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高速PCB设计------经典篇二(中)(共7篇)

发布时间:2008-10-30 下午3:24

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?3、芯片规模的BGA变量
   针对密间距真正芯片大小的IC封装,最近开发的JEDEC BGA指引提出许多物理属性,并为封装供应商提供变量形式的灵活性。JEDEC JC-11批准的第一份对密间距元件类别的文件是注册外形MO-195,具有基本0.50mm间距接触点排列的统一方形封装系列。
   封装尺寸范围从4.0-21.0mm,总的高度(定义为薄的轮廓”)限制到从贴装表面最大为1.20mm。下面的例子代表为将来的标准考虑的一些其它变量。
   球间距与球尺寸将也会影响电路布线效率。许多公司已经选择对较低I/O数的CSP不采用0.50mm间距。较大的球间距可能减轻最终用户对更复杂的印刷电路板(PCB)技术的需求。
   0.50mm的接触点排列间隔是JEDEC推荐最小的。接触点直径规定为0.30mm,公差范围为最小0.25、最大0.35mm。可是大多数采用0.50mm间距的BGA应用将依靠电路的次表面布线。直径上小至0.25mm的焊盘之间的间隔宽度只够连接一根0.08mm(0.003)宽度的电路。将许多多余的电源和接地触点分布到矩阵的周围,这样将提供对排列矩阵的有限渗透。这些较高I/O数的应用更可能决定于多层、盲孔或封闭的焊盘上的电镀旁路孔(via-on-pad)技术。

  4、考虑封装技术
  元件的环境与电气性能可能是与封装尺寸一样重要的问题。用于高密度、高I/O应用的封装技术首先必须满足环境标准。例如,那些使用刚性内插器(interposer)结构的、由陶瓷或有机基板制造的不能紧密地配合硅芯片的外形。元件四周的引线接合座之间的互连必须流向内面。μBGA* 封装结构的一个实际优势是它在硅芯片模块外形内提供所有电气界面的能力。
   μBGA使用一种高级的聚酰胺薄膜作为其基体结构,并且使用半加成铜电镀工艺来完成芯片上铝接合座与聚酰胺内插器上球接触座之间的互连。依顺材料的独特结合使元件能够忍受极端恶劣的环境。这种封装已经由一些主要的IC制造商用来满足具有广泛运作环境的应用。
   超过20家主要的IC制造商和封装服务提供商已经采用了μBGA封装。定义为面朝下的封装,元件外形密切配合芯片模块的外形,芯片上的铝接合焊盘放于朝向球接触点和PCB表面的位置。这种结构在工业中有最广泛的认同,因为其建立的基础结构和无比的可靠性。μBGA封装的材料与引脚设计的独特系统是在物理上顺应的,补偿了硅芯片与PCB结构的温度膨胀系统的较大差别。

  5、安装座计划
  推荐给BGA元件的安装座或焊盘的几何形状通常是圆形的,可以调节直径来满足接触点间隔和尺寸的变化。焊盘直径应该不大于封装上接触点或球的直径,经常比球接触点规定的正常直径小10%。在最后确定焊盘排列与几何形状之前,参考IPC-SM-782第14.0节或制造商的规格。
有两种方法用来定义安装座:定义焊盘或铜,定义阻焊,如图三所示。
图三、BGA的焊盘可以通过化学腐蚀的图案来界定,
无阻焊层或有阻焊层叠加在焊盘圆周上(阻焊层界定)

  铜定义焊盘图形 通过腐蚀的铜界定焊盘图形。阻焊间隔应该最小离腐蚀的铜焊盘0.075mm。对要求间隔小于所推荐值的应用,咨询印制板供应商。
  阻焊定义焊盘图形 如果使用阻焊界定的图形,相应地调整焊盘直径,以保证阻焊的覆盖。
  BGA元件上的焊盘间隔活间距是基本的,因此是不累积的;可是,贴装精度和PCB制造公差必须考虑。如前面所说的,BGA的焊盘一般是圆形的、阻焊界定或腐蚀??阻焊脱离焊盘 界定的。虽然较大间距的BGA将接纳电路走线的焊盘之间的间隔,较高I/O的元件将依靠电镀旁路孔来将电路走到次表面层。表七所示的焊盘几何形状推荐一个与名义标准接触点或球的直径相等或稍小的直径。

