PCB印制电路基础及关键注意事项

　　一、PCB印制电路中影响蚀刻液特性的因素

　　1 物理及化学方面

　　1）蚀刻液的浓度：应根据金属腐蚀原理和铜箔的结构类型，通过试验方法确定蚀刻液的浓度，它应有较大的选择余地，也就是指工艺范围较宽。

　　2）蚀刻液的化学成分的组成：蚀刻液的化学组分不同，其蚀刻速率就不相同，蚀刻系数也不同。如普遍使用的酸性氯化铜蚀刻液的蚀刻系数通常是&；碱性氯化铜蚀刻液系数可达3.5-4。而正处在开发阶段的以硝酸为主的蚀刻液可以达到几乎没有侧蚀问题，蚀刻后的导线侧壁接近垂直。

　　3）温度：温度对蚀刻液特性的影响比较大，通常在化学反应过程中，温度对加速溶液的流动性和减小蚀刻液的粘度，提高蚀刻速率起着很重要的作用。但温度过高，也容易引起蚀刻液中一些化学成份挥发，造成蚀刻液中化学组份比例失调，同时温度过高，可能会造成高聚物抗

　　蚀层的被破坏以及影响蚀刻设备的使用寿命。因此，蚀刻液温度一般控制在一定的工艺范围内。

　　4）采用的铜箔厚度：铜箔的厚度对电路图形的导线密度有着重要影响。铜箔薄，蚀刻时间短，侧蚀就很小；反之，侧蚀就很大。所以，必须根据设计技术要求和电路图形的导线密度及导线精度要求，来选择铜箔厚度。同时铜的延伸率、表面结晶构造等，都会构成对蚀刻液特性的直接影响。

　　5）电路的几何形状：电路图形导线在X方向和Y方向的分布位置如果不均衡，会直接影响蚀刻液在PCB板面上的流动速度。同样如果在同PCB板面上的间隔窄的导线部位和间隔宽的导线部位状态下，间隔宽的导线分布的部位，蚀刻就会过度。所以，这就要求设计者在电路设计时，就应首先了解工艺上的可行性，尽量做到整个PCB板面电路图形均匀分布，导线的粗细程度应尽量相一致。特别是在制作多层印制电路板时，大面积铜箔作为接地层，对蚀刻的质量有着很大的影响，所以建议设计成网状图形为宜。

　　2 机械方面

　　1）设备的类型：设备的结构形式也是对蚀刻液特性的影响重要因素之一。初始阶段采用浸入式槽内浸泡方法，蚀刻导线宽的印制电路板，精度要求不高，是可采用的设备结构形式。对于细导线、窄间距，精度高、密度高的印制电路板来说，浸入式的蚀刻设备结构已不适应，出现水平机械传动结构形式的蚀刻设备并采用摆动喷咀装置，使基板的铜表面印刷电路蚀刻更均匀，但水平式设备结构会造成PCB板面的过腐蚀现象，因而研制和开发了垂直喷淋技术。同时，蚀刻设备还必须具有防止薄的覆铜箔层压板在蚀刻时容易卷绕在滚轮和传送轮上而造成废品的装置，以及保证导线图形表面金属不被擦伤或划伤。所以，在选择蚀刻设备时要特别重视结构形式，能否达到蚀刻速率快、蚀刻均匀及蚀刻质量高的要求。下图是酸性蚀刻机及碱性蚀刻机的外形图。

　　2）喷淋技术方面：

　　1 喷淋形状：目前通用的喷淋系统应具备的条件和结构形式，是在喷淋系统中采取连锁的、圆锥体结构，所有的喷咀喷射出来的蚀刻液呈扇形而且相互交替，使所有传送的印制电路板被蚀刻液全部覆盖而且能均匀的流动。从工艺试验结果表明：

