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作者：Nexlogic Technologies公司 Syed Wasif Ali 在可制造性設計(DFM)中，PCB設計布線(xiàn)工程師會(huì )很容易地忽略咋看起來(lái)不那么重要的關(guān)鍵因素。但在后繼流程，這些因素在制造過(guò)程中發(fā)揮著(zhù)重要作用，可能成為不佳良率的根本原因。 當涉及高速PCB設計，特別是高于20GHz時(shí)，若PCB設計和制造團隊間缺乏溝通和/或彼此產(chǎn)生錯誤的預設和解讀，就可在制造過(guò)程中導致代價(jià)高昂的失敗。以下列舉了一些溝通出問(wèn)題時(shí)的真實(shí)情況，并就如何避免此類(lèi)問(wèn)題給出了一些建議。 情景1：縮小焊盤(pán)尺寸以匹配線(xiàn)寬 在此例，PCB設計師縮小了焊盤(pán)尺寸以匹配線(xiàn)寬。他雖沒(méi)有三思而行，但這種作法完全可以接受。不幸的是，他縮小的太多了，以致成為一個(gè)違反IPC(國際電子工業(yè)連接協(xié)會(huì ))約定和制造規則的災難。 其結果是在制造過(guò)程中，出現一系列問(wèn)題；特別是如圖1所示的翹脫(又稱(chēng)墓碑效應，tombstoning)現象的發(fā)生。翹脫是發(fā)生在PCB焊裝階段的一種器件焊接缺陷，由回流過(guò)程中焊料的表面張力所引起。其現象是：器件的一端翹脫、凸起、支離于PCB的銅焊盤(pán)，類(lèi)似一個(gè)突起的墓碑。 
圖1：翹脫 這是因為導線(xiàn)與焊盤(pán)粗細一樣，所以焊料流入導線(xiàn)，且在回流期間焊料有移動(dòng)。其結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％，遠低于預期的90％。 其它DFM問(wèn)題有： * 批開(kāi)放阻焊(gang relief mask)工藝造成的焊料短路 * 使用熱通孔造成焊料沿孔壁溢流 * 兩個(gè)焊盤(pán)之間阻焊不充分 實(shí)際上，PCB設計者使線(xiàn)寬粗細等同焊盤(pán)大小的決定，著(zhù)實(shí)無(wú)可厚非：在任何高速信號鏈路中，當信號路徑的幾何形狀改變時(shí)，會(huì )發(fā)生阻抗不連續的情況，從而導致信號路徑阻抗的改變。通過(guò)使用相同粗細的線(xiàn)徑和焊盤(pán)，信號通路的幾何形狀不會(huì )改變，當導線(xiàn)接入分立元件的焊盤(pán)時(shí)，阻抗的不連續問(wèn)題得以緩解。這在理論上是成立的。但在實(shí)踐中，當導線(xiàn)太細、焊盤(pán)太小時(shí)，仍采用兩者相同的策略，則會(huì )產(chǎn)生翹脫等其它類(lèi)似的制造性問(wèn)題。 具體地，在本例，扇出導線(xiàn)與焊盤(pán)尺寸相同。此處，采用一個(gè)BGA封裝，其BGA焊盤(pán)以較粗的導線(xiàn)扇出。如果它不是一個(gè)非阻焊定義(NSMD)的焊盤(pán)，則焊料就將流入從那些特定焊盤(pán)扇出的導線(xiàn)，并會(huì )在BGA器件的下方造成焊盤(pán)大小不一致，并隨后形成冷焊點(diǎn)(虛焊)或空隙，如圖所示2。
圖2：BGA內的空隙 情景2：射頻濾波器問(wèn)題 本例，高速設計包含一個(gè)專(zhuān)用、三引腳SOP封裝的射頻濾波器。在SOP的引腳間沒(méi)使用阻焊層，對這些引腳采用的是批開(kāi)放處理，批開(kāi)放阻焊（gang relieve mask）工藝是定義阻焊層的一種方法，它約定不對一組管腳進(jìn)行阻焊。其結果是一組管腳間彼此沒(méi)有阻焊隔離。這可以是刻意達成的效果，也可能是PCB設計師犯的錯。結果就是過(guò)濾器的三個(gè)管腳焊盤(pán)之間的焊錫短路。 另外，在本例中，過(guò)孔與焊盤(pán)挨得過(guò)近。事實(shí)上，過(guò)孔的一半已與焊盤(pán)重疊。這僅發(fā)生在如果通孔的焊盤(pán)是在該器件的頂部，而不是在過(guò)孔中的情況。記住這個(gè)設計禁忌：過(guò)孔絕不要與器件的焊盤(pán)重疊。 在本例中，過(guò)孔侵蝕了元件的焊盤(pán)，從而導致焊料漫溢過(guò)通孔，使元件翹脫、開(kāi)路。有幾個(gè)方法可以扇出此分立元件，以避免這種情況。著(zhù)眼于面向制造的設計，最好的辦法就是使過(guò)孔稍稍遠離焊盤(pán)，且在焊盤(pán)和過(guò)孔間放置阻焊層。 第二種方法對扇出并非理想。