表七、 BGA元件安装的焊盘图形

接触点间距
(基本的) 标准球直径 焊盘直径 (mm)
最小 名义 最大 最小 - 最大
0.05 0.25 0.30 0.35 0.25-0.30
0.65 0.25 0.30 0.35 0.25-0.30
0.65 0.35 0.40 0.45 0.35-0.40
0.80 0.25 0.30 0.35 0.25-0.30
0.80 0.35 0.40 0.45 0.35-0.40
0.80 0.45 0.50 0.55 0.40-0.50
1.00 0.55 0.60 0.65 0.50-0.60
1.27 0.70 0.75 0.80 0.60-0.70
1.50 0.70 0.75 0.80 0.60-0.70

  有些公司企图为所有密间距的BGA应用维持一个不变的接触点直径。可是,因为一些0.65与0.80mm接触点间距的元件制造商允许随意的球与接触点直径的变化,设计者应该在制定焊盘直径之前参考专门的供应商规格。较大的球与焊盘的直径可能限制较高I/O元件的电路布线。一些BGA元件类型的焊盘几何形状可能不允许宽度足够容纳不止一条或两条电路的间隔。例如,0.50mm间距的BGA将不允许甚至一条大于0.002或0.003的电路。那些采用密间距BGA封装变量的可能发现焊盘中的旁路孔(微型旁路孔)更加实际,特别如果元件密度高,必须减少电路布线。

  6、装配工艺效率所要求的特征
  为了采纳对密间距表面贴装元件(SMD)的模板的精确定位,要求一些视觉或摄像机帮助的对中方法。全局定位基准点是用于准确的锡膏印刷的模板定位和在精确的SMD贴装中作为参考点。模板印刷机的摄相机系统自动将板对准模板,达到准确的锡膏转移。
  对于那些使用模板到电路板的自动视觉对中的系统,电路板的设计者必须在焊盘层的设计文件中提供至少两个全局基准点(图四)。在组合板的每一个装配单元内也必须提供局部基准点目标,以帮助自动元件贴装。另外,对于每一个密间距QFP、TSOP和高I/O密间距BGA元件,通常提供一或两个目标。
在所有位置推荐使用一个基准点的尺寸。虽然形状和尺寸可以对不同的应用分别对待,但是大多数设备制造商都认同1.0mm(0.040)直径的实心点。该点必须没有阻焊层,以保证摄相机可以快速识别。除了基准点目标外,电路板必须包含一些定位孔,用于二次装配有关的操作。组合板应该提供两或三个定位孔,每个电路板报单元提供至少两个定位孔。通常,装配专家规定尺寸(0.65mm是常见的),应该指定无电镀孔。
  至于在锡膏印刷模板夹具上提供的基准点,一些系统检测模板的定面,而另一些则检测底面。模板上的全局基准点只是半腐蚀在模板的表面,用黑树脂颜料填充。

