大密度PCB的HDI叠层设计分析

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大密度PCB的HDI叠层设计分析

      对更高功能和更小尺寸的不断增长的需求要求Rush PCB将诸如高速或高功率的能力适合于小而且通常形状奇特的空间。原因可能是添加新功能或在基于模块或定制PCB设计之间进行选择。通常情况下,挑战可能会导致更好的结果或找到新解决方案的突破。

通过明智地选择合同制造商,您可以将您的电路板制造和PCB组装引导到最佳路径。但是,这需要首先指定电路板要求,这又取决于PCB的电气,机械,热和化学特性。此外,制造特殊板类型可以并且经常会影响周转时间和成本。

 

电气特性

作为合同制造商,Rush PCB提供了一系列PCB材料。虽然可以从推荐的列表中找到符合您特定属性的合适电路板,但有时设计可能会要求电路板的要求超出常用的电路板。要告知我们特殊要求,您需要将它们定义为特定的板属性。虽然其中一些属性与一般安全性和可靠性有关,但其他属性定义了电路板在高速或高频下的运行情况:

一般安全性和可靠性

  • 电气强度 – 在PCB的z轴上测量,这是介电材料抵抗电击穿的能力。PCB通常具有800至1500V / mil的电气强度。
  • 体积电阻率 – 这是PCB的介电材料抵抗电流流过它的能力。高度依赖于湿度和环境温度变化的存在,通常用于印刷电路板具有10之间的体积电阻率3和10 10 MΩ-cm的。
  • 表面电阻率 – 这是PCB的介电材料抵抗沿其表面流动的电流的能力。水分,极端温度和表面污染物的存在会影响这种能力,降低能力。对于PCB材料常用的值是10之间3和10 9 MΩ/平方

高速/频率下的电路板功能

  • 导体损耗 – 这是沿导体或迹线的信号衰减。对于DC信号,导体损耗直接与迹线的电阻有关。对于AC或高频信号,它取决于信号的频率。
  • 介电损耗 – 介质中损失的能量。根据层压板的介电常数及其损耗因数,它在高频率下支配PCB性能。对于通用PCB材料,介电损耗约为0.02,而对于高端材料,介电损耗约为0.001。虽然对高频模拟信号有影响,但它会影响频率超过1 GHz的数字信号。
  • 耗散因数 – 电介质从通过材料的电磁场吸收的AC能量。该参数在最小化信号失真和保持信号完整性时提供了对PCB材料行为的重要见解。
  • 介电常数 – 也称为PCB层压板的相对介电常数,是高频性能的关键因素。对于大多数PCB材料,介电常数在2.4至4.5的范围内。适用于高频应用的材料需要在覆盖100MHz至几GHz的宽频率范围内保持相对不变的介电常数。

机械性能

虽然Rush PCB可以满足PCB最常见的宽度,长度和厚度要求,但我们也可以满足您定义的大多数形状。但是,您必须定义某些参数,因为这些参数会影响产品的功能:

  • 弯曲或弯曲强度 – 适用于柔性或刚挠性板,这是PCB材料在压裂前在物理应力下弯曲的能力。它以千克每平方米或磅每平方英寸来衡量。
  • 铜剥离强度 – 这定义了PCB中铜层与电介质结合的能力。高温下的热应力以及暴露于湿气和化学物质可能会影响铜剥离强度。
  • 叠加 – 这是包含PCB的层数。电路的密度定义了叠层,层数可能会受到您采用的技术的影响,例如HDI和微通孔。
  • 分层时间 – 当PCB暴露在超过某个阈值的温度时,这是层彼此分离所需的时间。当PCB暴露在潮湿环境中时也会发生分层。
  • 表面处理 – 定义表面光洁度非常重要,因为它取决于电路板的工作环境。您可以从各种可用选项中进行选择。

热性能

热量的应用对PCB组装至关重要。因此,PCB材料的热性能会显着影响电路板的制造。此外,热性能是决定电路板在极端温度环境中性能的主要因素。

  • 热膨胀系数 – PCB材料随温度变化膨胀或收缩的速率。除非匹配,否则衬底可以比铜迹线更快地膨胀或收缩,这可能导致连接问题。
  • 导热系数 – PCB材料导热的速率。当船上存在发热组件时,这是一个需要考虑的重要因素。
  • 玻璃化转变温度 – 当温度高于某个阈值时,PCB材料会软化,但在移除热源时会硬化回其自然状态。发生这种情况的温度是玻璃化转变温度,对PCB烘烤和组装很重要。
  • 分解温度 – 超过一定的高温,PCB材料将开始分解,不可逆转地损失其总质量的约5%。该温度是分解温度。对于回流焊,焊接温度范围通常在200°C和250°C之间。理想情况下,PCB基板的玻璃化转变温度应低于此范围,并且其分解温度应高于此值。

化学性质

在制造和组装过程中,PCB材料需要使用多种化学品进行清洁和保护。这些化学品必须不会降低介电材料的性能或改变其电气和机械性能。

  • 易燃性 – 多氯联苯中使用的材料必须具有阻燃性,这意味着即使这些材料由于某种原因起火也不能支持燃烧。美国保险商实验室或UL94规定了塑料的阻燃性能,从最高到最低排名。根据UL94标准,样品燃烧时不得燃烧超过10秒。
  • 吸湿性 – 大多数PCB材料的吸湿值介于0.01和0.20%之间,这是PCB材料浸没时吸收的液体量。材料吸收的水分量会影响其电气和热性能。
  • 耐氯甲烷 – PCB表面在组装期间和组装后会受到不同的清洁溶液的影响。通过测试其对甲基氯的吸收来测量其抵抗这些化学品的能力。PCB介电材料通常表现出1.0%至0.2%的氯化甲基电阻。

