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在可制造性設(shè)計(jì)(DFM)中，PCB設(shè)計(jì)布局工程師很容易就會(huì)忽略掉乍看之下不那么重要的關(guān)鍵因素。但在后續(xù)的流程中，這些因素在制造過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，可能成為良率不佳的根本原因。

 

當(dāng)涉及高速PCB設(shè)計(jì)，特別是高于20GHz時(shí)，如果PCB設(shè)計(jì)和制造團(tuán)隊(duì)之間缺乏溝通和/或彼此產(chǎn)生錯(cuò)誤的預(yù)設(shè)和解讀，就可能在制造過(guò)程中導(dǎo)致代價(jià)高昂的失敗。以下列舉了一些溝通出問(wèn)題時(shí)的實(shí)際情況，并就如何避免這一類問(wèn)題提出建議。

 

情景1：縮小焊墊尺寸以匹配線寬

PCB設(shè)計(jì)者縮小了焊墊尺寸以匹配線寬。他雖沒(méi)有三思而行，但這種作法完全可以接受。遺憾的是他過(guò)度縮小了焊墊，以致于違反IPC(國(guó)際電子產(chǎn)業(yè)連接協(xié)會(huì))的規(guī)定和制造規(guī)則。

 

其結(jié)果是在制造過(guò)程中出現(xiàn)一連串的問(wèn)題。特別是如圖1所示的翹脫(又稱墓碑效應(yīng)，tombstoning)現(xiàn)象的發(fā)生。翹脫是發(fā)生在PCB組裝階段的一種元件焊接缺陷，由回流焊過(guò)程中焊料的表面張力所引起。其現(xiàn)象是元件的一端從PCB的銅墊上翹脫與凸起，類似一個(gè)突起的墓碑。

 

圖1：翹脫(墓碑效應(yīng))。

 

這種情形的發(fā)生是因?yàn)閷?dǎo)線與焊墊粗細(xì)一樣，所以焊料流入導(dǎo)線，且在回流焊時(shí)發(fā)生移動(dòng)。其結(jié)果就造成焊墊大小的不匹配。加上其它DFM問(wèn)題，使良率低于60%，遠(yuǎn)低于預(yù)期的90%。其它DFM問(wèn)題包括成批開(kāi)放阻焊(gang relief mask)制程造成的焊料短路、使用熱穿孔造成焊料沿孔壁溢流，以及兩個(gè)焊墊之間阻焊不充分等。

 

實(shí)際上，PCB設(shè)計(jì)者決定使線寬等同于焊墊尺寸的決定也無(wú)可厚非：在任何高速訊號(hào)鏈路中，當(dāng)訊號(hào)路徑的幾何形狀改變時(shí)，會(huì)發(fā)生阻抗不連續(xù)的情況，因而導(dǎo)致訊號(hào)路徑阻抗的改變。透過(guò)使用相同粗細(xì)的線寬和焊墊，訊號(hào)通路的幾何形狀不會(huì)改變，當(dāng)導(dǎo)線接取分離元件的焊墊時(shí)，得以緩解阻抗的不連續(xù)問(wèn)題。這在理論上是成立的。但事實(shí)上，當(dāng)導(dǎo)線太細(xì)、焊墊太小時(shí)，如果仍然采用兩者相同的策略，則會(huì)產(chǎn)生翹脫等其它類似的組裝問(wèn)題。

 

在本例中，扇出導(dǎo)線與焊墊尺寸相同。此處采用一個(gè)BGA封裝，其BGA焊墊以較粗的導(dǎo)線扇出。如果它不是一個(gè)非阻焊定義(NSMD)的焊墊，焊料將會(huì)流入從那些特定焊墊扇出的導(dǎo)線，并在BGA元件的下方造成焊墊大小不一致，從而導(dǎo)致冷焊點(diǎn)(虛焊)或空隙，如圖所示2。

 

圖2：BGA內(nèi)的空隙

 

情景2：射頻濾波器問(wèn)題

在此例中，高速設(shè)計(jì)包含一個(gè)專用、三接腳SOP封裝的射頻濾波器。在SOP的接腳間并未使用阻焊層，對(duì)于這些接腳采用的是成批開(kāi)放阻焊制程──這是定義阻焊層的一種方法，避免針對(duì)一組接腳進(jìn)行阻焊。其結(jié)果是一組接腳之間彼此并未阻焊隔離。這可以是刻意達(dá)成的效果，也可能是PCB設(shè)計(jì)師犯的錯(cuò)。最后導(dǎo)致濾波器的三個(gè)接腳焊墊之間發(fā)生焊錫短路。

