高速PCB設(shè)計(jì)指南之(二)

高速PCB設(shè)計(jì)指南之(二

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第一篇

高密度(HD)電路的設(shè)計(jì)本文介紹，許多人把芯片規(guī)模的ＢＧＡ封裝看作是由便攜式電子產(chǎn)品所需的空間限制的一個(gè)可行的解決方案，它同時(shí)滿足這些產(chǎn)品更高功能與性能的要求。為便攜式產(chǎn)品的高密度電路設(shè)計(jì)應(yīng)該為裝配工藝著想。當(dāng)為今天價(jià)值推動(dòng)的市場(chǎng)開發(fā)電子產(chǎn)品時(shí)，性能與可靠性是最優(yōu)先考慮的。為了在這個(gè)市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)，開發(fā)者還必須注重裝配的效率，因?yàn)檫@樣可以控制制造成本。電子產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步和不斷增長(zhǎng)的復(fù)雜性正產(chǎn)生對(duì)更高密度電路制造方法的需求。當(dāng)設(shè)計(jì)要求表面貼裝、密間距和向量封裝的集成電路ＩＣ時(shí)，可能要求具有較細(xì)的線寬和較密間隔的更高密度電路板。可是，展望未來，一些已經(jīng)在供應(yīng)微型旁路孔、序列組裝電路板的公司正大量投資來擴(kuò)大能力。這些公司認(rèn)識(shí)到便攜式電子產(chǎn)品對(duì)更小封裝的目前趨勢(shì)。單是通信與個(gè)人計(jì)算產(chǎn)品工業(yè)就足以領(lǐng)導(dǎo)全球的市場(chǎng)。高密度電子產(chǎn)品的開發(fā)者越來越受到幾個(gè)因素的挑戰(zhàn)：物理復(fù)雜元件上更密的引腳間隔、財(cái)力貼裝必須很精密、和環(huán)境許多塑料封裝吸潮，造成裝配處理期間的破裂。物理因素也包括安裝工藝的復(fù)雜性與最終產(chǎn)品的可靠性。進(jìn)一步的財(cái)政決定必須考慮產(chǎn)品將如何制造和裝配設(shè)備效率。較脆弱的引腳元件，如０．５０與０．４０ｍｍ０．０２０″與０．０１６″引腳間距的ＳＱＦＰｓｈｒｉｎｋｑｕａｄｆｌａｔｐａｃｋ，可能在維護(hù)一個(gè)持續(xù)的裝配工藝合格率方面向裝配專家提出一個(gè)挑戰(zhàn)。最成功的開發(fā)計(jì)劃是那些已經(jīng)實(shí)行工藝認(rèn)證的電路板設(shè)計(jì)指引和工藝認(rèn)證的焊盤幾何形狀。在環(huán)境上，焊盤幾何形狀可能不同，它基于所用的安裝電子零件的焊接類型。可能的時(shí)候，焊盤形狀應(yīng)該以一種對(duì)使用的安裝工藝透明的方式來定義。不管零件是安裝在板的一面或兩面、經(jīng)受波峰、回流或其它焊接，焊盤與零件尺寸應(yīng)該優(yōu)化，以保證適當(dāng)?shù)暮附狱c(diǎn)與檢查標(biāo)準(zhǔn)。雖然焊盤圖案是在尺寸上定義的，并且因?yàn)樗怯≈瓢咫娐穾缀涡螤畹囊徊糠?，它們受到可生產(chǎn)性水平和與電鍍、腐蝕、裝配或其它條件有關(guān)的公差的限制。生產(chǎn)性方面也與阻焊層的使用和在阻焊與導(dǎo)體圖案之間的對(duì)齊定位有關(guān)。

