PCB布線及表面處理工藝

PCB中文名稱為印制電路板，又稱印刷電路板、印刷線路板，是重要的電子部件，是電子元器件的支撐體，是電子元器件電氣連接的提供者。由于它是采用電子印刷術(shù)制作的，故被稱為“印刷”電路板。隨著PCB尺寸要求越來(lái)越小，器件密度要求越來(lái)越高，PCB設(shè)計(jì)的難度也越來(lái)越大。如何實(shí)現(xiàn)PCB高的布通率以及縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，在這筆者談?wù)剬?duì)PCB規(guī)劃、布局和布線的設(shè)計(jì)技巧。

在開始布線之前應(yīng)該對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行認(rèn)真的分析以及對(duì)工具軟件進(jìn)行認(rèn)真的設(shè)置，這會(huì)使設(shè)計(jì)更加符合要求。

1 確定PCB的層數(shù)

電路板尺寸和布線層數(shù)需要在設(shè)計(jì)初期確定。布線層的數(shù)量以及層疊(STack-up)方式會(huì)直接影響到印制線的布線和阻抗。板的大小有助于確定層疊方式和印制線寬度，實(shí)現(xiàn)期望的設(shè)計(jì)效果。目前多層板之間的成本差別很小，在開始設(shè)計(jì)時(shí)最好采用較多的電路層并使敷銅均勻分布。

2 設(shè)計(jì)規(guī)則和限制

要順利完成布線任務(wù)，布線工具需要在正確的規(guī)則和限制條件下工作。要對(duì)所有特殊要求的信號(hào)線進(jìn)行分類，每個(gè)信號(hào)類都應(yīng)該有優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)越高，規(guī)則也越嚴(yán)格。規(guī)則涉及印制線寬度、過(guò)孔的最大數(shù)量、平行度、信號(hào)線之間的相互影響以及層的限制， 這些規(guī)則對(duì)布線工具的性能有很大影響。

3 組件的布局

在最優(yōu)化裝配過(guò)程中，可制造性設(shè)計(jì)(DFM)規(guī)則會(huì)對(duì)組件布局產(chǎn)生限制。如果裝配部門允許組件移動(dòng)，可以對(duì)電路適當(dāng)優(yōu)化，更便于自動(dòng)布線。所定義的規(guī)則和約束條件會(huì)影響布局設(shè)計(jì)。自動(dòng)布線工具一次只會(huì)考慮一個(gè)信號(hào)，通過(guò)設(shè)置布線的約束條件以及設(shè)定可布信號(hào)線的層，可以使布線工具能像設(shè)計(jì)師所設(shè)想的那樣完成布線。

比如，對(duì)于電源線的布局：

①在PCB 布局中應(yīng)將電源退耦電路設(shè)計(jì)在各相關(guān)電路附近， 而不要放置在電源部分，否則既影響旁路效果， 又會(huì)在電源線和地線上流過(guò)脈動(dòng)電流，造成竄擾;

②對(duì)于電路內(nèi)部的電源走向，應(yīng)采取從末級(jí)向前級(jí)供電，并將該部分的電源濾波電容安排在末級(jí)附近;

③對(duì)于一些主要的電流通道，如在調(diào)試和檢測(cè)過(guò)程中要斷開或測(cè)量電流，在布局時(shí)應(yīng)在印制導(dǎo)線上安排電流缺口。

另外，要注意穩(wěn)壓電源在布局時(shí)，盡可能安排在單獨(dú)的印制板上。當(dāng)電源與電路合用印制板時(shí)，在布局中，應(yīng)該避免穩(wěn)壓電源與電路元件混合布設(shè)或是使電源和電路合用地線。因?yàn)檫@種布線不僅容易產(chǎn)生干擾，同時(shí)在維修時(shí)無(wú)法將負(fù)載斷開，到時(shí)只能切割部分印制導(dǎo)線，從而損傷印制板。

雖然目前來(lái)看，PCB的表面處理工藝方面的變化并不是很大，好像還是比較遙遠(yuǎn)的事情，但是應(yīng)該注意到：長(zhǎng)期的緩慢變化將會(huì)導(dǎo)致巨大的變化。在環(huán)保呼聲愈來(lái)愈高的情況下，PCB的表面處理工藝未來(lái)肯定會(huì)發(fā)生巨變。

表面處理最基本的目的是保證良好的可焊性或電性能。由于自然界的銅在空氣中傾向于以氧化物的形式存在，不大可能長(zhǎng)期保持為原銅，因此需要對(duì)銅進(jìn)行其他處理。雖然在后續(xù)的組裝中，可以采用強(qiáng)助焊劑除去大多數(shù)銅的氧化物，但強(qiáng)助焊劑本身不易去除，因此業(yè)界一般不采用強(qiáng)助焊劑。