　　·固定式的喷淋：平均蚀刻深度为0.20mm标准偏差为0.01mm。

　　·摆动式的喷淋：平均蚀刻深度为0.21mm标准偏差为0.004。

　　2 摆动方式：通过当前实际生产经验证明，弧形摆动比较理想，能使蚀刻液达到整PCB板面，提高了蚀刻速率的一致性，对制作高密度细导线提供了可靠的保证。

　　3 距离：所谓距离是指喷咀到PCB板面的距离，也就是蚀刻液喷淋到基板表面的距离，这是非常重要的。当在考虑到喷咀到基板表面的距离的同时，还必须同喷淋的压力结合在一起进行研究和设计，即要达到蚀刻的高质量还必须符合经济性、适应性、可制造性、可维修性和可更换性。

　　4 压力：在设计时要考虑到压力对蚀刻液喷淋效果，对基板表面能否形成均匀的蚀刻液流动和蚀刻液的流动量的均衡性。所以，喷淋压力过大或过小都会造成对蚀刻质量的影响。

　　3 流体力学方面

　　1）蚀刻液的表面张力：因为任何物体都有一定的表面积因此液体表面就好像有一层紧缩的薄膜，这层薄膜具有一股分子级的内向吸引力，使其有收缩的趋势，为了维持这紧张的表面平衡，在表面周界上必须加一适当的和表面相切力才能使表面维持一定的面积，不再收缩，这种和表面相切的力叫表面张力。作用在表面上单位长度上的张力用符号σ表示。单位是达因/厘米。蚀刻液的表面张力大小对蚀刻速率和蚀刻质量的影响，与固体表面（指铜箔表面）润湿程度有关。所谓润湿就是液体在固体表面上的贴附现象称之。也就是液体在固体表面上的形状与接触角（θ）大小有关。接触角越大，固体表面的润湿越差即亲水性越差，要维持接触角（θ）为最小锐角，就必须改变固体的表面性质。这就是说，液体表面张力越小，对固体表面的润湿性能也就越好，但是如果固体表面被沾污，即使液体表面张力小，也不会改善固体表面润湿程度。所以，要获得最隹的蚀刻质量，就必须加强对基板铜箔表面的清洁处理，改善表面性质使与蚀刻液更好的处在润湿状态。要改善液体的表面张力，还需提高作业温度，温度越高，液体的表面张力就越小，与固体的贴附就更为理想，处理的效果就好。这是由于温度升高引起物质的膨胀，增大了分子间的距离而使分子间的引力减小，所以随着溶液的温度升高，表面张力是逐渐减小的。为此，做到严格的控制工艺条件，就能够更好的改善溶液与基板铜表面的接触状态。

　　2）粘度：蚀刻过程中，随着铜的不断溶解，蚀刻液的粘度就会增加，使蚀刻液在基板铜箔表面上流动性就差，直接影响蚀刻效果。要达到理想的蚀刻液的最佳状态就要充分利用蚀刻机的功能，确保溶液的流动性。

　　二、PCB夹具设计与测试看法

　　一、客户资料提供

　　1.为求资料处理时方便作业与减少困扰，并增加其正确之判断性，客户应提供完整且正确之资料如下：

　　1.1原始GERBER FILE。

　　1.2 排版CNC钻孔资料。

　　1.3底片菲林或实物板（如能提供最佳）。

　　二、标准网路「测试程式」建立/测试中「标准板」确认

　　1.必须完全依据客户所提供之原始GERBER FILE做资料处理方为正确之做法。（避免CAM处理错误造成检测失效）

　　2.应根据工艺能力对测试点选取方式进行明确定义，如有特殊测试点设针与否之要求，应以书面方式明确告知夹具制作部门或外包厂商。在此建议客户，除非本身相关之专业能力足够且能正确判断，否则最好不要任意要求「删点」，如此有可能影响标准网路测试程式（NET LIST）正确性，发生短断路漏测问题