1、焊盤的要求國際電子技術(shù)委員會(huì)ＩＥＣＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＥｌｅｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｍｍｉｓｓｉｏｎ的６１１８８標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)識(shí)到對(duì)焊接圓角或焊盤凸起條件的不同目標(biāo)的需要。這個(gè)新的國際標(biāo)準(zhǔn)確認(rèn)兩個(gè)為開發(fā)焊盤形狀提供信息的基本方法：１)．基于工業(yè)元件規(guī)格、電路板制造和元件貼裝精度能力的準(zhǔn)確資料。這些焊盤形狀局限于一個(gè)特定的元件，有一個(gè)標(biāo)識(shí)焊盤形狀的編號(hào)。２)．一些方程式可用來改變給定的信息，以達(dá)到一個(gè)更穩(wěn)健的焊接連接，這是用于一些特殊的情況，在這些情況中用于貼裝或安裝設(shè)備比在決定焊盤細(xì)節(jié)時(shí)所假設(shè)的精度有或多或少的差別。

該標(biāo)準(zhǔn)為用于貼裝各種引腳或元件端子的焊盤定義了最大、中等和最小材料情況。除非另外標(biāo)明，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)將所有三中“希望目標(biāo)”標(biāo)記為一級(jí)、二級(jí)或三級(jí)。一級(jí)：最大－用于低密度產(chǎn)品應(yīng)用，“最大”焊盤條件用于波峰或流動(dòng)焊接無引腳的片狀元件和有引腳的翅形元件。為這些元件以及向內(nèi)的″Ｊ″型引腳元件配置的幾何形狀可以為手工焊接和回流焊接提供一個(gè)較寬的工藝窗口。二級(jí)：中等－具有中等水平元件密度的產(chǎn)品可以考慮采用這個(gè)“中等”的焊盤幾何形狀。與ＩＰＣ－ＳＭ－７８２標(biāo)準(zhǔn)焊盤幾何形狀非常相似，為所有元件類型配置的中等焊盤將為回流焊接工藝提供一個(gè)穩(wěn)健的焊接條件，并且應(yīng)該為無引腳元件和翅形引腳類元件的波峰或流動(dòng)焊接提供適當(dāng)?shù)臈l件。三級(jí)：最?。哂懈咴芏鹊漠a(chǎn)品通常是便攜式產(chǎn)品應(yīng)用可以考慮“最小”焊盤幾何形狀。最小焊盤幾何形狀的選擇可能不適合于所有的產(chǎn)品。在采用最小的焊盤形狀之前，使用這應(yīng)該考慮產(chǎn)品的限制條件，基于表格中所示的條件進(jìn)行試驗(yàn)。在ＩＰＣ－ＳＭ－７８２中所提供的以及在ＩＥＣ６１１８８中所配置的焊盤幾何形狀應(yīng)該接納元件公差和工藝變量。雖然在ＩＰＣ標(biāo)準(zhǔn)中的焊盤已經(jīng)為使用者的多數(shù)裝配應(yīng)用提供一個(gè)穩(wěn)健的界面，但是一些公司已經(jīng)表示了對(duì)采用最小焊盤幾何形狀的需要，以用于便攜式電子產(chǎn)品和其它獨(dú)特的高密度應(yīng)用。國際焊盤標(biāo)準(zhǔn)(ＩＥＣ６１１８８)了解到更高零件密度應(yīng)用的要求，并提供用于特殊產(chǎn)品類型的焊盤幾何形狀的信息。這些信息的目的是要提供適當(dāng)?shù)谋砻尜N裝焊盤的尺寸、形狀和公差，以保證適當(dāng)焊接圓角的足夠區(qū)域，也允許對(duì)這些焊接點(diǎn)的檢查、測(cè)試和返工。圖一和表一所描述的典型的三類焊盤幾何形狀是為每一類元件所提供的：最大焊盤(一級(jí))、中等焊盤(二級(jí))和最小焊盤(三級(jí))。圖一、兩個(gè)端子的、矩形電容與電阻元件的IEC標(biāo)準(zhǔn)可以不同以滿足特殊產(chǎn)品應(yīng)用焊盤特性最大一級(jí)中等二級(jí)最小三級(jí)

