微型PCB设计和制造的11个技巧

2021-04-26

微型PCB设计和制造的11个技巧

电子世界即将爆炸，或者我应该说“内爆”，其定义是“向内猛烈崩溃”。这种内爆将由电子产品的大幅减小尺寸或电子产品功能的巨大改进所驱动，从而导致印刷电路板的小型化。这里有一些技巧，可以帮助您了解如何处理微型PCB的设计和制造。

如今，基本电路板的尺寸减小将使设计人员能够将其PCB的尺寸减小一半，或者减小到原始尺寸的四分之一。我们之所以说“今天”，是因为在撰写本文时，我知道有几家公司开始涉足微电子印刷电路领域。过去设计师无法使用的非常细的线现在将成为主流，而原来的绝对最小线宽75微米（3密耳）逐渐减小到30微米（1.2密耳）或更小。

对于较小的走线和过孔，需要新的设计规则，因为印刷电路板的制造方法完全不同且先进。微电子印刷电路制造商无法使用标准的旧干膜，印版和蚀刻工艺来可靠地制造75微米以下的线。光刻是产生这些非常细的线条和空间的一种选择方法。转向较小的线宽可能会使相当多的“陷在泥里”的老式印刷电路制造商措手不及，这些制造商现在甚至不提供3密耳的电阻。为了在不久的将来具有竞争力，PCB车间将需要提供至少50微米的线和空间，甚至低至30微米。

微型PCB制造商群体

精细微电路的制造商分为四组。第一组主要是亚洲人，拥有一到两个美国俘虏的大批量电子制造商，它们为手机或iPod开发了独特的细线工艺，可跟踪40-50微米的痕迹。第二组是数量有限的研发公司，仅在Kapton上制造少量的非常细的线路，其细线小于40微米，这些线路仅在Kapton上建造，成本高，交货期长达三个月且产量小。

第三集团正在以最快的速度扩展中型印刷电路公司，这些公司提供较小的生产数量，线宽为75至40微米，几周之内即可生产成千上万的产品。最后，第四组是正常的细线印刷电路板生产，尺寸为125至75微米，具有大批量生产和众多参与者。我们将自己置于第五集团。我们已经开发出一种新的制造技术，能够在FR4或Kapton上形成30微米的线和间距。我们在开发中的时间也小于20微米，并希望在2008年第二季度提供此功能。

随着微电子业务的扩展以及越来越多的印刷电路公司发现制造40微米及以下的非常细的线所必需的技术，设计人员将需要熟悉新的设计规则以及微电路制造的优点和缺点。

如何设计微型PCB

出于明显的原因，非常细的30微米线不能使用普通的1盎司铜。当我们减小线宽时，我们必须减小厚度。在Sierra Circuits，我们使用18微米厚的铜制造了25微米的生产线，但这大约是上限。除非您的设计使用较大的电流，否则较细的铜走线应该不是问题，在这种情况下，可以将特定的走线做得更宽以处理更大的电流。30微米的生产线坚固而可靠，但是，它不会遭受太多的物理虐待，而通过使用典型的阻焊膜几乎可以消除这种滥用。

细线可能会使许多设计人员担心，但是，他们需要实现目前开始使用的200微米宽的线迹，并将其减少到将芯片连接到芯片载体的25至13微米的铝或金圆线。细线被封装在多层的内层中或通过阻焊剂封装，这意味着它们实际上被锁定了。已经开发了将铜附着到电路板表面的新方法，这些新方法用于改善微迹线的整体附着力到表面。我们有一个带有40微米迹线的示例板，没有阻焊层，我们允许客户用指甲刮擦。到目前为止，还没有人留下任何痕迹。

前几个微设计从30微米迹线到焊盘都有很大的圆角。随着时间的流逝，事实证明它是不必要的。将走线直接布线到焊盘非常牢固可靠。额外的鱼片刚刚被证明会增加图像写入时间和成本。

小通孔：微型通孔的尺寸存在物理限制。低于50微米（2密耳）时，电镀液将无法正确地电镀孔壁，从而导致过孔质量变差。我们的激光器可以钻出小至20微米的孔，但我们不能电镀它们。层压板的厚度控制通孔的最小直径，对于电镀微通孔，上限为2：1。

例如，就电镀而言，3密耳的微通孔仅限于6密耳厚的层压板。我们的Yag激光器可以钻通孔的深度也有一个限制。随着直径减小，穿透层压材料以形成清洁孔的能力也随之降低。3密耳的通孔在FR4中的深度限制为4到5密耳，而在HDI应用中使用的无玻璃层压板中则为6到7密耳。关于微孔的一切并不一定是坏的。微孔可能无法像痕迹一样小，但是我们可以在锅中添加甜味剂，因为微孔周围的环形圈会明显变小。

当我们生产第一个微型PCB时，我们注意到的第一件事是通孔在焊盘中居中。该设计使用了一个9密耳的焊盘和一个3密耳的通孔，对于传统的印刷电路工程来说，该通孔是紧密的。新的，更精确的激光制造方法将允许小至5密耳的焊盘和3密耳的通孔，从而节省了大量的电路板面积。

使用新的微电路设计技术而非常规的印刷电路技术可节省大量空间。如今，典型的75微米线宽的最佳间距约为.5mm，通过75微米线和250微米（10密耳）的焊盘可得到75微米（3密耳）。垫片之间的间距为225微米（9密耳），垫片之间仅允许一条75微米的线，对于大多数商店来说，这种最小规格是很难的。