　　3.不可避免测试夹具制作软体亦有可能在设计上有盲点或不够完整，或者人为的CAM处理错误以致无法做出完全正确之标准网路，这种情况可能必须采取‘网络学习’的方法；在此建议客户，PC板在实际测试前应确认是否为「标准板」，其方法为以传统读板比较与载入标准网路「测试程式」两种方式相互比对，经此程序确认之「标准板」将较为安全可靠。

　　三、测试阶段可能产生漏测、盲点/问题解决方式/看法

　　1.环状孔破（断路）：

　　1.1发生原因：

　　客户只提供零件面（文字面）资料，只要求零件面测试，「独立孔」甚至一般不要求设针测试，如果环状孔破发生在焊锡面，即无法测出问题点。

　　1.2解决方式：

　　在资料处理阶段，测试孔设点时，改为双面测上下设针，包括独立孔在内，即可有效防止问题发生。

　　2.小孔孔破（外层线路面未覆盖防焊漆，有连接内层之导通孔）：

　　2.1发生原因：

　　（1）资料处理人员作业时疏忽并判断错误，自行删除测试点。

　　（2）客户要求不设测试点。

　　2.2解决方式：

　　（1）现今多层板的线录设计密度，层次愈来愈高、愈复杂化，外层线路上的小孔（包括独立孔在内），多半与内层某一层有连接，其功能为设计上之测试点或信号导引孔原则上皆须设测试点，不应任意删除之。

　　（2）除非客户本身具专业能力及把握正确判断，小孔不须设针，否则夹具外包制作时，最好不要要求删点，以免不幸发生漏测而造成测试品质问题。

　　（3）建议客户在制作测试夹具时，应同时做出明确的设针方式，以利於夹具部门或外包厂商作业，并避免不必要之错误产生。

　　3.回路断线：

　　3.1三条线路三个点即构成一组回路。

　　3.2回路断线问题在一般测试上称为盲点，很难直接测出问题点所在，如果断线只有一条，将无法测出其问题点；如果断线有两条时，则可测出其问题点。客户如有要求不能有回路断线发生，则在治具制作之资料处理时，凡是线路有经过之中间点（孔），都必须设测试点；Plot标出回路位置，在测试后以目视检验，以克服问题。

　　三、PCB板用倒装芯片的组装和装配工艺流程介绍

　　一、PCB板用倒装芯片的组装工艺流程

　　在半导体后端组装工厂中，现在有两种模块组装方法。在两次回流焊工艺中，先在单独的SMT生产线上组装SMT器件，该生产线由丝网印刷机、贴片机和第一个回流焊炉组成。然后再通过第二条生产线处理部分组装的模块，该生产线由PCB板用倒装芯片贴片机和回流焊炉组成。底部填充工艺在专用底部填充生产线中完成，或与PCB板用倒装芯片生产线结合完成。

　　二、PCB板用倒装芯片的装配工艺流程介绍

　　相对于其它的IC器件，如BGA、CSP等，PCB板用倒装芯片装配工艺有其特殊性，该工艺引入了助焊剂工艺和底部填充工艺。因为助焊剂残留物（对可靠性的影响）及桥连的危险，将PCB板用倒装芯片贴装于锡膏上不是一种可采用的装配方法。业内推出了无需清洁的助焊剂，芯片浸蘸助焊剂工艺成为广泛使用的助焊技术。目前主要的替代方法是使用免洗助焊剂，将器件浸蘸在助焊剂薄膜里让器件焊球蘸取一定量的助焊剂，再将器件贴装在基板上，然后回流焊接；或者将助焊剂预先施加在基板上，再贴装器件与回流焊接。助焊剂在回流之前起到固定器件的作用，回流过程中起到润湿焊接表面增强可焊性的作用。

　　PCB板用倒装芯片焊接完成后，需要在器件底部和基板之间填充一种胶（一般为环氧树酯材料）。底部填充分为于“毛细流动原理”的流动性和非流动性（No-follow）底部填充。