這里，過(guò)孔焊盤(pán)侵蝕了元件焊盤(pán)，而沒(méi)有放在孔上。結果，當過(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。第一種是把過(guò)孔直接放在焊盤(pán)頂部，并對其填充以非導電性填料。第二種方法是使過(guò)孔離焊盤(pán)再稍微遠點(diǎn)，并在過(guò)孔和焊盤(pán)間放置阻焊層。 就本具體的高速設計來(lái)說(shuō)，采用了制造商推薦的焊盤(pán)模式。問(wèn)題是，這些建議是針對小批量原型生成，而非批量生產(chǎn)的。焊盤(pán)模式是由CAD布局工具創(chuàng )建的，它通過(guò)給出器件輪廓以及可將器件管腳焊接其上的焊盤(pán)，以便可對PCB上的器件實(shí)施焊接，并將器件與PCB固接起來(lái)。 但是，當在密度非常高的PCB上，使用大量零部件時(shí)，根據組裝廠(chǎng)的建議對焊盤(pán)模式進(jìn)行修改就變得極為重要。 再有就是開(kāi)孔尺寸問(wèn)題。它必須在0.3mm以下，以便過(guò)孔可在回流工藝的剛一開(kāi)始就被封閉。理想情況，最好是過(guò)孔由導電材料封閉，但這從未出現過(guò)。對于散熱孔，0.3mm間距甚至更細是非常必要的措施，以防止焊料通過(guò)孔壁漫爬流溢。 在我們的高速設計例子中，據我們測量，OEM用的過(guò)孔約15mil（1mil=0.0254mm）大小，但理想情況是應小于8mil。因為過(guò)孔尺寸不對，在生產(chǎn)時(shí)，因孔徑過(guò)大，焊料沿孔壁漫爬溢出。這導致在該PCB設計中，對獨立SOP封裝產(chǎn)生吸抽作用，致使外設焊盤(pán)短路（圖3）。
圖3：因孔徑過(guò)大，焊料沿孔壁爬溢流出。導致對獨立SOP封裝的吸抽作用，致使外設焊盤(pán)短路。 在本高速設計中，兩個(gè)焊盤(pán)間缺乏足夠的阻焊層是第三個(gè)DFM問(wèn)題。在此，焊盤(pán)挨得非常近。結果就是，阻焊層太薄，且在整個(gè)工藝流程中都脫離掉了。結果是，焊料呈毛刺狀從一個(gè)焊盤(pán)流到另一個(gè)焊盤(pán)。后果就是，由于這條不期而至的編外毛刺，該分立元件的焊盤(pán)定義變得不一致均勻，如圖4所示。處理結果是，將該器件的焊盤(pán)變大。
圖4：阻焊毛刺。 該設計的另一個(gè)焊盤(pán)問(wèn)題是焊盤(pán)大小的不匹配，這次是在布局的電源部分。此設計使用了很小的0402(0.4mm×0.2mm)無(wú)源器件封裝，在電源設計中，不推薦使用這么小的封裝。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(稍大的公制2012封裝)。但更小就不合適了。 這樣謹慎作法是基于這樣的考慮：大多數電源布局在外層具有較大的鋪銅。在采用了0402封裝的本高速設計實(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線(xiàn)和過(guò)孔。這樣，在回流時(shí)，銅箔起著(zhù)散熱器的作用，從而在焊盤(pán)的一側生成一個(gè)冷焊點(diǎn)（虛焊）。為了緩解此問(wèn)題，最好是在焊盤(pán)與銅箔間建立熱連接。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，可以破壞對PCB實(shí)行有效的DFM原則的努力。不好的PCB布局可能會(huì )導致與焊盤(pán)定義、器件封裝、層疊、材料選擇、扇出、線(xiàn)寬和線(xiàn)間距等相關(guān)的制造和裝配問(wèn)題。例如，不好的焊盤(pán)定義可在裝配時(shí)引致開(kāi)路和短路；而若該器件封裝庫的物理尺寸不對的話(huà)，不準確的器件封裝尺寸可導致不可制造性問(wèn)題。 就層疊而言，設計師必須確保正確的均勻層疊以規避翹曲問(wèn)題。設計師還需要了解包括現場(chǎng)要求在內的對PCB材料的要求。同時(shí)，必須時(shí)刻關(guān)注扇出問(wèn)題。若處理不當，則會(huì )發(fā)生侵損導線(xiàn)的酸腐或蝕刻“魔阱”。另外，若設計得不正確，線(xiàn)寬和線(xiàn)間距是可在不同工藝流程引發(fā)短路的其它問(wèn)題。 制造階段的問(wèn)題。在PCB設計和制造流程的此階段，當少量化學(xué)物質(zhì)(通常是酸)囤積在成銳角的PCB導線(xiàn)的銳角處時(shí)，其被稱(chēng)為“酸阱”，它會(huì )導致翹曲(圖5)。