腳趾-焊盤突出0.60.40.2

腳跟-焊盤突出0.00.00.0

側(cè)面-焊盤突出0.10.00.0

開井余量0.50.250.05

圓整因素最近0.5最近0.05最近0.05表一、矩形與方形端的元件

(陶瓷電容與電阻)(單位:mm)焊接點(diǎn)的腳趾、腳跟和側(cè)面圓角必須針對(duì)元件、電路板和貼裝精度偏差的公差平方和。如圖二所示，最小的焊接點(diǎn)或焊盤突出是隨著公差變量而增加的（表二）。圖二、帶狀翅形引腳元件的IEC標(biāo)準(zhǔn)定義了三種可能的變量以滿足用戶的應(yīng)用焊盤特性最大一級(jí)中等二級(jí)最小三級(jí)

腳趾-焊盤突出0.80.50.2

腳跟-焊盤突出0.50.350.2

側(cè)面-焊盤突出0.050.050.03

開井余量0.50.250.05

圓整因素最近0.5最近0.05最近0.05表二、平帶L形與翅形引腳

(大于0.625mm的間距)(單位:mm)如果這些焊盤的用戶希望對(duì)貼裝和焊接設(shè)備有一個(gè)更穩(wěn)健的工藝條件，那么分析中的個(gè)別元素可以改變到新的所希望的尺寸條件。這包括元件、板或貼裝精度的擴(kuò)散，以及最小的焊接點(diǎn)或焊盤突出的期望（表３，４，５和６）。用于焊盤的輪廓公差方法的方式與元件的類似。所有焊盤公差都是要對(duì)每一個(gè)焊盤以最大尺寸提供一個(gè)預(yù)計(jì)的焊盤圖形。單向公差是要減小焊盤尺寸，因此得當(dāng)焊接點(diǎn)形成的較小區(qū)域。為了使開孔的尺寸標(biāo)注系統(tǒng)容易，焊盤是跨過內(nèi)外極限標(biāo)注尺寸的。在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，尺寸標(biāo)注概念使用極限尺寸和幾何公差來描述焊盤允許的最大與最小尺寸。當(dāng)焊盤在其最大尺寸時(shí)，結(jié)果可能是最小可接受的焊盤之間的間隔；相反，當(dāng)焊盤在其最小尺寸時(shí)，結(jié)果可能是最小的可接受焊盤，需要達(dá)到可靠的焊接點(diǎn)。這些極限允許判斷焊盤通過／不通過的條件。假設(shè)焊盤幾何形狀是正確的，并且電路結(jié)構(gòu)的最終都滿足所有規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，焊接缺陷應(yīng)該可以減少；盡管如此，焊接缺陷還可能由于材料與工藝變量而發(fā)生。為密間距ｆｉｎｅｐｉｔｃｈ開發(fā)焊盤的設(shè)計(jì)者必須建立一個(gè)可靠的焊接連接所要求的最小腳尖與腳跟，以及在元件封裝特征上允許最大與最小或至少的材料條件。表三、J形引腳(單位:mm)焊盤特性最大一級(jí)中等二級(jí)最小三級(jí)

腳趾-焊盤突出0.20.20.2

腳跟-焊盤突出0.80.60.4

側(cè)面-焊盤突出0.10.050.0

開井余量1.50.80.2

圓整因素最近0.5最近0.05最近0.05表四、圓柱形端子（MELF）(單位:mm)焊盤特性最大一級(jí)中等二級(jí)最小三級(jí)

腳趾-焊盤突出1.00.40.2

腳跟-焊盤突出0.20.10.0

側(cè)面-焊盤突出0.20.10.0

開井余量0.20.250.25

圓整因素最近0.5最近0.05最近0.05表五、只有底面的端子(單位:mm)焊盤特性最大一級(jí)中等二級(jí)最小三級(jí)

腳趾-焊盤突出0.20.10

腳跟-焊盤突出0.20.10

側(cè)面-焊盤突出0.20.10

開井余量0.250.10.05

圓整因素最近0.5最近0.05最近0.05表六、內(nèi)向L形帶狀引腳(單位:mm)焊盤特性最大一級(jí)中等二級(jí)最小三級(jí)