　　上述PCB板用倒装芯片组装工艺是针对C4器件（器件焊凸材料为SnPb、SnAg、SnCu或SnAgCu）而言。另外一种工艺是利用各向异性导电胶（ACF）来装配PCB板用倒装芯片。预先在基板上施加异性导电胶，贴片头用较高压力将器件贴装在基板上，同时对器件加热，使导电胶固化。该工艺要求贴片机具有非常高的精度，同时贴片头具有大压力及加热功能。对于非C4器件（其焊凸材料为Au或其它）的装配，趋向采用此工艺。这里，我们主要讨论C4工艺，下表列出的是PCB板用倒装芯片植球（Bumping）和在基板上连接的几种方式。

　　倒装PCB板用倒装芯片几何尺寸可以用一个“小”字来形容：焊球直径小（小到0.05mm），焊球间距小（小到0.1mm），外形尺寸小（1mm2）。要获得满意的装配良率，给贴装设备及其工艺带来了挑战，随着焊球直径的缩小，贴装精度要求越来越高，目前12μm甚至10μm的精度越来越常见。贴片设备照像机图形处理能力也十分关键，小的球径小的球间距需要更高像素的像机来处理。

　　随着时间推移，高性能芯片的尺寸不断增大，焊凸（Solder Bump）数量不断提高，基板变得越来越薄，为了提高产品可靠性底部填充成为必须。

　　四、如何在PCB设计中提高布线效率

　　现在市面上流行的EDA工具软件很多，但这些PCB设计软件除了使用的术语和功能键的位置不一样外都大同小异，如何用这些工具更好地实现PCB的设计呢？在开始布线之前对设计进行认真的分析以及对工具软件进行认真的设置将使设计更加符合要求。下面是一般的设计过程和步骤。

　　1、确定PCB的层数

　　电路板尺寸和布线层数需要在设计初期确定。如果设计要求使用高密度球栅数组（BGA）组件，就必须考虑这些器件布线所需要的最少布线层数。布线层的数量以及层叠（stack-up）方式会直接影响到印制线的布线和阻抗。板的大小有助于确定层叠方式和印制线宽度，实现期望的设计效果。

　　多年来，人们总是认为电路板层数越少成本就越低，但是影响电路板的制造成本还有许多其它因素。近几年来，多层板之间的成本差别已经大大减小。在开始设计时最好采用较多的电路层并使敷铜均匀分布，以避免在设计临近结束时才发现有少量信号不符合已定义的规则以及空间要求，从而被迫添加新层。在设计之前认真的规划将减少布线中很多的麻烦。

　　2、设计规则和限制

　　自动布线工具本身并不知道应该做些什幺。为完成布线任务，布线工具需要在正确的规则和限制条件下工作。不同的信号线有不同的布线要求，要对所有特殊要求的信号线进行分类，不同的设计分类也不一样。每个信号类都应该有优先级，优先级越高，规则也越严格。规则涉及印制线宽度、过孔的最大数量、平行度、信号线之间的相互影响以及层的限制，这些规则对布线工具的性能有很大影响。认真考虑设计要求是成功布线的重要一步。

　　3、组件的布局

　　为最优化装配过程，可制造性设计（DFM）规则会对组件布局产生限制。如果装配部门允许组件移动，可以对电路适当优化，更便于自动布线。所定义的规则和约束条件会影响布局设计。

　　在布局时需考虑布线路径（routing channel）和过孔区域。这些路径和区域对设计人员而言是显而易见的，但自动布线工具一次只会考虑一个信号，通过设置布线约束条件以及设定可布信号线的层，可以使布线工具能像设计师所设想的那样完成布线。

　　4、扇出设计

　　在扇出设计阶段，要使自动布线工具能对组件引脚进行连接，表面贴装器件的每一个引脚至少应有一个过孔，以便在需要更多的连接时，电路板能够进行内层连接、在线测试（ICT）和电路再处理。