 

此外，過(guò)孔與焊墊也挨得過(guò)近。事實(shí)上，過(guò)孔的一半已經(jīng)與焊墊重迭了。這僅發(fā)生在如果過(guò)孔的焊墊存在該元件的頂部時(shí)，而不是在過(guò)孔上。記住這個(gè)設(shè)計(jì)禁忌：過(guò)孔絕對(duì)不能與元件的焊墊重迭。

 

過(guò)孔侵蝕元件的焊墊將會(huì)導(dǎo)致焊料漫溢過(guò)穿孔，使元件翹脫、斷開(kāi)。有幾個(gè)方法可以扇出此分離元件，以避免這種情況。著眼于可制造性設(shè)計(jì)，最好的辦法就是使過(guò)孔稍稍遠(yuǎn)離焊墊，并且在焊墊和過(guò)孔之間放置阻焊層。

 

第二種方法對(duì)扇出并不理想。在此，過(guò)孔焊墊侵蝕了元件焊墊，而非過(guò)孔上。結(jié)果當(dāng)過(guò)孔被涂覆時(shí)，焊料浸溢過(guò)孔壁的可能性降低。有兩種方法來(lái)解決此問(wèn)題。第一是把過(guò)孔直接放在焊墊頂部，并以非導(dǎo)電性填料進(jìn)行填充。第二種方法是使過(guò)孔距離焊墊再稍微遠(yuǎn)點(diǎn)，并在過(guò)孔和焊墊之間放置阻焊層。

 

就此高速設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，它采用了制造商推薦的焊墊模式。問(wèn)題是這些建議是針對(duì)少量原型而設(shè)計(jì)，并不適用于量產(chǎn)。焊墊模式是由CAD布局工具制作的，它利用元件封裝以及可將元件接腳焊接其上的焊墊，為PCB上的元件進(jìn)行焊接，并將元件與PCB固接起來(lái)。但是，在密度非常高的PCB上，使用大量元件時(shí)，根據(jù)組裝廠的建議對(duì)焊墊模式進(jìn)行修改就變得極為重要。

 

此外，還有過(guò)孔尺寸問(wèn)題。它必須在0.3mm以下，以便使過(guò)孔可在回流焊制程一開(kāi)始時(shí)就被封閉。理想情況是最好以導(dǎo)電材料封閉過(guò)孔，但這并不容易實(shí)現(xiàn)。對(duì)于散熱孔，0.3mm間距甚至更細(xì)是非常必要的措施，才能防止焊料通過(guò)孔壁漫爬流溢。

 

在此高速設(shè)計(jì)示例，根據(jù)我們測(cè)量OEM用的過(guò)孔約15mil(1mil=0.0254mm)大小，但理想情況應(yīng)小于8mil。因?yàn)檫^(guò)孔尺寸不對(duì)，在生產(chǎn)時(shí)就會(huì)因?yàn)榭讖竭^(guò)大，焊料沿孔壁漫爬溢出。這導(dǎo)致在該P(yáng)CB設(shè)計(jì)中，對(duì)獨(dú)立SOP封裝產(chǎn)生吸抽作用，致使周邊設(shè)備焊墊短路(圖3)。

 

圖3：因孔徑過(guò)大，焊料沿孔壁爬溢流出，導(dǎo)致在SOP封裝上產(chǎn)生吸抽作用，并使得周邊設(shè)備焊墊短路。

 

在此高速設(shè)計(jì)中，兩個(gè)焊墊之間缺乏足夠的阻焊層是第三個(gè)DFM問(wèn)題。在此，焊墊挨得非常近。其結(jié)果是阻焊層太薄，而且在整個(gè)制程中都脫離掉了，焊料呈突波狀從一個(gè)焊墊流到另一個(gè)焊墊。最后由于這條不期而至的突波，使該分離元件的焊墊定義變得不均勻，如圖4所示。處理結(jié)果是，將該元件的焊墊變大。

