取2张免费打样券,支持单(含铝基板)、双、四、六层板。

2、采用其它软件设计

当月消费金额大于20元,次月可以领取2张免费打样券,支持单(含铝基板)、双、四、六层板。

3、免费打样券使用范围

单、双、四层板免费券:长宽在10CM以内、打样5片、喷锡、常规工艺;

六层板免费券:长宽在10CM以内、打样5片、沉金、绿色、支持盘中孔、常规工艺;

注意:六层板需要焊接后晒照,且必须采用BGA才能通过审核。


三、多层PCB的制造工艺流程
多层板制造方法有电镀通孔法以及高密度增层法两种,都是通过不同工艺的组合来实现电路板结构。其中目前采用最多的是电镀通孔法,电镀通孔法经过超过半个世纪的发展与完善,电镀通孔法无论从设备、材料方面,还是工艺方面都已相当成熟,并已建立起坚实的产业化基础。电镀通孔法既可制作双面板,又可制作多层板,他们在工艺流程和设备上是可以做到复用的。电镀通孔法是将绝缘基板表面、内层的导体图形由通孔贯穿,在通孔内壁电镀金属层并实现不同层中相应导体图形的连接。
老wu这里以嘉立创的制作工艺为例,典型的刚性多层板的主要制作工艺如下图所示的流程:
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开料
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PCB板厂并不直接制造覆铜板,半固化片,铜箔等基材,而是向产业链上游的基材厂商采购所需的基材,基材在出厂时都是标准的大尺寸,比如1mx1m(或1mx1.2 m)的规格。然后在PCB制造之前,需要根据自身加工设备的规格,将其切割成适合生产线所需的尺寸。
开料之后,对于多层板的工艺流程,先制作内层电路,如内层图形制作、压合等工序,然后流程又回到了与双层板一致的流程,如钻孔、电镀、外层图形制作等,最后就是各种检测和包装发货。
内层图形制作
多层板的内层通常使用薄的双面覆铜基板,在其表面形成内层线路之后,进行压合,即可得到多层板。
在内层的双面覆铜板上贴上光敏干膜,然后在贴上内层线路的薄膜并曝光,曝光后进行显影,然后用蚀刻机进行蚀刻,去除不必要的铜箔。
蚀刻完成之后,内层的线路便已呈现,这时候就需要把保护线路不被蚀刻的保护膜清除掉,这就是退膜工序。
接着就是内层的检查,采用自动光学检查(AOI)进行,在层压之前,为了提高铜箔与半固化片的结合能力,需要做棕化处理。
棕化的目的如下:
1) 增大铜箔与树脂的接触面积,加大两者之间的结合力;
2) 增加铜面对流动树脂之间的润湿性,使树脂能流入各死角而在硬化后有更强的附着力;
3) 在铜表面生成细密的钝化层,防止硬化剂与铜在高温高压状态下反应生成水而产生爆板。
层压
内层板将按照设计的层叠结构进行堆叠,将制作好的内层板、半固化片以及外层的铜箔依顺序层叠,然后热压形成一体。
层压完成之后,便进入外层线路的制作流程,这部分则与双层板的制作流程流程是一致的。
钻孔
电路板压合完成后,各个层之间还没有形成互联,这时候就需要钻孔,然后在孔壁上制作导电铜层,实现互联。
化学沉铜与全板电镀
化学沉铜是利用化学方法在绝缘孔壁上沉积上一层薄铜,全板电镀是在已经完成化学沉铜,具有导电性能的孔壁上使用电镀的方式增加孔壁铜厚。主要包括三个过程:除胶渣、化学沉铜与电镀铜。
除胶渣将清除孔中的胶渣并同时在孔壁上产生微粗糙,以增加铜与树脂的结合力。化学沉铜将在孔壁形成薄金属层,作为电镀的种子层。电镀则是为了增加孔壁铜厚。由于此时板面还没有线路图形,因此该步骤被称为“全板电镀”。嘉立创采用的是行业前沿的脉冲VCP,对于小孔的渗透能力极强。
外层线路图形
目的:将外层线路转移到覆铜板上的全过程。
图形电镀
目的:图形电镀是在线路图形裸露的铜皮上或孔壁上电镀一层达到要求厚度的铜层与锡层。
退膜
目的:用NaOH溶液退去抗电镀覆盖膜层使非线路铜层裸露出来。
蚀刻
目的:蚀刻是利用化学反应法将非线路部位的铜层腐蚀去。
阻焊
电路板的主要功能是承载和连接电子零件。图形电镀之后,非接触或焊接区域需要用材料保护起来,以保护该区域并防止损坏或氧化。元件组装多用焊锡膏进行焊接,这些涂覆的聚合物就被称为“阻焊剂'。
字符
目的:字符是提供的一种便于辩认的标记。
在字符的这个工艺环境,老wu在上边的嘉立创工艺流程图里用括号()标记出来以做区别,这里的高清字符工艺是在阻焊工序完成,制作工艺类似白油阻焊工艺。嘉立创这个高清字符的效果还是极好的,就是成本相对高一点,大家可以按需选择。
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表面处理
这个与上边的“阻焊“工艺不同,这里是要保护需要焊接或者接触的区域,防止裸露的铜箔与空气接触氧化而造成焊接不良或者接触不良。
成型
目的:通过模具冲压或数控锣机锣出客户所需要的形状。成型的方法有机锣、啤板、手锣、手切。
说明:数控锣板与啤板的精确度较高、手锣其次、手切板最低且只能做一些简单的外形。
目前嘉立创还新增了个“精锣”的工艺, “普锣”和“精锣”的主要区别在于锣边的定位方式及锣边的流程不一样,普锣采用的是外定位,而“精锣”采用的是内定位,“普锣”流程采用的是一次锣到位,而“精锣”流程采用的是进行两次锣边,一次粗锣,然后加一次精锣!
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测试
目的:通过电子测试,检测目视不易发现到的开路,短路等影响功能性之缺陷。
终检
目的:通过检验产品外观缺陷,并对轻微缺陷进行修理,避免缺陷不符合要求的产品流出。
打包发货
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嘉立创最新升级了他们高多层(6-20层)样板的包装,从啤盒换成了礼盒范的黑金礼盒,更加高级大气。

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另外,他们还开发有下单助手软件,通过嘉立创下单助手软件还可以实时获取订单的当前生产状态,结合上边的嘉立创工艺流程图,就可以做到心中有数,安心的数着日子等待板子的到来啦,这个体验还是非常好的。

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