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pcb材料,阻抗控制以及叠层的DFM设 计


DFM 设计

材料简介: 常用 FR4 材料简介: 阻抗控制: 阻抗控制: 表面处理: 表面处理: 叠层设计: 叠层设计:

材料简介: 常用 FR4 材料简介:
由什么组成: 由什么组成:
不是一种材料名称,而是一种材料等级,目前一般电路板所用的 FR-4 等级材料就有 非常多的种类,但是多数都是以所谓的四功能(Tera-Function)的环氧树脂加上填充剂 (Filler)以及玻璃纤维所做出的复合材料。

板材的种类: 板材的种类:如 core,pp。各自的厚度参考表 , 。
我们设置的层叠,工厂是否可以不加改动直接叠压出来,需要结合以下三张表格的数据:
1、常用芯板(即我们常说的 CORE)厚度对照表(两位小数的代表介质厚度,一位小数的包括铜箔厚度):

芯板(标称 值)mm 英制(mil) 芯板(标称 值)mm 英制(mil) 0.8 31.5 1 38.98 1.2 45.28 1.6 61.02 2 76.77 2.4 92.52 2.5 96.46 0.10 4 0.13 5 0.21 8 0.25 10 0.36 14 0.51 20 0.71 28

2、三种常用半固化片(即我们常说的 PP)在不同条件下的厚度取值(mil) copper 代表 TOP 和 BOTTOM 层,gnd 代表电源或地层,signal 代表信号层。 介质 厚度 1080 2116 7628 介质 厚度 1080 2116 7628 Copper/Gnd 2.8 4.5 7.1 Gnd/Gnd 2.6 4.3 6.8 Copper/Gnd 2.8 4.6 7.3 Gnd/Gnd 2.6 4.4 7 0.5Oz Copper/Signal 2.5 4.2 6.8 1Oz Copper/Signal 2.5 4.1 6.6 GND/signal 2.4 3.9 6.5 Signal/Signal 2.2 3.7 6.4 GND/signal 2.4 4 6.7 Signal/Signal 2.2 3.8 6.6

3、工厂常用的标准铜厚参数对照表:

标称基铜规 格(um/OZ) 内层计算铜 厚(mil) 外层计算铜 厚(mil) 1.9 2.56 3.94 0.6 1.2 2.6 18/0.5 35/1.0 70/2.0

阻抗控制: 阻抗控制:
阻抗受哪些因素影响
对于一个 pcb 微带线影响阻抗的主要是线宽、线路的厚度、 到参考平面的距离和所使用的材 料的介电常数。 其它一些常被忽略的因素为蚀刻因子,信号的频率,温度的变化

的哪些方面? 信号脉冲的上升时间影响 pcb 的哪些方面 ? 有怎样的影 响?
信号的带宽由上升时间决定,带宽=0.35/信号上升时间。 我们可以对一个信号进行傅立叶分解,得到信号的频谱。对于周期信号,频谱是离散的,对于非 周期信号,它的频谱是离散的。 我们可以把 PCB 板的信号看做是周期的,它可以分解成信号的基频的 1 倍,3 倍,5 倍等奇频信 号再乘以它的幅值之和一般来说,频率越高的幅值越小,即 f(x)=A1*coswx+A3cos3wx+A5*co s5wx+......,因为它有无穷多项,实际上带宽就是将无穷多项化成有限项。我们成上面的公式可 以看出,它是由不断增加的频率的和组成,带宽就是这个和式的上限频率,把高于它的频率的和 式略掉。因为高与带宽的频率的幅值与 A1 相比很小。 对于高速信号,频率越高,损耗越大。因此,我们把信号分解成不同频率的信号之和时,不 同频率的信号损耗各不同,我们再将信号还原时,信号的高频部分被损耗掉了,必然造成信号的 上升时间增加。观察信号的眼图时,会有眼图塌陷。 因此,信号上升时间越小,损耗就越大。 同时, 由于信号的上升时间变长, 信号之间的干扰(ISI)也会增加。 因为前面的信号还在上升时, 后面的信号就跟上来了,就会相互干扰。 还有,信号的上升时间会影响信号之间的串扰(crosstalk),特别时远端串扰,它与上升时间成反 比。

常规 FR4 板材的介电常数列表
要使我们的阻抗计算结果更接近实际值,需要结合以下三张表格:
1、线条梯形截面参数对照表:

层别/线宽

基铜厚 (um/OZ) 18/0.5 35/1.0

上线宽 (mil) (W) W1-0.5 W1-1 W1-1 W1-0.8

下线宽 (mil) (W1) W1 W1 W1 W1-0.5

内层

外层

18/0.5 35/1.0

(注:W1=预设计线宽)

阻抗计算要注意的事情:如线的剖面是一个梯形,计算的时候要注意 W1,W2 不一样的

2、半固化片组合的介电常数 半固化片型 号 7268 2116 1080 均值,例如: 1080+2116---(4.3+4.5)/2 7628+2116---(4.5+4.7)/2 树脂含量 (%) 41±3 52±3 64±3 介电常数值 ε 1MHZ 4.6±0.2 4.4±0.2 4.2±0.2 1GHZ 4.3±0.2 4.0±0.2 3.7±0.2

半固化片组合的介电常数为各半固化片的算术平

3.各种厚度芯板的介电常数及损耗角正切(测试条件为 C-40/23/50)

厚 度(mm) 介电常数 ε 1MHZ 1GHZ 损耗角正切 tgδ 厚 度 (mm) 介电常数 ε 1MHZ 1GHZ 损耗角正切 tgδ

0.13 4.4±0.2 4.0±0.2 0.0035 1 4.6±0.2 4.2±0.2 0.0035

0.15 4.2±0.2 3.7±0.2 0.0034 1.2 4.6±0.2 4.2±0.2 0.0035

0.21 4.6±0.2 4.3±0.2 0.0035 1.5 4.6±0.2 4.2±0.2 0.0035

0.25 4.4±0.2 4.0±0.2 0.0034 1.6 4.6±0.2 4.2±0.2 0.0035

0.36 4.6±0.2 4.3±0.2 0.0035 2 4.6±0.2 4.2±0.2 0.0035

0.51 4.5±0.2 4.2±0.2 0.0035 2.4 4.6±0.2 4.2±0.2 0.0035

0.71 4.6±0.2 4.2±0.2 0.0035 3 4.6±0.2 4.3±0.2 0.0035

0.79 4.5±0.2 4.2±0.2 0.0035 3.2 4.6±0.2 4.3±0.2 0.0035

表面处理: 表面处理:
DFM 考虑: 考虑:
喷锡 沉金 渡金 无铅喷锡
PCb 沉锡工艺是为有利于 SMT 与芯片封装而特别设计的在铜面上以化学方式沉积锡金属镀层,是取代 Pb-Sn 合金镀层制程的一种绿色环保新工艺,已广泛使用与电子产品(如线路板、电子器件)与五金件、 装饰品等表面处理。 一、沉锡工艺特点 1.在 155℃下烘烤 4 小时(即相当于存放一年) ,或经 8 天的高温高湿试验(45℃、相对湿度 93%) , 或经三次回流焊后仍具有优良的可焊性; 2.沉锡层光滑、平整、致密,比电镀锡难形成铜锡金属互化物,无锡须; 3.沉锡层厚度可达 0.8-1.5?m,可耐多次无铅焊冲击; 4.溶液稳定,工艺简单,可通过分析补充而连续使用,无需换缸; 5.既适于垂直工艺也适用于水平工艺; 6.沉锡成本远低于沉镍金,与热风整平相当; 7.对于喷锡易短路的高密度板有明显的技术优势,适用于细线高密度 IC 封装的硬板和柔性板; 8.适用于表面贴装(SMT)或压合(Press-fit)安装工艺; 9.无铅无氟,对环境无污染,免费回收废液。 二、沉锡工艺流程顺序: 流程 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 缸号 1 2、3 4 5、6 7 8、9 10 11 12 13、14 15、16 流程 除油 两级水洗 微蚀 两级水洗 浸酸 DI 水洗 预浸 沉锡 热 DI 水洗 二级 DI 水洗 热 DI 水洗 时间 范围 2-4min 1-2min 60-90sec 1-2min 60-90sec 60-90sec 1-3min 10-12min 1-3min 1-3min 1-3min 最佳 时间 3min 2min 60sec 2min 60sec 60sec 2min 12min 2min 2min 2min 温度 30-40℃ 室温 室温 室温 室温 室温 室温 50-60℃ 50-55℃ 室温 50-55℃ √ √ √ 过滤 √

三、Final Surface Cleaner 表面除油: 1.开缸成分: M401 酸性除油剂……….100ml/L 浓 H2SO4…………………50ml/L DI 水……………………..其余 作 用:除去电路板表面油污,氧化层和手指印。此除油剂与目前市面上常见的所有阻焊油墨都兼容。