 

圖4：阻焊層突波。

 

該設(shè)計(jì)中的另一個(gè)焊墊問(wèn)題是焊墊大小不匹配，這次是在布局的電源部份。該設(shè)計(jì)使用了很小的0402(0.4mm×0.2mm)被動(dòng)元件封裝，在電源設(shè)計(jì)中，不建議使用這么小的封裝。在此，聰明的PCB布局工程師會(huì)選用0603厚膜貼片電阻(1608公制封裝)或0805厚膜貼片電阻(稍大的2012封裝)。但更小就不合適了。

 

如此謹(jǐn)慎行事是基于這樣的考慮：大多數(shù)電源布局在外層具有較大的鋪銅層。在采用了0402封裝的高速設(shè)計(jì)實(shí)例中，0402封裝的一端直接連接到鋪銅。另一端則只有一條導(dǎo)線和過(guò)孔。因此，在回流焊時(shí)，銅箔起著散熱器的作用，因而在焊墊的一側(cè)產(chǎn)生一個(gè)冷焊點(diǎn)(虛焊)。為了緩解此問(wèn)題，最好是在焊墊與銅箔間設(shè)立熱連接。但更好的方法是使用更大封裝。

 

違反DFM的其它例子

還有其它的布局失策可能破壞對(duì)PCB進(jìn)行有效的DFM原則。不好的PCB布局可能會(huì)導(dǎo)致與焊墊定義、元件封裝、層迭、材料選擇、扇出、線寬和線距等相關(guān)的制造和裝配問(wèn)題。例如，不好的焊墊定義可能在裝配時(shí)引起斷開(kāi)和短路；而若該元件封裝庫(kù)的實(shí)體尺寸不對(duì)的話，不淮確的元件封裝尺寸還可能導(dǎo)致不可制造性問(wèn)題。

 

就層迭而言，設(shè)計(jì)者必須確保正確的均勻?qū)拥砸?guī)避翹曲問(wèn)題。設(shè)計(jì)師還需要了解對(duì)于PCB材料的各種要求，包括現(xiàn)場(chǎng)要求。同時(shí)，必須時(shí)刻關(guān)注扇出問(wèn)題。如果處理不當(dāng)，則會(huì)發(fā)生侵損導(dǎo)線的酸腐或蝕刻‘陷阱’。此外，若設(shè)計(jì)不正確，線寬和線距可能會(huì)在不同制程中引發(fā)短路等其它問(wèn)題。

 

制造階段的問(wèn)題。在PCB設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，當(dāng)少量化學(xué)物質(zhì)(通常是酸)囤積在成銳角的PCB導(dǎo)線銳角處，這時(shí)被稱為‘酸阱’，它會(huì)導(dǎo)致翹曲(圖5)。當(dāng)這種化學(xué)物未被清除乾淨(jìng)時(shí)，即使在裝配完成后也會(huì)侵蝕導(dǎo)線；和/或產(chǎn)品在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，可能使連接時(shí)通時(shí)斷。即使殘留的化學(xué)物很少，若導(dǎo)線很細(xì)的話，甚至也會(huì)侵蝕掉整條導(dǎo)線；在布局階段，這種侵蝕既可能早期發(fā)生在線寬階段，也可能稍后出現(xiàn)在扇出階段。

 

圖5：銳角走線正是化學(xué)物質(zhì)得以藏身的‘酸阱’。

 

重合和寬高比問(wèn)題：當(dāng)PCB具有多層、且各層導(dǎo)線很細(xì)、線距很窄時(shí)，很可能引起過(guò)孔和焊墊的重合不良。制造過(guò)程中，焊墊和過(guò)孔間的重合問(wèn)題可能導(dǎo)致多個(gè)短路，甚至完全損壞PCB。

 

寬高比問(wèn)題發(fā)生在當(dāng)PCB進(jìn)入電腦輔助制造(CAM)及制造商發(fā)現(xiàn)寬高比不對(duì)的早期制程階段。在此例中，孔徑極小而PCB相當(dāng)厚。因此，代工廠通常不是面臨重大困難就是根本制造不出這種PCB。

 

銅和阻焊突波：銅細(xì)突波的出現(xiàn)是因?yàn)镻CB外層覆銅。極細(xì)的單端銅導(dǎo)線突波可隨時(shí)隨地出現(xiàn)在PCB板上，在組裝后形成短路。