腳趾-焊盤突出0.10.10.0

腳跟-焊盤突出1.00.50.2

側(cè)面-焊盤突出0.10.10.1

開井余量0.50.250.05

圓整因素最近0.5最近0.05最近0.052、BGA與CAPＢＧＡ封裝已經(jīng)發(fā)展到滿足現(xiàn)在的焊接安裝技術(shù)。塑料與陶瓷ＢＧＡ元件具有相對(duì)廣泛的接觸間距（１．５０，１．２７和１．００ｍｍ），而相對(duì)而言，芯片規(guī)模的ＢＧＡ柵格間距為０．５０，０．６０和０．８０ｍｍ。ＢＧＡ與密間距ＢＧＡ元件兩者相對(duì)于密間距引腳框架封裝的ＩＣ都不容易損壞，并且ＢＧＡ標(biāo)準(zhǔn)允許選擇性地減少接觸點(diǎn)，以滿足特殊的輸入／輸出（Ｉ／Ｏ）要求。當(dāng)為ＢＧＡ元件建立接觸點(diǎn)布局和引線排列時(shí)，封裝開發(fā)者必須考慮芯片設(shè)計(jì)以及芯片塊的尺寸和形狀。在技術(shù)引線排列時(shí)的另一個(gè)要面對(duì)的問題是芯片的方向芯片模塊的焊盤向上或向下。芯片模塊“面朝上”的結(jié)構(gòu)通常是當(dāng)供應(yīng)商正在使用ＣＯＢ（ｃｈｉｐ－ｏｎ－ｂｏａｒｄ）（內(nèi)插器）技術(shù)時(shí)才采用的。元件構(gòu)造，以及在其制造中使用的材料結(jié)合，不在這個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與指引中定義。每一個(gè)制造商都將企圖將其特殊的結(jié)構(gòu)勝任用戶所定義的應(yīng)用。例如消費(fèi)產(chǎn)品可能有一個(gè)相對(duì)良好的工作環(huán)境，而工業(yè)或汽車應(yīng)用的產(chǎn)品經(jīng)常必須運(yùn)行在更大的壓力條件下。取決于制造ＢＧＡ所選擇材料的物理特性，可能要使用到倒裝芯片或引線接合技術(shù)。因?yàn)樾酒惭b結(jié)構(gòu)是剛性材料，芯片模塊安裝座一般以導(dǎo)體定中心，信號(hào)從芯片模塊焊盤走入接觸球的排列矩陣。在該文件中詳細(xì)敘述的柵格陣列封裝外形在ＪＥＤＥＣ的９５出版物中提供。方形ＢＧＡ，ＪＥＤＥＣＭＳ－０２８定義一種較小的矩形塑料ＢＧＡ元件類別，接觸點(diǎn)間隔為１．２７ｍｍ。該矩陣元件的總的外形規(guī)格允許很大的靈活性，如引腳間隔、接觸點(diǎn)矩陣布局與構(gòu)造。ＪＥＤＥＣＭＯ－１５１定義各種塑料封裝的ＢＧＡ。方形輪廓覆蓋的尺寸從７．０－５０．０，三種接觸點(diǎn)間隔－１．５０，１．２７和１．００ｍｍ。球接觸點(diǎn)可以單一的形式分布，行與列排列有雙數(shù)或單數(shù)。雖然排列必須保持對(duì)整個(gè)封裝外形的對(duì)稱，但是各元件制造商允許在某區(qū)域內(nèi)減少接觸點(diǎn)的位置。3、芯片規(guī)模的BGA變量針對(duì)“密間距”和“真正芯片大小”的ＩＣ封裝，最近開發(fā)的ＪＥＤＥＣＢＧＡ指引提出許多物理屬性，并為封裝供應(yīng)商提供“變量”形式的靈活性。ＪＥＤＥＣＪＣ－１１批準(zhǔn)的第一份對(duì)密間距元件類別的文件是注冊(cè)外形ＭＯ－１９５，具有基本０．５０ｍｍ間距接觸點(diǎn)排列的統(tǒng)一方形封裝系列。封裝尺寸范圍從４．０－２１．０ｍｍ，總的高度(定義為“薄的輪廓”)限制到從貼裝表面最大為１．２０ｍｍ。