電路板的尺寸規劃與控制
多層電路板是由介電層及線(xiàn)路所構成的結構性元件,而線(xiàn)路配置在介電材 料的表面及內部。在從事設計工作時(shí)必須要有共通的尺寸規劃準則,否則無(wú)法 使市面上的多數電子元件達成共通性,這樣的配線(xiàn)設計規則就是PCBA板的設計準則(Design Rule)。
1 格點(diǎn)(Grid)
因為電路板上所有的元件位置都是相對坐標關(guān)系,在原始的電路板線(xiàn)路配 置想法,是以設想的格線(xiàn)在電路板平面上分配區塊。由于電路板是先由歐美國家主導,因此早期的規格是以1/10英吋為一格的尺寸,而公制單位則以2. 5mm為一格,以英制而肓相當于lOOmil。以此為基礎,對不同的間距再作細 分,作出孔與銅墊的位置配置,這是傳統的通孔元件設計原則。但在表面組裝 方式(SMT- Surface Mount Technology)風(fēng)行后,還將孔配置在格點(diǎn)上已是 不切實(shí)際的做法。設計上雖然有格點(diǎn)存在,但實(shí)際設計幾忽已不受格點(diǎn)的限 制,孔愈來(lái)愈以導通為目的,至于盲、埋孔更與格點(diǎn)無(wú)關(guān)。
這樣的變化影響最大的部分是電氣測試,由于傳統的電子元件接點(diǎn)是以格 點(diǎn)為設計基礎,因此不論鉆孔或焊接點(diǎn)的設計都是以格點(diǎn)為基礎。因此遵循格 點(diǎn)設計的電路板都可以使用所謂的泛用治具(Universal Tool)進(jìn)行電氣測 試,但是格點(diǎn)原則被破壞后測試必須走向更密的接點(diǎn)形式,因此小量產(chǎn)品開(kāi)始 使用所謂的飛針設備(Flying Probe)測試,而大量生產(chǎn)則使用專(zhuān)用治具 (Dedicate Tool)測試。
2 線(xiàn)寬間距
細線(xiàn)設計成為高密度電路板發(fā)展的必然趨勢,但細線(xiàn)的設計必須考慮細線(xiàn) 路的電阻變化、特性阻抗變化等影響因素。線(xiàn)路間距的大小受制于介電材料的絕緣性,以有機材料而言約可選取4 mil為目標值。由于產(chǎn)品需求及制程技 術(shù)的進(jìn)展,間距約2mil甚至更小的產(chǎn)品也進(jìn)入了實(shí)際應用。面對半導體封裝 板的進(jìn)一步壓縮線(xiàn)路間距,如何保持應有的絕緣性就成為必須努力的課題,幸 好多數的高密度封裝板操作電壓也相對降低,這是值得慶幸的。
3微孔直徑與銅墊直徑尺寸
表1所示,為現行電路板規格水平。 銅墊直徑一般都設計為孔徑的2. 5?3倍之間, 在電路板以表面黏著(zhù)為主的設計時(shí),電鍍孔除 用于層間連接外仍有部分用于插件功能。
表內的結構有通孔及盲埋孔,埋在板內的孔被某些人稱(chēng)為交錯孔IVH (Interstitial Via Hole)。它是將有鍍通孔的內層板繼續壓合后,構成微 孔層間連接的電路板,這些微孔的制作以小直徑設計才能發(fā)揮節省空間的功 能。一般機械鉆孔,以制作大于8mil的孔徑較經(jīng)濟,雖然現在有號稱(chēng)可以制 作< 4 mil的產(chǎn)品,但成本過(guò)高并不實(shí)際。
受到機械孔徑及生產(chǎn)速率的限制,使用增層法的電路板不但表面孔會(huì )使用 微孔技術(shù),對內藏的通孔而言也會(huì )設計較小來(lái)提升密度??讖娇s小使線(xiàn)路配置 的自由度大增,高密度增層電路板因而得以普及。
表1 所示為現行電路板規格水平
4 層間構造
多層電路板的層數設計,主要決定于可容許的配線(xiàn)密度。以往電路板以四層板居多,主要是源自于信號線(xiàn)需要電磁遮蔽之故,并非來(lái)自于繞線(xiàn)密度需 求。由于電子元件的復雜度提高,原本的繞線(xiàn)密度及層次設計已無(wú)法滿(mǎn)足需 求,因此層次才逐步提升。但由于增加層數會(huì )增加制作成本,在初期設計時(shí)又 想要盡力降低層數。因此,使用較多微孔、細線(xiàn),仍可在有限的層數下達成元。 件連結。即便是如此,隨半導體元件的進(jìn)步神速電路板整體層數仍在逐步攀升。
在線(xiàn)路構造方面,由于電子產(chǎn)品的整體功率不斷提高、傳輸速率也不斷增 加,因此在空間有限又要保持導體截面積的狀況下,不少的設計會(huì )要求較高的 線(xiàn)路厚度但又要做較細的線(xiàn)路。對于層間介電層厚度控制及其容許誤差等也有 較嚴苛的限制,因此內層基材及膠片的配置就會(huì )變得十分重要。一般電路板的 壓合結構都會(huì )探用對稱(chēng)設計,這是為了降低應力不均所作的考慮。圖1所示為典型的多層板結構。
圖1 所示為典型的多層板結構
對電氣特性要求嚴格的產(chǎn)品,正確整合特性阻抗、電源與接地層的層間厚 度容許公差都會(huì )變得更嚴苛。因此不少的制作程序是將關(guān)鍵的厚度層次以基材 先作出來(lái),而較不重要的層次則交給膠片來(lái)完成,因為基材事先已硬化可以用 篩選的方式挑選合于規格的基材制作,因此可以提升良率及電氣表現。
在設計高密度增層電路板時(shí),要依據繞線(xiàn)密度決定線(xiàn)路層數,而以電氣特性決定布線(xiàn)方式、層間厚度、線(xiàn)路寬度厚度。為防止板彎板翹,盡量探用對稱(chēng) 壓合設計。一般高密度增層板的電源及接地層多數會(huì )設在內層硬板上,信號層 則以增層線(xiàn)路制作以整合阻抗特性,但對更高層次的產(chǎn)品則未必遵循此規則。