　　为了使自动布线工具效率最高，一定要尽可能使用最大的过孔尺寸和印制线，间隔设置为50mil较为理想。要采用使布线路径数最大的过孔类型。进行扇出设计时，要考虑到电路在线测试问题。测试夹具可能很昂贵，而且通常是在即将投入全面生产时才会订购，如果这时候才考虑添加节点以实现100%可测试性就太晚了。

　　经过慎重考虑和预测，电路在线测试的设计可在设计初期进行，在生产过程后期实现，根据布线路径和电路在线测试来确定过孔扇出类型，电源和接地也会影响到布线和扇出设计。为降低滤波电容器连接线产生的感抗，过孔应尽可能靠近表面贴装器件的引脚，必要时可采用手动布线，这可能会对原来设想的布线路径产生影响，甚至可能会导致你重新考虑使用哪种过孔，因此必须考虑过孔和引脚感抗间的关系并设定过孔规格的优先级。

　　5、手动布线以及关键信号的处理

　　尽管本文主要论述自动布线问题，但手动布线在现在和将来都是印刷电路板设计的一个重要过程。采用手动布线有助于自动布线工具完成布线工作。无论关键信号的数量有多少，首先对这些信号进行布线，手动布线或结合自动布线工具均可。关键信号通常必须通过精心的电路设计才能达到期望的性能。布线完成后，再由有关的工程人员来对这些信号布线进行检查，这个过程相对容易得多。检查通过后，将这些线固定，然后开始对其余信号进行自动布线。

　　6、自动布线

　　对关键信号的布线需要考虑在布线时控制一些电参数，比如减小分布电感和EMC等，对于其它信号的布线也类似。所有的EDA厂商都会提供一种方法来控制这些参数。在了解自动布线工具有哪些输入参数以及输入参数对布线的影响后，自动布线的质量在一定程度上可以得到保证。

　　应该采用通用规则来对信号进行自动布线。通过设置限制条件和禁止布线区来限定给定信号所使用的层以及所用到的过孔数量，布线工具就能按照工程师的设计思想来自动布线。如果对自动布线工具所用的层和所布过孔的数量不加限制，自动布线时将会使用到每一层，而且将会产生很多过孔。

　　在设置好约束条件和应用所创建的规则后，自动布线将会达到与预期相近的结果，当然可能还需要进行一些整理工作，同时还需要确保其它信号和网络布线的空间。在一部分设计完成以后，将其固定下来，以防止受到后边布线过程的影响。

　　采用相同的步骤对其余信号进行布线。布线次数取决于电路的复杂性和你所定义的通用规则的多少。每完成一类信号后，其余网络布线的约束条件就会减少。但随之而来的是很多信号布线需要手动干预。现在的自动布线工具功能非常强大，通常可完成100%的布线。但是当自动布线工具未完成全部信号布线时，就需对余下的信号进行手动布线。

　　7、PCB自动布线的设计要点包括：

　　7.1 略微改变设置，试用多种路径布线;

　　7.2 保持基本规则不变，试用不同的布线层、不同的印制线和间隔宽度以及不同线宽、不同类型的过孔如盲孔、埋孔等，观察这些因素对设计结果有何影响;

　　7.3 让布线工具对那些默认的网络根据需要进行处理;

　　7.4 信号越不重要，自动布线工具对其布线的自由度就越大。

　　8、PCB布线的整理

　　如果你所使用的EDA工具软件能够列出信号的布线长度，检查这些数据，你可能会发现一些约束条件很少的信号布线的长度很长。这个问题比较容易处理，通过手动编辑可以缩短信号布线长度和减少过孔数量。在整理过程中，你需要判断出哪些布线合理，哪些布线不合理。同手动布线设计一样，自动布线设计也能在检查过程中进行整理和编辑。

　　9、电路板的外观

　　以前的设计常常注意电路板的视觉效果，现在不一样了。自动设计的电路板不比手动设计的美观，但在电子特性上能满足规定的要求，而且设计的完整性能得到保证。