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在可制造性設計(DFM)中，PCB設計布局工程師很容易就會忽略掉乍看之下不那么重要的關鍵因素。但在后續的流程中，這些因素在制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，特別是高于20GHz時，如果PCB設計和制造團隊之間缺乏溝通和/或彼此產生錯誤的預設和解讀，就可能在制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，并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，以致于違反IPC(國際電子產業連接協會)的規定和制造規則。

 

其結果是在制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。

 

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，使良率低于60%，遠低于預期的90%。其它DFM問題包括成批開放阻焊(gang relief mask)制程造成的焊料短路、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于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，如果仍然采用兩者相同的策略，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。此處采用一個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，并在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。

 

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的接腳間并未使用阻焊層，對于這些接腳采用的是成批開放阻焊制程──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并未阻焊隔離。這可以是刻意達成的效果，也可能是PCB設計師犯的錯。最后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迭了。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迭。

 

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。著眼于可制造性設計，最好的辦法就是使過孔稍稍遠離焊墊，并且在焊墊和過孔之間放置阻焊層。

 

第二種方法對扇出并不理想。在此，過孔焊墊侵蝕了元件焊墊，而非過孔上。結果當過孔被涂覆時，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，并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，并在過孔和焊墊之間放置阻焊層。

 

就此高速設計來說，它采用了制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，并不適用于量產。焊墊模式是由CAD布局工具制作的，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，并將元件與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制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，但這并不容易實現。對于散熱孔，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，但理想情況應小于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，致使周邊設備焊墊短路(圖3)。

 

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，并使得周邊設備焊墊短路。

 

在此高速設計中，兩個焊墊之間缺乏足夠的阻焊層是第三個DFM問題。在此，焊墊挨得非常近。其結果是阻焊層太薄，而且在整個制程中都脫離掉了，焊料呈突波狀從一個焊墊流到另一個焊墊。最后由于這條不期而至的突波，使該分離元件的焊墊定義變得不均勻，如圖4所示。處理結果是，將該元件的焊墊變大。

 

圖4：阻焊層突波。

 

該設計中的另一個焊墊問題是焊墊大小不匹配，這次是在布局的電源部份。該設計使用了很小的0402(0.4mm×0.2mm)被動元件封裝，在電源設計中，不建議使用這么小的封裝。在此，聰明的PCB布局工程師會選用0603厚膜貼片電阻(1608公制封裝)或0805厚膜貼片電阻(稍大的2012封裝)。但更小就不合適了。

 

如此謹慎行事是基于這樣的考慮：大多數電源布局在外層具有較大的鋪銅層。在采用了0402封裝的高速設計實例中，0402封裝的一端直接連接到鋪銅。另一端則只有一條導線和過孔。因此，在回流焊時，銅箔起著散熱器的作用，因而在焊墊的一側產生一個冷焊點(虛焊)。為了緩解此問題，最好是在焊墊與銅箔間設立熱連接。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能破壞對PCB進行有效的DFM原則。不好的PCB布局可能會導致與焊墊定義、元件封裝、層迭、材料選擇、扇出、線寬和線距等相關的制造和裝配問題。例如，不好的焊墊定義可能在裝配時引起斷開和短路；而若該元件封裝庫的實體尺寸不對的話，不淮確的元件封裝尺寸還可能導致不可制造性問題。

 

就層迭而言，設計者必須確保正確的均勻層迭以規避翹曲問題。設計師還需要了解對于PCB材料的各種要求，包括現場要求。同時，必須時刻關注扇出問題。如果處理不當，則會發生侵損導線的酸腐或蝕刻‘陷阱’。此外，若設計不正確，線寬和線距可能會在不同制程中引發短路等其它問題。

 

