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可製造性設計導入PCB開發

上網時間: 2014年09月03日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:可製造性設計  DFM  PCB  阻焊層  PCB佈局 

作者:Syed Wasif Ali,Nexlogic Technologies佈局工程師

可製造性設計(DFM)中,PCB設計佈局工程師很容易就會忽略掉乍看之下不那麼重要的關鍵因素。但在後續的流程中,這些因素在製造過程中發揮著重要作用,可能成為良率不佳的根本原因。

當涉及高速PCB設計,特別是高於20GHz時,如果PCB設計和製造團隊之間缺乏溝通和/或彼此產生錯誤的預設和解讀,就可能在製造過程中導致代價高昂的失敗。以下列舉了一些溝通出問題時的實際情況,並就如何避免這一類問題提出建議。

情景1:縮小焊墊尺寸以匹配線寬

PCB設計者縮小了焊墊尺寸以匹配線寬。他雖沒有三思而行,但這種作法完全可以接受。遺憾的是他過度縮小了焊墊,以致於違反IPC(國際電子產業連接協會)的規定和製造規則。

其結果是在製造過程中出現一連串的問題。特別是如圖1所示的翹脫(又稱墓碑效應,tombstoning)現象的發生。翹脫是發生在PCB組裝階段的一種元件焊接缺陷,由回流焊過程中焊料的表面張力所引起。其現象是元件的一端從PCB的銅墊上翹脫與凸起,類似一個突起的墓碑。

翹脫(墓碑效應)
圖1:翹脫(墓碑效應)。

這種情形的發生是因為導線與焊墊粗細一樣,所以焊料流入導線,且在回流焊時發生移動。其結果就造成焊墊大小的不匹配。加上其它DFM問題,使良率低於60%,遠低於預期的90%。其它DFM問題包括成批開放阻焊(gang relief mask)製程造成的焊料短路、使用熱穿孔造成焊料沿孔壁溢流,以及兩個焊墊之間阻焊不充分等。

實際上,PCB設計者決定使線寬等同於焊墊尺寸的決定也無可厚非:在任何高速訊號鏈路中,當訊號路徑的幾何形狀改變時,會發生阻抗不連續的情況,因而導致訊號路徑阻抗的改變。透過使用相同粗細的線寬和焊墊,訊號通路的幾何形狀不會改變,當導線接取分離元件的焊墊時,得以緩解阻抗的不連續問題。這在理論上是成立的。但事實上,當導線太細、焊墊太小時,如果仍然採用兩者相同的策略,則會產生翹脫等其它類似的組裝問題。

在本例中,扇出導線與焊墊尺寸相同。此處採用一個BGA封裝,其BGA焊墊以較粗的導線扇出。如果它不是一個非阻焊定義(NSMD)的焊墊,焊料將會流入從那些特定焊墊扇出的導線,並在BGA元件的下方造成焊墊大小不一致,從而導致冷焊點(虛焊)或空隙,如圖所示2。

BGA內的空隙
圖2:BGA內的空隙

情景2:射頻濾波器問題

在此例中,高速設計包含一個專用、三接腳SOP封裝的射頻濾波器。在SOP的接腳間並未使用阻焊層,對於這些接腳採用的是成批開放阻焊製程──這是定義阻焊層的一種方法,避免針對一組接腳進行阻焊。其結果是一組接腳之間彼此並未阻焊隔離。這可以是刻意達成的效果,也可能是PCB設計師犯的錯。最後導致濾波器的三個接腳焊墊之間發生焊錫短路。

此外,過孔與焊墊也挨得過近。事實上,過孔的一半已經與焊墊重疊了。這僅發生在如果過孔的焊墊存在該元件的頂部時,而不是在過孔上。記住這個設計禁忌:過孔絕對不能與元件的焊墊重疊。

過孔侵蝕元件的焊墊將會導致焊料漫溢過穿孔,使元件翹脫、斷開。有幾個方法可以扇出此分離元件,以避免這種情況。著眼於可製造性設計,最好的辦法就是使過孔稍稍遠離焊墊,並且在焊墊和過孔之間放置阻焊層。

第二種方法對扇出並不理想。在此,過孔焊墊侵蝕了元件焊墊,而非過孔上。結果當過孔被塗覆時,焊料浸溢過孔壁的可能性降低。有兩種方法來解決此問題。第一是把過孔直接放在焊墊頂部,並以非導電性填料進行填充。第二種方法是使過孔距離焊墊再稍微遠點,並在過孔和焊墊之間放置阻焊層。

就此高速設計來說,它採用了製造商推薦的焊墊模式。問題是這些建議是針對少量原型而設計,並不適用於量產。焊墊模式是由CAD佈局工具製作的,它利用元件封裝以及可將元件接腳焊接其上的焊墊,為PCB上的元件進行焊接,並將元件與PCB固接起來。但是,在密度非常高的PCB上,使用大量元件時,根據組裝廠的建議對焊墊模式進行修改就變得極為重要。

此外,還有過孔尺寸問題。它必須在0.3mm以下,以便使過孔可在回流焊製程一開始時就被封閉。理想情況是最好以導電材料封閉過孔,但這並不容易實現。對於散熱孔,0.3mm間距甚至更細是非常必要的措施,才能防止焊料通過孔壁漫爬流溢。

在此高速設計示例,根據我們測量OEM用的過孔約15mil(1mil=0.0254mm)大小,但理想情況應小於8mil。因為過孔尺寸不對,在生產時就會因為孔徑過大,焊料沿孔壁漫爬溢出。這導致在該PCB設計中,對獨立SOP封裝產生吸抽作用,致使週邊設備焊墊短路(圖3)。

因孔徑過大,焊料沿孔壁爬溢流出
圖3:因孔徑過大,焊料沿孔壁爬溢流出,導致在SOP封裝上產生吸抽作用,並使得週邊設備焊墊短路。

(下一頁繼續:阻焊層突波)


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