  7、指定表面最终涂层
  为元件的安装选择专门类型的表面最终涂镀方法可以提高装配工艺的效率,但是也可能影响PCB的制造成本。在铜箔上电镀锡或锡/铅合金作为抗腐蚀层是非常常见的制造方法。选择性地去掉铜箔的减去法??化学腐蚀 继续在PCB工业广泛使用。因为锡/铅导线当暴露在195°C温度以上时变成液体,所以大多数使用回流焊接技术的表面贴装板都指定裸铜上的阻焊层(SMOBC,soldermask over bare copper)来保持阻焊材料下一个平坦均匀的表面。当处理SMOBC板时,锡或锡/铅是化学剥离的,只留下铜导体和没有电镀的元件安装座。铜导体用环氧树脂或聚合物阻焊层涂盖,以防止对焊接有关工艺的暴露。虽然电路导线有阻焊层覆盖,设计者还必须为那些不被阻焊层覆盖的部分??元件安装座 指定表面涂层。下面的例子是广泛使用在制造工业的合金电镀典型方法。
  通常要求预处理安装座的应用是超密间距QFP元件。例如,TAB(table automated bond)元件可能具有小于0.25mm的引脚间距。通过在这些座上提供700-800μ″的锡/铅合金,装配专家可以上少量的助焊剂、贴装零件和使用加热棒、热风、激光或软束线光源来回流焊接该元件。在特殊的安装座上选择性地电镀或保留锡/铅合金将适用于超密间距TAB封装的回流焊接。
  使用热风均匀法,锡/铅在上阻焊层之后涂镀在电路板上。该工艺是,电镀的板经过清洗、上助焊剂和浸入熔化的焊锡中,当合金还是液体状态的时候,多余的材料被吹离表面,留下合金覆盖的表面。热风焊锡均匀??HASL(hot air solder leveling)电镀工艺广泛使用,一般适合于回流焊接装配工艺;可是,焊锡量与平整度的不一致可能不适合于使用密间距元件的电路板。
  密间距的SQFP、TSOP和BGA元件要求非常均匀和平整的表面涂层。作为控制在密间距元件的安装座上均匀锡膏量的方法,表面必须尽可能地平整。为了保证平整度,许多公司在铜箔上使用镍合金,接着一层很薄的金合金涂层,来去掉氧化物。
  在阻焊涂层工艺之后,在暴露的裸铜上使用无电镀镍/金。用这个工艺,制造商通常将使用锡/铅电镀图案作为抗腐蚀层,在腐蚀之后剥离锡/铅合金,但是不是对暴露的安装座和孔施用焊锡合金,而是电路板浸镀镍/金合金。
  按照IPC-2221标准《印制板设计的通用标准》,推荐的无电镀镍厚度是2.5-5.0μ(至少1.3μ),而推荐的浸金厚度为0.08-0.23μm。
  有关金的合金与焊接工艺的一句话忠告:如果金涂层厚度超过0.8μm(3μ″),那么金对锡/铅比率可能引起最终焊接点的脆弱。脆弱将造成温度循环中的过分开裂或装配后的板可能暴露到的其它物理应力。

  8、合金电镀替代方案
  在上阻焊层之后给板增加焊锡合金是有成本代价的,并且给基板遭受极大的应力条件。例如用锡/铅涂层,板插入熔化的焊锡中,然后抽出和用强风将多余的锡/铅材料去掉。温度冲击可能导致基板结构的脱层、损坏电镀孔和可能影响长期可靠性的缺陷。 Ni/Au涂镀,虽然应力较小,但不是所有电路板制造商都有的一种技术。作为对电镀的另一种选择,许多公司已经找到成功的、有经济优势的和平整的安装表面的方法,这就是有机保护层或在裸铜上与上助焊剂涂层。
  作为阻止裸铜安装座和旁通孔/测试焊盘上氧化增长的一个方法,将一种特殊的保护剂或阻化剂涂层应用到板上。诸如苯并三唑(Benzotriazole)和咪唑(Imidazole)这些有机/氮涂层材料被用来取代上面所描述的合金表面涂层,可从几个渠道购买到,不同的商标名称。在北美洲,广泛使用的一种产品是ENTEK PLUS CU-106A。这种涂层适合于大多数有机助焊焊接材料,在对装配工艺中经常遇到的三、四次高温暴露之后仍有保护特征。多次暴露的能力是重要的。当SMD要焊接到装配的主面和第二面的时候,会发生两次对回流焊接温度的暴露。混合技术典型的多次装配步骤也可能包括对波峰焊接或其它焊接工艺的暴露。

