郭達(dá)文 李冬艷 孫 劼
(江西紅板科技股份有限公司,江西 吉安 343100)
隨著5G技術(shù)及產(chǎn)品的出現(xiàn),智能移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)對(duì)印制電路板(PCB)的要求也在不斷提升,PCB行業(yè)的發(fā)展也面臨新的挑戰(zhàn),SAP(半加成法)、mSAP(改進(jìn)半加成法)技術(shù)相應(yīng)產(chǎn)生。隨著PCB設(shè)計(jì)的高密度化逐漸向高階HDI(高密度互連)和任意互連HDI板方向發(fā)展,使得線密集化和微孔化已逼近設(shè)計(jì)“極限化”[1]。PCB設(shè)計(jì)是以電路原理圖為依據(jù),實(shí)現(xiàn)PCB設(shè)計(jì)者所需要的功能。PCB的設(shè)計(jì)主要是指電路圖設(shè)計(jì),在設(shè)計(jì)時(shí)得考慮電子元器件的布局和走線、通孔的布局、外部連接的布局、電磁保護(hù)等因素[2]。PCB是由許多“層”組成,疊層是PCB設(shè)計(jì)的重要輸出。PCB制造工廠的工程師,我們不是PCB的真正設(shè)計(jì)者,但我們也不能僅僅只是根據(jù)設(shè)計(jì)者提供的疊層信息,設(shè)計(jì)出制造流程,實(shí)現(xiàn)客戶需求,還更應(yīng)該根據(jù)PCB行業(yè)特征及制造能力去間接參與設(shè)計(jì),從客戶研發(fā)端開始,設(shè)計(jì)出更加合理的疊層,從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率、低成本的生產(chǎn)設(shè)計(jì),促進(jìn)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈健康發(fā)展。
智能移動(dòng)通信終端用PCB主要是HDI板,以下對(duì)這類HDI板為例的疊層設(shè)計(jì)談一些看法。
疊層是PCB設(shè)計(jì)和制作的核心,疊層中含有PCB制作過程中所需要主要的信息,PCB的制作工藝流程都是圍繞疊層來進(jìn)行的。一個(gè)完整的智能移動(dòng)通信用PCB疊層主要包含以下信息:
1.1.1 層別信息
疊層中包括PCB的層數(shù)、每層的銅厚、層與層之間絕緣層的厚度、阻焊層的厚度,完成板的厚度要求等層別信息。
1.1.2 孔位置信息
埋孔、通孔、盲孔的位置,根據(jù)盲孔的位置可以判斷板的階數(shù),也可以根據(jù)埋孔、通孔、盲孔在層間連通的位置來設(shè)計(jì)制造工藝流程。
1.1.3 阻抗相關(guān)信息
疊層中有對(duì)應(yīng)層的阻抗值要求、阻抗線寬線距設(shè)計(jì)理論值等信息。
1.1.4 材料信息
疊層中的PP規(guī)格、厚度、阻抗值可以推算出材料的Er(介電常數(shù))值,這是我們選擇材料的基本依據(jù)。
疊層中包含層別信息、孔位置分布、阻抗相關(guān)影響以及材料信息,PCB工程師根據(jù)這些信息來進(jìn)行材料選擇、工藝流程設(shè)計(jì)。如圖1所示為一個(gè)十層二階HDI疊層結(jié)構(gòu)。
圖1 HDI板疊層結(jié)構(gòu)例圖
5G時(shí)代移動(dòng)通信終端用PCB的主要特點(diǎn)是高密度、高頻高速、高發(fā)熱,這對(duì)電路板材料的選擇、電路板的設(shè)計(jì)和制造工藝提出了挑戰(zhàn)[3]。隨著電子產(chǎn)品不斷地向小型化和多功能化方向發(fā)展,智能移動(dòng)通信用PCB都是二階以上HDI板,任意層互連結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也逐漸成為智能手機(jī)、平板電腦等智能移動(dòng)互聯(lián)終端產(chǎn)品的主流設(shè)計(jì)。其疊層設(shè)計(jì)主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)。
1.2.1 薄
首先根據(jù)疊層設(shè)計(jì),內(nèi)層芯板比較薄,大多需要使用包銅厚度0.05 mm及以下基板;另外疊層設(shè)計(jì)中所用的PP厚度比較薄,需要使用106#及更薄規(guī)格的PP。HDI板大多為8~14層板,完成PCB的厚度通常也只有0.6~0.8 mm,甚至更薄。
1.2.2 高
智能移動(dòng)通信用PCB通常為高階的HDI板,有任意層互連設(shè)計(jì),其對(duì)工藝生產(chǎn)能力要求較高。作為通信用PCB,對(duì)信號(hào)傳輸要求較高,故對(duì)阻抗的一致性要求也更高。
1.2.3 密