現(xiàn)在有許多PCB表面處理工藝，常見(jiàn)的是熱風(fēng)整平、有機(jī)涂覆、化學(xué)鍍鎳/浸金、浸銀和浸錫這五種工藝，下面將逐一介紹。

1、熱風(fēng)整平(噴錫)

熱風(fēng)整平又名熱風(fēng)焊料整平(俗稱噴錫)，它是在PCB表面涂覆熔融錫(鉛)焊料并用加熱壓縮空氣整(吹)平的工藝，使其形成一層既抗銅氧化，又可提供良好的可焊性的涂覆層。熱風(fēng)整平時(shí)焊料和銅在結(jié)合處形成銅錫金屬間化合物。PCB進(jìn)行熱風(fēng)整平時(shí)要沉在熔融的焊料中;風(fēng)刀在焊料凝固之前吹平液態(tài)的焊料;風(fēng)刀能夠?qū)~面上焊料的彎月狀最小化和阻止焊料橋接。

2、有機(jī)可焊性保護(hù)劑(OSP)

OSP是印刷電路板(PCB)銅箔表面處理的符合RoHS指令要求的一種工藝。 OSP是Organic Solderability PreservaTIves的簡(jiǎn)稱， 中譯為有機(jī)保焊膜，又稱護(hù)銅劑，英文亦稱之Preflux。 簡(jiǎn)單地說(shuō)，OSP就是在潔凈的裸銅表面上，以化學(xué)的方法長(zhǎng)出一層有機(jī)皮膜。

這層膜具有防氧化，耐熱沖擊，耐濕性，用以保護(hù)銅表面于常態(tài)環(huán)境中不再繼續(xù)生銹 (氧化或硫化等);但在后續(xù)的焊接高溫中，此種保護(hù)膜又必須很容易被助焊劑所迅速清除，如此方可使露出的干凈銅表面得以在極短的時(shí)間內(nèi)與熔融焊錫立即結(jié)合 成為牢固的焊點(diǎn)。

3、全板鍍鎳金

板鍍鎳金是在PCB表面導(dǎo)體先鍍上一層鎳后再鍍上一層金，鍍鎳主要是防止金和銅間的擴(kuò)散。現(xiàn)在的電鍍鎳金有兩類：鍍軟金(純金，金表面看起來(lái)不亮)和鍍硬金(表面平滑和硬，耐磨，含有鈷等其他元素，金表面看起來(lái)較光亮)。軟金主要用于芯片封裝時(shí)打金線;硬金主要用在非焊接處的電性互連。

4、沉金

沉金是在銅面上包裹一層厚厚的、電性良好的鎳金合金，這可以長(zhǎng)期保護(hù)PCB;另外它也具有其它表面處理工藝所不具備的對(duì)環(huán)境的忍耐性。此外沉金也可以阻止銅的溶解，這將有益于無(wú)鉛組裝。

5、沉錫

由于目前所有的焊料都是以錫為基礎(chǔ)的，所以錫層能與任何類型的焊料相匹配。沉錫工藝可以形成平坦的銅錫金屬間化合物，這個(gè)特性使得沉錫具有和熱風(fēng)整平一樣的好的可焊性而沒(méi)有熱風(fēng)整平令人頭痛的平坦性問(wèn)題;沉錫板不可存儲(chǔ)太久，組裝時(shí)必須根據(jù)沉錫的先后順序進(jìn)行。

6、沉銀

沉銀工藝介于有機(jī)涂覆和化學(xué)鍍鎳/沉金之間，工藝比較簡(jiǎn)單、快速;即使暴露在熱、濕和污染的環(huán)境中，銀仍然能夠保持良好的可焊性，但會(huì)失去光澤。沉銀不具備化學(xué)鍍鎳/沉金所具有的好的物理強(qiáng)度因?yàn)殂y層下面沒(méi)有鎳。

7、化學(xué)鎳鈀金

化學(xué)鎳鈀金與沉金相比是在鎳和金之間多了一層鈀，鈀可以防止出現(xiàn)置換反應(yīng)導(dǎo)致的腐蝕現(xiàn)象，為沉金作好充分準(zhǔn)備。金則緊密的覆蓋在鈀上面，提供良好的接觸面。

8、電鍍硬金

為了提高產(chǎn)品耐磨性能，增加插拔次數(shù)而電鍍硬金。

隨著用戶要求愈來(lái)愈高，環(huán)境要求愈來(lái)愈嚴(yán)，表面處理工藝愈來(lái)愈多，到底該選擇那種有發(fā)展前景、通用性更強(qiáng)的表面處理工藝，目前看來(lái)好像有點(diǎn)眼花繚亂、撲朔迷離。PCB表面處理工藝未來(lái)將走向何方，現(xiàn)在亦無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。不管怎樣，滿足用戶要求和保護(hù)環(huán)境必須首先做到!