优化PCB的制造工艺

您的一些特殊要求将需要额外的周转时间,或者需要额外的费用。例如,迹线宽度小于0.003英寸,重铜重量大于2盎司,叠加大于8层,表面光洁度需要额外的周转时间以及增加的成本。

指定FR4以外的材料很可能不会增加周转时间,但可能需要额外的成本。同样,尺寸大于6英寸x 6英寸,轻质铜重量小于0.5盎司。可能只涉及额外费用,但可能不会增加周转时间。

根据您的要求,在设计PCB时,必须选择最佳的基板和铜线。这是因为我们使用的材料将定义所有PCB类型的属性。与我们讨论PCB板材料选择将决定我们是否能满足您的要求。此外,某些最佳实践有助于选择基板材料和铜的最佳组合,确保可靠和高质量的产品。

匹配介电常数 – 必须匹配PCB中不同电介质的介电常数以避免问题。

匹配热膨胀系数 – 两个基板之间的CTE必须匹配,以允许它们一致地膨胀或收缩。基板和铜层之间的CTE也必须匹配,以防止扩展时的电气不连续性。

使用平滑箔 – 这在高频时尤其有用,因为铝箔平滑度有助于减轻此类频率下的损耗。

使用具有良好导电性的 – 正确的导电性可以帮助降低发热量并确保正确消散。

结论

PCB性能主要取决于其质量。我们通过提供高质量,匹配良好的成分来确保质量。质量好的基材并不便宜,如果您愿意正确投资,那么您的产品质量就会越来越高。

大密集PCB的HDI层叠层设计

大型密集印刷电路板(PCB)的初始设计工作,尤其是高密度互连(HDI)类型,要求设计人员定义适当的叠层。使用多个大而密集的球栅阵列(BGA)的HDI PCB受益于适当关注PCB叠层设计,因为这样可以创建有效的电路板。

在设计HDI层叠时,有必要咨询您的供应商,因为这有助于最大限度地降低成本并满足信号完整性的要求。在制造过程中,供应商必须调整叠加变量,以满足您的成本,可靠性,总厚度和阻抗控制的目标。当您和供应商在设计电路板之前都同意HDI层叠层时,制造商只需要进行最小程度的调整即可满足您的要求。除非您在与供应商协商后定义初始堆叠,否则制造商可能无法通过较小的可接受调整来满足您的总体要求。

叠加设计会影响信号完整性

由于叠层设计会影响信号完整性,因此设计人员必须将PCB叠层设计视为其初始设计活动中最重要的一个方面。主要原因是PCB的制造工艺不够精确,无法与您可能仔细定义的材料选择,走线宽度,电介质和铜厚度相匹配。此外,供应商通常有不同的设备和方法。

图1:具有不同过孔的PCB堆叠示例

如果材料不易获得或有库存,则制造商可能必须更换材料。可靠的供应商需要进行适当的组合和过程中的调整,以便在所有区域中累加的公差能够满足您的规格要求,尤其是在测量试样上的阻抗时。为满足阻抗要求,您的供应商可能必须对材料厚度和走线宽度进行微小更改。

HDI层叠加的首选项

对于具有多个高引脚数BGA的电路板,您可以使用带过孔的标准层压PCB,盲孔和埋孔过孔的顺序层压,或带有微过孔的PCB叠层。虽然第一种类型具有几个优点,例如低成本,简单的通孔模型,以及熟悉且成熟的制造工艺的高可靠性,但遗憾的是它仅限于低层数。更简单的制造工艺还倾向于使通孔的直径变大,降低了布线能力,并迫使设计者增加层数。

使用具有盲孔和埋孔的顺序层压的第二类叠层通常具有具有较低纵横比的简单通孔,允许较小的孔尺寸。虽然这提高了布线能力,但该过程仍然不允许减少走线宽度,导致只有少数制造商采用该工艺,而最喜欢HDI PCB工艺

使用微通孔的第三种叠层是HDI PCB技术,其中制造商使用激光束形成非常小直径的通孔,也称为微通孔。因此,该技术还允许通孔和走线的非常小的功能,实现非常高的布线密度和更少的层。设计人员可以叠加或错开微通孔,除了打开布线通道外,这是目前唯一可用于设计多个0.8 mm或更低间距的大型BGA的实用方法。

图2:HDI Stackup IPC Type III

采用HDI技术的适当PCB叠层设计不仅可以改善信号和电源完整性,而且可以为高密度电路板提供最低成本。HDI技术中使用的材料更适合用于需要无铅焊接和RoHS的工艺。

目前,大多数手持和消费电子制造商更喜欢HDI技术,因为这是高层数顺序层压或昂贵的标准层压板的最佳替代品。尤其如此,因为趋势更倾向于更精细的间距和更高的引脚数组件,如BGA,LQFP和CSP。

印刷电路协会(IPC)与日本印刷电路协会合作,提供IPC / JPCA-2315等标准,提供有关HDI和微通道设计规则及其结构的简易教程。它还提供材料选择方面的建议,设计  高密度互连PCB时的注意事项,同时提供各种微通孔技术的设计实例和工艺。

By | 2018-10-18T14:26:29+00:00 10月 18th, 2018|PCB电路板知识, PCB设计知识, 行业动态|大密度PCB的HDI叠层设计分析已关闭评论