高密度是HDI板的一個(gè)顯著特征,高密度設(shè)計(jì)不僅可以縮短信號(hào)的傳輸距離,降低電容和電感產(chǎn)生的損耗;還可以節(jié)約電能消耗,提升設(shè)備續(xù)航能力。智能移動(dòng)通信用PCB線路設(shè)計(jì)越細(xì)越密,相應(yīng)器件的焊盤和間距也越來越小,PCB制造的難度也隨之增加,SAP、mSAP等技術(shù)正因此而衍生發(fā)展。
材料的選擇是PCB工程師技術(shù)水平的體現(xiàn)之一,選擇好材料不僅降低生產(chǎn)成本,更能提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率。智能移動(dòng)通信產(chǎn)品(如手機(jī))更新?lián)Q代比較快,周期相對(duì)較短,對(duì)PCB的交期時(shí)間要更短。故在選擇材料時(shí)候既要考慮滿足客戶的性能要求,還要考慮材料采購(gòu)、倉(cāng)儲(chǔ)等因素。在滿足客戶要求的前提下,盡量選擇常用規(guī)格的覆銅板和PP;特別是PP的選擇,應(yīng)該盡量保證選擇多樣性的前提下,減少PP的種類,利于材料的通用性和一致性。
首先要結(jié)合PCB的交期短、持續(xù)批量較小等特點(diǎn),設(shè)計(jì)出適合本廠標(biāo)準(zhǔn)的常用疊層(如10層0.6 mm、12層0.8 mm等),在滿足客戶需求的前提下,確定幾種規(guī)格的覆銅板和PP作為常備物料。然后與客戶協(xié)商(特別是長(zhǎng)期戰(zhàn)略合作客戶),在電路原理圖設(shè)計(jì)時(shí)直接參考使用標(biāo)準(zhǔn)常用疊層,減少備料時(shí)間,縮短交貨時(shí)間。
制定標(biāo)準(zhǔn)常用疊層,選定常用物料,對(duì)工廠物料管控以及倉(cāng)儲(chǔ)等成本有著非常重要的作用,在一定程度也可以減少物料用錯(cuò)。以十層二階HDI疊層結(jié)構(gòu)為例(圖1),所有絕緣層均選用106#RC75%的PP,倉(cāng)儲(chǔ)物料種類少,易于管控。若一個(gè)疊層中使用多種PP(106#RC75%、1080#RC65%、2116#RC51%),不僅倉(cāng)儲(chǔ)物料種類的管控成本增加,還造成產(chǎn)線PP種類多,增加PP放錯(cuò)位置等錯(cuò)誤出現(xiàn)的概率。
設(shè)計(jì)好的疊層,必須和PCB制造的工藝流程相匹配才是好的疊層,這也是我們?cè)O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)常用疊層的另一目的。
疊層結(jié)構(gòu)中“縱橫交錯(cuò)”,縱向(Z軸)通過不同的孔進(jìn)行導(dǎo)通,要根據(jù)埋孔所在層別確定芯板層、第一次壓合層別,再根據(jù)盲孔所在層別確定后續(xù)層別的壓合;同時(shí)還要根據(jù)電鍍銅工藝的縱橫比(孔銅和面銅的比值)來計(jì)算每層能夠做到的銅厚,從而確定壓合時(shí)需要用到的銅箔厚度。橫向(X、Y軸)是每層完成的銅厚(基銅+電鍍銅)與線寬線距的匹配關(guān)系,完成銅厚直接決定線寬線距的制作能力及需要采用的工藝流程。只有與工藝相匹配的疊層,才能有更好的PCB制造過程,才有更高的制造良率。
智能移動(dòng)通信用PCB 對(duì)信號(hào)傳輸要求較高,對(duì)阻抗的一致性要求也更高,特別是一些信號(hào)管控較高的阻抗,如50Ω的特性阻抗,阻抗公差要求已經(jīng)由正常的±10%加嚴(yán)到±6%,即(50±3)Ω。
阻抗的主要影響因素是絕緣介質(zhì)層厚度、銅厚、線寬線距。故疊層設(shè)計(jì)時(shí),根據(jù)材料電氣特性,以及每層圖形完成的銅厚、絕緣層厚度等參數(shù),計(jì)算阻抗值。通過調(diào)整對(duì)應(yīng)線寬線距將理論的阻抗值設(shè)計(jì)到客戶要求的中值。
隨著科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展,現(xiàn)在不但物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)和理念體現(xiàn)在終端的發(fā)展上,用戶對(duì)新應(yīng)用、新體驗(yàn)的需求也集中體現(xiàn)在智能終端機(jī)上,終端發(fā)展前景越來越明朗[4]。疊層設(shè)計(jì)是PCB制造設(shè)計(jì)的起始步驟,做好智能移動(dòng)通信終端用PCB疊層設(shè)計(jì),起著開好頭的重要作用。本文針對(duì)智能移動(dòng)通信用PCB特點(diǎn),從疊層設(shè)計(jì)、選材、工藝匹配等做了初步思考闡釋。