下面的例子代表為將來的標(biāo)準(zhǔn)考慮的一些其它變量。球間距與球尺寸將也會(huì)影響電路布線效率。許多公司已經(jīng)選擇對(duì)較低Ｉ／Ｏ數(shù)的ＣＳＰ不采用０．５０ｍｍ間距。較大的球間距可能減輕最終用戶對(duì)更復(fù)雜的印刷電路板(ＰＣＢ)技術(shù)的需求。０．５０ｍｍ的接觸點(diǎn)排列間隔是ＪＥＤＥＣ推薦最小的。接觸點(diǎn)直徑規(guī)定為０．３０ｍｍ，公差范圍為最小０．２５、最大０．３５ｍｍ。可是大多數(shù)采用０．５０ｍｍ間距的ＢＧＡ應(yīng)用將依靠電路的次表面布線。直徑上小至０．２５ｍｍ的焊盤之間的間隔寬度只夠連接一根０．０８ｍｍ（０．００３″）寬度的電路。將許多多余的電源和接地觸點(diǎn)分布到矩陣的周圍，這樣將提供對(duì)排列矩陣的有限滲透。這些較高Ｉ／Ｏ數(shù)的應(yīng)用更可能決定于多層、盲孔或封閉的焊盤上的電鍍旁路孔(ｖｉａ－ｏｎ－ｐａｄ)技術(shù)。4、考慮封裝技術(shù)元件的環(huán)境與電氣性能可能是與封裝尺寸一樣重要的問題。用于高密度、高Ｉ／Ｏ應(yīng)用的封裝技術(shù)首先必須滿足環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。例如，那些使用剛性內(nèi)插器(ｉｎｔｅｒｐｏｓｅｒ)結(jié)構(gòu)的、由陶瓷或有機(jī)基板制造的不能緊密地配合硅芯片的外形。元件四周的引線接合座之間的互連必須流向內(nèi)面。μＢＧＡ*封裝結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)際優(yōu)勢(shì)是它在硅芯片模塊外形內(nèi)提供所有電氣界面的能力。μＢＧＡ使用一種高級(jí)的聚酰胺薄膜作為其基體結(jié)構(gòu)，并且使用半加成銅電鍍工藝來完成芯片上鋁接合座與聚酰胺內(nèi)插器上球接觸座之間的互連。依順材料的獨(dú)特結(jié)合使元件能夠忍受極端惡劣的環(huán)境。這種封裝已經(jīng)由一些主要的ＩＣ制造商用來滿足具有廣泛運(yùn)作環(huán)境的應(yīng)用。超過２０家主要的ＩＣ制造商和封裝服務(wù)提供商已經(jīng)采用了μＢＧＡ封裝。定義為“面朝下”的封裝，元件外形密切配合芯片模塊的外形，芯片上的鋁接合焊盤放于朝向球接觸點(diǎn)和ＰＣＢ表面的位置。這種結(jié)構(gòu)在工業(yè)中有最廣泛的認(rèn)同，因?yàn)槠浣⒌幕A(chǔ)結(jié)構(gòu)和無比的可靠性。μＢＧＡ封裝的材料與引腳設(shè)計(jì)的獨(dú)特系統(tǒng)是在物理上順應(yīng)的，補(bǔ)償了硅芯片與ＰＣＢ結(jié)構(gòu)的溫度膨脹系統(tǒng)的較大差別。5、安裝座計(jì)劃推薦給ＢＧＡ元件的安裝座或焊盤的幾何形狀通常是圓形的，可以調(diào)節(jié)直徑來滿足接觸點(diǎn)間隔和尺寸的變化。焊盤直徑應(yīng)該不大于封裝上接觸點(diǎn)或球的直徑，經(jīng)常比球接觸點(diǎn)規(guī)定的正常直徑?。保埃ァＴ谧詈蟠_定焊盤排列與幾何形狀之前，參考ＩＰＣ－ＳＭ－７８２第１４．０節(jié)或制造商的規(guī)格。

有兩種方法用來定義安裝座：定義焊盤或銅，定義阻焊，如圖三所示。圖三、ＢＧＡ的焊盤可以通過化學(xué)腐蝕的圖案來界定，無阻焊層或有阻焊層疊加在焊盤圓周上（阻焊層界定）。銅定義焊盤圖形－通過腐