  9、一般成本考虑
  与PCB电镀或涂镀有关的成本不总是详细界定的。一些供应商感觉方法之间的成本差别占总的单位成本中的很小部分,所以界不界定是不重要的。其他的可能对不是其能力之内的成本有一个额外的费用,因为板必须送出去最后加工。例如,在加州的一家公司将板发送给在德州的一家公司进行Ni/Au电镀。这个额外处理的费用可能没有清晰地界定为对客户的一个额外开支;可是,总的板成本受到影响。
  每一个电镀和涂镀工艺都有其优点与缺点。设计者与制造工程师必须通过试验或工艺效率评估仔细地权衡每一个因素。在指定PCB制造是必须考虑的问题都有经济以及工艺上的平衡。对于细导线、高元件密度或密间距技术与μBGA,平整的外形是必须的。焊盘表面涂层可以是电镀的或涂敷的,但必须考虑装配工艺与经济性。
  在所有涂敷和电镀的选择中,Ni/Au是最万能的(只要金的厚度低于5μ″)。电镀工艺比保护性涂层好的优势是货架寿命、永久性地覆盖在那些不暴露到焊接工艺的旁路孔或其它电路特征的铜上面、和抗污染。虽然表面涂层特性之间的平衡将影响最终选择,但是可行性与总的PCB成本最可能决定最后的选择。在北美,HASL工艺传统上主宰PCB工业,但是表面的均匀性难于控制。对于密间距元件的焊接,一个受控的装配工艺取决于一个平整均匀的安装座。密间距元件包括TSOP、SQFP和μBGA元件族。如果密间距元件在装配中不使用,使用HASL工艺是可行的选择。

  10、阻焊层(sldermask)要求
  阻焊层在控制回流焊接工艺期间的焊接缺陷中的角色是重要的,PCB设计者应该尽量减小焊盘特征周围的间隔或空气间隙。虽然许多工艺工程师宁可阻焊层分开板上所有焊盘特征,但是密间距元件的引脚间隔与焊盘尺寸将要求特殊的考虑。虽然在四边的QFP上不分区的阻焊层开口或窗口可能是可接受的,但是控制元件引脚之间的锡桥可能更加困难。对于BGA的阻焊层,许多公司提供一种阻焊层,它不接触焊盘,但是覆盖焊盘之间的任何特征,以防止锡桥。多数表面贴装的PCB以阻焊层覆盖,但是阻焊层的涂敷,如果厚度大于0.04mm(0.0015),可能影响锡膏的应用。表面贴装PCB,特别是那些使用密间距元件的,都要求一种低轮廓感光阻焊层。阻焊材料必须通过液体??湿 工艺或者干薄膜叠层来使用。干薄膜阻焊材料是以0.07-0.10mm(0.003-0.004)厚度供应的,可适合于一些表面贴装产品,但是这种材料不推荐用于密间距应用。很少公司提供薄到可以满足密间距标准的干薄膜,但是有几家公司可以提供液体感光阻焊材料。通常,阻焊的开口应该比焊盘大0.15mm(0.006)。这允许在焊盘所有边上0.07mm(0.003″)的间隙。低轮廓的液体感光阻焊材料是经济的,通常指定用于表面贴装应用,提供精确的特征尺寸和间隙。

  结论
  密间距(fine-pitch)、BGA和CSP的装配工艺可以调整到满足可接受的效率水平,但是弯曲的引脚和锡膏印刷的不持续性经常给装配工艺合格率带来麻烦。虽然使用小型的密间距元件提供布局的灵活性,但是将很复杂的多层基板报上的元件推得更近,可能牺牲可测试性和修理。BGA元件的使用已经提供较高的装配工艺合格率和更多的布局灵活性,提供较紧密的元件间隔与较短的元件之间的电路。一些公司正企图将几个电路功能集成到一两个多芯片的BGA元件中来释放面积的限制。用户化的或专用的IC可以缓解PCB的栅格限制,但是较高的I/O数与较密的引脚间距一般都会迫使设计者使用更多的电路层,因此增加PCB制造的复杂性与成本。
  芯片规模的BGA封装被许多人看作是新一代手持与便携式电子产品空间限制的可行答案。许多公司也正在期待改进的功能以及更高的性能。当为这些元件选择最有效的接触点间距时,必须考虑硅芯片模块的尺寸、信号的数量、所要求的电源与接地点和在印制板上采用这些元件时的实际限制。虽然密间距的芯片规模(chip scale)与芯片大小的元件被看作是新出现的技术,但是主要的元件供应商和几家主要的电子产品制造商已经采用了一两种CSP的变化类型。在较小封装概念中的这种迅速增长是必须的,它满足产品开发商对减小产品尺寸、增加功能并且提高性能的需求。
???标签: 设计
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