當這種化學(xué)物未被清除干凈時(shí)，即使在裝配完成后，也會(huì )侵蝕導線(xiàn)；和/或產(chǎn)品在現場(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，若導線(xiàn)很細的話(huà)，它甚至也會(huì )侵蝕掉整條導線(xiàn)；在布局階段，這種侵蝕既可以早期發(fā)生在線(xiàn)寬階段，也可能稍后出現在扇出階段。 重合和寬高比問(wèn)題：當PCB有多層、且各層導線(xiàn)很細、線(xiàn)間距很窄時(shí)，很可能會(huì )引起過(guò)孔和焊盤(pán)的重合不良。制造過(guò)程中，焊盤(pán)和過(guò)孔間的這種重合問(wèn)題可能導致多個(gè)短路，甚至完全損壞PCB。
圖5：銳角走線(xiàn)，化學(xué)物得以藏身的 “酸阱”。 寬高比問(wèn)題發(fā)生在當PCB進(jìn)入計算機輔助制造(CAM)及生產(chǎn)廠(chǎng)家發(fā)現寬高比不對這一加工流程的早期階段。在本例中，孔徑極小而PCB相當厚。因此，生產(chǎn)廠(chǎng)家或面臨重大困難或根本造不出這種PCB。 銅和阻焊毛刺：如前所述，銅細毛刺的出現是因為PCB的外層是覆銅的。極細的單端銅導線(xiàn)毛刺可隨時(shí)隨地出現在PCB板上，在組裝后形成短路。 當焊盤(pán)和過(guò)孔間的阻焊不充分時(shí)，會(huì )出現阻焊毛刺。有若干原因造成這樣現象，包括不正確的布局、不正確的焊盤(pán)定義、和/或將暴露的過(guò)孔太過(guò)靠近元件焊盤(pán)等。 在布局的關(guān)鍵階段，步步為營(yíng)、層層推進(jìn) 80%的PCB布局錯誤是由不正確的零件幾何形狀或生成的物理焊盤(pán)、不好的孔定義、通孔和表貼元件間的間距不足、缺乏對關(guān)鍵部件的返修能力等原因造成的。 其結果是，PCB布局設計工程師必須小心翼翼地通過(guò)工藝流程的各個(gè)階段，以規避諸如此類(lèi)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。這樣返工就無(wú)法完成。此外，過(guò)孔或焊盤(pán)可能太靠近PCB的邊緣，這可能會(huì )導致過(guò)孔在布線(xiàn)時(shí)被切掉。 再就是放置在PCB上的基準點(diǎn)，它為每一裝配步驟提供公共測量點(diǎn)。它們允許PCB組件系統來(lái)精確對位電路圖案�；鶞庶c(diǎn)用來(lái)正確對齊SMT(表面貼裝技術(shù))焊接用攝像頭，在PCB組裝過(guò)程器件的取放階段、攝像頭用于識別及幫助將SMT器件放置在各自位置。一般情況，這些攝像頭的定位公差為+/-1mil。 若沒(méi)有基準標記點(diǎn)以允許SMT用攝像頭正確對齊，則因器件取放攝像頭與PCB之間無(wú)法對準，通常會(huì )產(chǎn)生翹脫。對管腳間距很窄的元件，PCB設計師需要確保在這些器件周邊，安放額外基準，以對SMT相機提供進(jìn)一步幫助。 如前所述，對提升BGA焊接效率，增加其焊盤(pán)間距是必要的。在使用BGA時(shí)，若PCB材料選擇不當，則因PCB和BGA間熱膨脹系數(CTE)的失配還會(huì )引發(fā)其它問(wèn)題。如果熱膨脹系數不匹配，焊點(diǎn)疲勞可導致BGA焊盤(pán)開(kāi)路。此外，使用BGA時(shí)，對稱(chēng)的PCB堆疊至關(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)，采用焊盤(pán)內過(guò)孔是PCB布局設計師必須小心應對的另一個(gè)問(wèn)題。焊盤(pán)內過(guò)孔廣為流行，尤其是對0.75mm以下更細間距的BGA來(lái)說(shuō)。與狗骨式扇出相比，焊盤(pán)內過(guò)孔提高了密度、允許使用更細間距的封裝。此外，去耦電容可以直接跨接BGA另一側的通孔，從而降低了固有感抗。 但采用焊盤(pán)內過(guò)孔有利有弊。當采用焊盤(pán)內過(guò)孔時(shí)，是用導電性和非導電材料來(lái)填充過(guò)孔，然后鍍覆。如果制造廠(chǎng)家不熟悉該工藝，可能會(huì )出現一系列問(wèn)題。特別是，會(huì )有能給組裝過(guò)程造成破壞的水氣淤積的風(fēng)險。當水氣被淤積了，回流時(shí)，過(guò)孔和焊盤(pán)可能爆裂、可能形成凹陷，它們都可以毀壞BGA焊盤(pán)。避免大量膨脹或收縮的一種流行方法，是使用可降低水氣滯留的不導電的過(guò)孔填料。 |