2.操作参数: 温度:30-40℃,最佳值:35℃

分析频率:除油剂,每天一次 控制:除油剂 80-120ml/L,最佳值:100ml/L 铜含量:小于 1.5g/L 补充:M401,增加 1%含量需补充 10ml/L 过滤:20? 滤芯连续过滤,换缸时换滤芯。 寿命:铜含量超过 1.5g/L 或每升处理量达到 500 呎。 四、Microetch 微蚀: 1.开缸成分: Na2S2O4……………….120g/L H2SO4…………………40ml/L DI 水………………….其余 程序:①向缸中注入 85%的 DI 水; ②加入计算好的化学纯 H2SO4,待冷却至室温; ③加入计算好的 Na2S2O4,搅拌至全溶解; ④补 DI 水至标准位置。 2.操作参数: 温度:室温即可 分析频率:H2S04,每班一次 铜含量,每天一次 微蚀率,每天一次 控制:铜含量少于 50g/L 微蚀率:30-50?,最佳值:40? 补充:Na2S2O4,每补加 10g/L,增加 1%的含量 H2SO4,每补加 4ml/L,增加 1%的含量 寿命:铜含量超过 50g/L 时稀释至 15g/L,并补充 Na2S2O4 和 H2SO4 五、Predip 预浸: 1.开缸:10% M901 预浸液;其余:DI 水 用途:在沉锡前湿润微蚀出的铜面,此预浸液对任何阻焊油墨都没有攻击性; 2.操作参数: 温度: 室温 分析频率:酸当量,每天一次 铜含量:每周一次 补充:酸当量,每添加 100ml/LM901,增加 0.1 当量 液位:以 DI 水补充 过滤:20? 滤芯连续过滤 寿命:与沉锡缸同时更换 3.废水处理:与后处理废液中和后过滤出固体物质。 六、Chemical Tin 沉锡: 1.设备:预浸和化学锡缸均适用; 缸体: PP 或 PVC 缸均可; 摆动:PCB 架在缸内摆动,避免气体搅拌; 过滤:10? 滤芯连续过滤; 通风:建议 15MPM 通风量; 加热器:钛氟龙或石英加热器;

注意:不能有钢铁材料在缸内 2.开缸:100% Sn9O2 沉锡液开缸,此沉锡液对任何阻焊油墨都没有攻击性; 3.操作参数: 锡浓度:20-24g/L,最佳:22g/L 硫脲浓度:90-110g/L,最佳:100g/L 磺酸含量:90-110ml/L,最佳:100ml/L 铜离子浓度:最高 8g/L 时,必须冷却过滤; 温度:70-75℃ 时间:10-15 分钟 4.沉锡液的维护: 沉锡液维护简单,主要成分可通过分析补充,使其保持在最佳工艺范围内: ①每加入 12ml/L 沉锡液可提高 1g/L 的锡浓度,使锡浓度保持在 20-24g/L 之间; ②每加入 10ml/L 10%硫脲溶液可提高硫脲 1g/L,使硫脲浓度保持在 90-110g/L 之间; ③按分析值补充有机磺酸的含量,使其保持在 90-110ml/L 之间; ④蒸发损失可用去离子水补充液位。 5.成份分析: 1)锡的分析: ①试剂:0.1N 碘溶液、30%硫酸溶液、淀粉溶液 ②分析步骤: a) 准确吸取 2ml 溶液到 250ml 烧瓶中; b) 加入 15ml 30%硫酸溶液; c) 加入 100ml 去离子水; d) 加入 2ml 淀粉溶液; e) 用 0.1N 标准碘溶液滴定至兰紫色终点,记录毫升数 V; 计算:锡含量 Sn(Ⅱ)(g/L)=2.69V; 2)有机磺酸的分析: ① 试剂: a) 10%Mg EDTA 溶液: 122.76g Na2EDTA 2H2O 和 39.6g MgSO4 到 800ml 的去离子水中, 1N NaOH 加 用 溶液调节 PH 值至 7,再加水至 1000ml; b)兰指示剂溶液或 0.1%乙醇溶液; c)0.1N 标准 NaOH 溶液。 ② 分析步骤: a)准确吸取 1.0ml 沉锡液到 250ml 烧瓶中,加入 100ml 去离子水; b)加入 2ml Mg EDTA 溶液及 5 滴溴酚兰指示剂溶液; c)用 0.1N 标准 NaOH 溶液滴定至溶液由黄色变为绿色终点(PH6.7),记录毫升数 V; 计算:有机磺酸(g/L)=9.61V 3)硫脲的分析: ① 分析步骤: a)将沉锡槽内取出的样品溶液冷至室温,然后过滤,收取滤液; b)准确吸取 2ml 滤液至 200ml 容量瓶中,加去离子水至刻度,混匀; c)准确吸取 5ml 稀释液至 1000ml 容量瓶中,加去离子水至刻度,混匀(即总共稀释两万倍) ; d)用紫外光光度计于 236nm 处,10mm 石英比色皿,以去离子水为参比,测定稀释液的消光值; 计算:硫脲(g/L)=128×消光值 6.影响沉锡速率的因素:

1)温度的影响:在 40℃至 80℃的区间,沉锡速率随温度的升高而加快; 2)时间的影响:锡层厚度随时间的延长而增加,但在 60℃下 20 分钟后厚度趋于稳定,因此生产上选择 在 60℃下沉锡 10-12 分钟,可以得到 1.5?m(60 微英寸)足够厚的锡层。

3)锡浓度的影响:沉锡速度随着锡浓度的增加而上升,但沉锡层的外观幷不随着锡浓度的升高而有任 何变化,因此增加锡浓度是提高沉锡速率的有效方法之一; 4)有机磺酸浓度的影响: 沉锡的速率随有机磺酸的浓度上升而加快, 当有机磺酸的含量超过 110g/L 后, 速率基本不变,但当有机磺酸浓度低于 50ml/L 时所形成的锡层会呈雾状; 5)硫脲浓度的影响:沉锡速率随硫脲浓度的上升而加快,但硫脲浓度超过 250g/L 时,锡层外观变得粗 糙、毛刺多。

PCB 设计时,为何要铺铜? 设计时,为何要铺铜?
一般铺铜有几个方面原因: 1,EMC 对于大面积的地或电源铺铜,会起到屏蔽作用,有些特殊地,如 PGND 起到防护 作用。 2,PCB 工艺要求。一般为了保证电镀效果,或者层压不变形,对于布线较少的 PCB 板层 铺铜。 3,信号完整性要求,给高频数字信号一个完整的回流路径,并减少直流网络的布线。 当然还有散热,特殊器件安装要求铺铜等等原因。

叠层设计: 叠层设计:
叠层要对称: 叠层要对称:对称的层的铜含量要对称
为了将板子扭曲的几率减到最小,保证电镀效果,得到平坦的完成板,多基板的分层应 保持对称。即具有偶数铜层,并确保铜的厚度和板层的铜箔图形密度对称。通常层压桓使用 的构造材料的径向(例如,玻璃纤维布)应该与层压板的边平行。因为粘接后层压板沿径向 收缩,这会使电路板的布局发生扭曲,表现出易变的和低的空间稳定性。 然而, 通过改善设计可以使多基板的翘曲和扭曲达到最小。 通过整个层面上铜箔的平均 分布和确保多基板的结构对称, 也就是保证预浸材料相同的分布和厚度, 可达到减小翘曲和 扭曲的目的。铜和碾压层应该从多基板的中心层开始制作,直到最外面的两层。规定在两个 铜层之间的最小的距离(电介质厚度)是 0.080mm。 由经验可知, 两个铜层之间的最小距离, 也就是粘接之后预浸材料的最小厚度必须至少 是被嵌入的铜层厚度的两倍。换一句话说,两个邻近的铜层,如果每一层厚度是 30?m , 则预浸材料的厚度至少是 2 (2 x 30?m) =120?m ,这可通过使用两层预浸材料实现(玻 璃纤维。

叠层的层间距厚度注意事项 。 因为三张 pp 的厚度最大 ??mil 是??mil,所以层间厚度不能超过?? ?? ,所以层间厚度不能超过??
线宽、间距和介电常数,就可以综合考虑 copper 厚度、core 的厚度、pp 的厚度等参数 PCB 生产厂家的 PCB 采用两种介质: 芯材和半固化片, 芯材和半固化片的交替叠加构成 PCB 板. 芯材是两面附有铜箔的介质,即一个简单的双面板。芯材有以下 10 几种规格:0.1mm、 0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm、1.2mm、1.5mm、 1.6mm、2.0mm、2.4mm。 注意:在进行阻抗控制的时候,一定要考虑到芯材的厚度中是否包含了铜箔的厚度。 半固化片有 1080、2116、7628 等三种规格,应至少选择两片以上的半固化片进行组合。由 于半固化片在层压期间,会出现流稀的现象,使得介质的厚度变薄。应当注意计算阻抗时对 于走线层铜箔层压时会嵌入介质中,平面层不受影响。



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