 

當(dāng)焊墊和過(guò)孔間的阻焊不充分時(shí)，會(huì)出現(xiàn)阻焊突波。有若干原因造成這樣現(xiàn)象，包括不正確的布局、不正確的焊墊定義/或?qū)⒈┞兜倪^(guò)孔太過(guò)靠近元件焊墊等。

 

在布局的關(guān)鍵階段步步為營(yíng)

80%的PCB布局錯(cuò)誤是由不正確的零件幾何形狀或產(chǎn)生的實(shí)體焊墊、不好的過(guò)孔定義、過(guò)孔和表面裝貼元件間的間距不足、缺乏對(duì)關(guān)鍵元件的返修能力等原因造成的。

 

其結(jié)果是，PCB布局設(shè)計(jì)工程師必須小心翼翼地透過(guò)制程的各個(gè)階段，以避免諸如此類的制造和裝配問(wèn)題。例如，需要返修的BGA可能被放置得彼此過(guò)于靠近。這樣重新設(shè)計(jì)就無(wú)法完成。此外，過(guò)孔或焊墊太靠近PCB的邊緣，則可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)孔在布局時(shí)被切掉。

 

再就是放置在PCB上的基淮點(diǎn)，它為每一裝配步驟提供公共測(cè)量點(diǎn)。它們?cè)试SPCB元件系統(tǒng)精確對(duì)位元電路圖案。基淮點(diǎn)用來(lái)正確對(duì)齊SMT焊接用攝影鏡頭，在PCB組裝過(guò)程元件的取放階段、攝影鏡頭用于辨識(shí)以及協(xié)助將SMT元件放置在各自位置。一般情況，這些攝影鏡頭的定位公差為+/-1mil。

 

如果沒(méi)有基淮標(biāo)記點(diǎn)以使SMT用攝影鏡頭正確對(duì)齊，則因元件取放攝影鏡頭與PCB之間無(wú)法對(duì)淮，通常會(huì)產(chǎn)生翹脫。針對(duì)接腳間距很窄的元件，PCB設(shè)計(jì)師必須確保在這些元件周邊，安放額外基淮，以便為SMT相機(jī)提供進(jìn)一步幫助。

 

至于提高BGA焊接效率，增加焊墊間距是必要的。在使用BGA時(shí)，如果PCB材料選擇不當(dāng)，則因PCB和BGA間熱膨脹系數(shù)(CTE)的失配還會(huì)引發(fā)其它問(wèn)題。如果熱膨脹系數(shù)不匹配，焊點(diǎn)疲勞可能導(dǎo)致BGA焊墊開(kāi)路。此外，使用BGA時(shí)，對(duì)稱的PCB堆迭至關(guān)重要。否則，會(huì)發(fā)生焊點(diǎn)疲勞和PCB翹曲。

 

就BGA來(lái)說(shuō)，采用焊墊內(nèi)過(guò)孔是PCB布局設(shè)計(jì)師必須小心因應(yīng)的另一個(gè)問(wèn)題。焊墊內(nèi)過(guò)孔廣為流行，尤其是對(duì)0.75mm以下更細(xì)間距的BGA來(lái)說(shuō)。與狗骨式扇出相較，焊墊內(nèi)過(guò)孔提高了密度，允許使用更細(xì)間距的封裝。此外，去藕電容器可以直接跨接BGA另一側(cè)的穿孔，因而降低了原生電感。

 

但采用焊墊內(nèi)過(guò)孔有利有弊。當(dāng)采用焊墊內(nèi)過(guò)孔時(shí)，首先以導(dǎo)電性和非導(dǎo)電材料填充過(guò)孔，然后再鍍覆。如果制造商不熟悉該制程，可能會(huì)出現(xiàn)一連串的問(wèn)題。特別是可能帶來(lái)在組裝過(guò)程造成破壞的水氣淤積風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)水氣被淤積了，在回流焊時(shí)，過(guò)孔和焊墊可能發(fā)生爆裂、形成凹陷，導(dǎo)致毀壞BGA焊墊。避免大量膨脹或收縮的一種普遍方法是利用可降低水氣滯留的不導(dǎo)電過(guò)孔填料。