微型PCB设计准则

利用3密耳过孔，5密耳，30微米线和30微米间距的微电路技术可产生0.2mm的间距布局。

与标准的3密耳印刷电路板布局相比，微电路技术可将使用的面积减少五倍。在以后的文章中，我们将讨论减少所需组件面积的想法。但是，即使使用相同的组件，仅切换到30微米线和更小的焊盘也将显着减小电路板面积。

布线时，请使用相同的技术，但是在转弯时尝试使线倾斜，而不要使用90度的转弯。拐角处的斜线将拐角应力分布在更大的区域上。

1. Microvias

当利用添加在多层板顶部或作为所有HDI多层的HDI技术层时，微通孔可用于连接薄层之间。可以钻出直径为5.9密耳的通孔，最大厚度为60密耳，或者可以钻出直径为2-3密耳的激光孔，但只能在2-4密耳厚的HDI层压板上。请记住，与激光创建的孔相比，钻孔的漂移很大，这限制了焊盘到孔的大小。对于钻孔，请使用12 mil的焊盘和6 mil的孔，而对于激光钻孔的微孔，可以将5 mil的焊盘与3 mil的通孔一起使用。

2.孔尺寸

尽管看起来很明显，但值得重申：传统PCB设计的每个元素都需要进行调整，以适应更小的微型尺寸。对于熟悉传统PCB设计的PCB布局工程师而言，这可能是一个挑战。我们在该区域看到的最常见的错误是过大的孔。实际上，微型PCB设计应具有激光微型通孔，以在基板层之间互连。如果设计中的孔过大（通常如此），将导致微型PCB效果欠佳甚至无法正常工作。

这再次回到了与合适的微型PCB制造商合作的重要性。当PCB公司作为合作伙伴时，您将有一位专家可以在PCB工艺的每个步骤中寻求帮助，以确保您的微型PCB设计满足所有必要的要求。

3.铜厚度

正常的3密耳细线电路是1盎司铜，微电路每30微米宽度使用oz。常规图案电镀用于制造微电路，这意味着迹线不必从电路引出到电镀总线，图案电镀连接到整个电路，而引线键合电镀是化学的或电气的。

4.可靠性

大多数普通的印刷电路板都可以用于HDI或微电路，但都有局限性。微型单面和双面电路可以由刚性FR4型层压板制成，但是它们需要很薄才能留出微型通孔。

5.电气测试

目前，飞行探针或什至是刚性探针（钉床）技术的下限为2-3密耳。我们期望随着时间的推移，它会降低，因为必要时需要更小的平台。如果您的微电路具有较小的点，例如边缘条连接器，则将线从电路延伸到3-4 mil焊盘是明智的。

6.阻焊膜

不幸的是，允许我们制造30微米线的成像技术还没有转移到阻焊膜上。75微米的位置精度以及图像分辨率仍然是极限。

7.识别标记

典型的丝网印刷图像精度对于微电路而言太大。Sierra Proto使用非常精细的喷墨打印机，这会导致非常小的识别标记分辨率。

8.安全标记

可以将非常小的单个条形码成像到阻焊膜中，以正确识别印刷电路板。条形码是如此之小，以至于人眼几乎看不见。

9.最终完成

可以提供普通的印刷电路板饰面。大多数微电路使用可焊线的软金，浸锡或银。

10.了解制造商的能力

到目前为止，无论您要开发微电子的具体应用或类型如何，这都是进行微型PCB设计时采取的最重要的步骤。

在开始任何PCB设计工作时，本技巧都非常重要。但是，了解它们的功能和服务对于微型PCB尤其重要。对于一家从未从事过微型PCB设计的公司，或者从未与指定的PCB制造公司合作过此类产品的公司，这是至关重要的。

原因很简单：微型PCB的制造能力在一家PCB制造商与另一家PCB制造商之间差异很大。实际上，微型PCB仍相当新，而且足够复杂，以至于许多PCB制造商将提供有限的微电子功能或支持。为了证明微型PCB设计成功，您需要确保制造商能够满足您的基本要求。

请记住，您的设计需求必须符合其准则。如果您将制造商无法满足的元素纳入设计中，则需要进行返工。这将导致延误，减慢周转时间和上市速度。

11.与工程师对话

尽早且最好在整个设计过程中，与PCB制造厂的工程师联系并讨论您的下一个项目。

考虑到以下事实，这一点尤其重要：微型PCB正在向无数在该领域几乎没有经验的组织开放微电子领域。例如，一家专门从事血液测试设备的公司可能会对开发这种设备的微型版本感兴趣，该设备需要少量的血液进行分析。这是微型PCB潜力的完美例子，但是在这种情况下，该公司可能没有过去从事微型PCB设计工作的员工的PCB布局工程师。

这就是为什么与在微型PCB设计过程的每个步骤中由其自己的工程师提供指导的电路板车间合作至关重要的原因。尽管一些PCB制造商（例如Sierra Circuits）为所有客户提供了这种服务水平，但许多公司却没有。如果微型PCB制造商不为从事微型PCB设计的客户提供工程师主导的支持和专业知识，则您的公司可能应该在设计过程的早期就寻找其他地方。