制造階段的問題。在PCB設計和制造過程中，當少量化學物質(通常是酸)囤積在成銳角的PCB導線銳角處，這時被稱為‘酸阱’，它會導致翹曲(圖5)。當這種化學物未被清除乾淨時，即使在裝配完成后也會侵蝕導線；和/或產品在現場使用時，可能使連接時通時斷。即使殘留的化學物很少，若導線很細的話，甚至也會侵蝕掉整條導線；在布局階段，這種侵蝕既可能早期發生在線寬階段，也可能稍后出現在扇出階段。

 

圖5：銳角走線正是化學物質得以藏身的‘酸阱’。

 

重合和寬高比問題：當PCB具有多層、且各層導線很細、線距很窄時，很可能引起過孔和焊墊的重合不良。制造過程中，焊墊和過孔間的重合問題可能導致多個短路，甚至完全損壞PCB。

 

寬高比問題發生在當PCB進入電腦輔助制造(CAM)及制造商發現寬高比不對的早期制程階段。在此例中，孔徑極小而PCB相當厚。因此，代工廠通常不是面臨重大困難就是根本制造不出這種PCB。

 

銅和阻焊突波：銅細突波的出現是因為PCB外層覆銅。極細的單端銅導線突波可隨時隨地出現在PCB板上，在組裝后形成短路。

 

當焊墊和過孔間的阻焊不充分時，會出現阻焊突波。有若干原因造成這樣現象，包括不正確的布局、不正確的焊墊定義/或將暴露的過孔太過靠近元件焊墊等。

 

在布局的關鍵階段步步為營

80%的PCB布局錯誤是由不正確的零件幾何形狀或產生的實體焊墊、不好的過孔定義、過孔和表面裝貼元件間的間距不足、缺乏對關鍵元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透過制程的各個階段，以避免諸如此類的制造和裝配問題。例如，需要返修的BGA可能被放置得彼此過于靠近。這樣重新設計就無法完成。此外，過孔或焊墊太靠近PCB的邊緣，則可能會導致過孔在布局時被切掉。

 

再就是放置在PCB上的基淮點，它為每一裝配步驟提供公共測量點。它們允許PCB元件系統精確對位元電路圖案。基淮點用來正確對齊SMT焊接用攝影鏡頭，在PCB組裝過程元件的取放階段、攝影鏡頭用于辨識以及協助將SMT元件放置在各自位置。一般情況，這些攝影鏡頭的定位公差為+/-1mil。

 

如果沒有基淮標記點以使SMT用攝影鏡頭正確對齊，則因元件取放攝影鏡頭與PCB之間無法對淮，通常會產生翹脫。針對接腳間距很窄的元件，PCB設計師必須確保在這些元件周邊，安放額外基淮，以便為SMT相機提供進一步幫助。

 

至于提高BGA焊接效率，增加焊墊間距是必要的。在使用BGA時，如果PCB材料選擇不當，則因PCB和BGA間熱膨脹系數(CTE)的失配還會引發其它問題。如果熱膨脹系數不匹配，焊點疲勞可能導致BGA焊墊開路。此外，使用BGA時，對稱的PCB堆迭至關重要。否則，會發生焊點疲勞和PCB翹曲。

 

就BGA來說，采用焊墊內過孔是PCB布局設計師必須小心因應的另一個問題。焊墊內過孔廣為流行，尤其是對0.75mm以下更細間距的BGA來說。與狗骨式扇出相較，焊墊內過孔提高了密度，允許使用更細間距的封裝。此外，去藕電容器可以直接跨接BGA另一側的穿孔，因而降低了原生電感。

 

但采用焊墊內過孔有利有弊。當采用焊墊內過孔時，首先以導電性和非導電材料填充過孔，然后再鍍覆。如果制造商不熟悉該制程，可能會出現一連串的問題。特別是可能帶來在組裝過程造成破壞的水氣淤積風險。當水氣被淤積了，在回流焊時，過孔和焊墊可能發生爆裂、形成凹陷，導致毀壞BGA焊墊。避免大量膨脹或收縮的一種普遍方法是利用可降低水氣滯留的不導電過孔填料。