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PCB規劃、布局和布線方面的設計技巧

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      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制作的,故被稱為“印刷”電路板。隨著PCB尺寸要求越來越小,器件密度要求越來越高,PCB設計的難度也越來越大。如何實現PCB高的布通率以及縮短設計時間,在這我們來談談對PCB規劃、布局和布線的設計技巧。 

    在開始布線之前應該對設計進行認真的分析以及對工具軟件進行認真的設置,這會使設計更加符合要求。 

    1 確定PCB的層數 

    電路板尺寸和布線層數需要在設計初期確定。布線層的數量以及層疊(STack-up)方式會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,實現期望的設計效果。目前多層板之間的成本差別很小,在開始設計時最好采用較多的電路層并使敷銅均勻分布。 

    2 設計規則和限制 

    要順利完成布線任務,布線工具需要在正確的規則和限制條件下工作。要對所有特殊要求的信號線進行分類,每個信號類都應該有優先級,優先級越高,規則也越嚴格。規則涉及印制線寬度、過孔的最大數量、平行度、信號線之間的相互影響以及層的限制, 這些規則對布線工具的性能有很大影響。 

    3 組件的布局 

    在優化裝配過程中,可制造性設計(DFM)規則會對組件布局產生限制。如果裝配部門允許組件移動,可以對電路適當優化,更便于自動布線。所定義的規則和約束條件會影響布局設計。自動布線工具一次只會考慮一個信號,通過設置布線的約束條件以及設定可布信號線的層,可以使布線工具能像設計師所設想的那樣完成布線。 

    比如,對于電源線的布局: 

    ①在PCB 布局中應將電源退耦電路設計在各相關電路附近, 而不要放置在電源部分,否則既影響旁路效果, 又會在電源線和地線上流過脈動電流,造成竄擾; 

    ②對于電路內部的電源走向,應采取從末級向前級供電,并將該部分的電源濾波電容安排在末級附近; 

    ③對于一些主要的電流通道,如在調試和檢測過程中要斷開或測量電流,在布局時應在印制導線上安排電流缺口。 

    另外,要注意穩壓電源在布局時,盡可能安排在單獨的印制板上。當電源與電路合用印制板時,在布局中,應該避免穩壓電源與電路元件混合布設或是使電源和電路合用地線。因為這種布線不僅容易產生干擾,同時在維修時無法將負載斷開,到時只能切割部分印制導線,從而損傷印制板。 

    雖然目前來看,PCB的表面處理工藝方面的變化并不是很大,好像還是比較遙遠的事情,但是應該注意到:長期的緩慢變化將會導致巨大的變化。在環保呼聲愈來愈高的情況下,PCB的表面處理工藝未來肯定會發生巨變。 

    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,不大可能長期保持為原銅,因此需要對銅進行其他處理。雖然在后續的組裝中,可以采用強助焊劑除去大多數銅的氧化物,但強助焊劑本身不易去除,因此業界一般不采用強助焊劑。 

    現在有許多PCB表面處理工藝,常見的是熱風整平、有機涂覆、化學鍍鎳/浸金、浸銀和浸錫這五種工藝,下面將逐一介紹。 

    1、熱風整平(噴錫) 

    熱風整平又名熱風焊料整平(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。熱風整平時焊料和銅在結合處形成銅錫金屬間化合物。PCB進行熱風整平時要沉在熔融的焊料中;風刀在焊料凝固之前吹平液態的焊料;風刀能夠將銅面上焊料的彎月狀最小化和阻止焊料橋接。 

    2、有機可焊性保護劑(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的簡稱, 中譯為有機保焊膜,又稱護銅劑,英文亦稱之Preflux。 簡單地說,OSP就是在潔凈的裸銅表面上,以化學的方法長出一層有機皮膜。 

    這層膜具有防氧化,耐熱沖擊,耐濕性,用以保護銅表面于常態環境中不再繼續生銹 (氧化或硫化等);但在后續的焊接高溫中,此種保護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間內與熔融焊錫立即結合 成為牢固的焊點。 

    3、全板鍍鎳金 

    板鍍鎳金是在PCB表面導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散。現在的電鍍鎳金有兩類:鍍軟金(純金,金表面看起來不亮)和鍍硬金(表面平滑和硬,耐磨,含有鈷等其他元素,金表面看起來較光亮)。軟金主要用于芯片封裝時打金線;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,這可以長期保護PCB;另外它也具有其它表面處理工藝所不具備的對環境的忍耐性。此外沉金也可以阻止銅的溶解,這將有益于無鉛組裝。 

    5、沉錫 

    由于目前所有的焊料都是以錫為基礎的,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,這個特性使得沉錫具有和熱風整平一樣的好的可焊性而沒有熱風整平令人頭痛的平坦性問題;沉錫板不可存儲太久,組裝時必須根據沉錫的先后順序進行。 

    6、沉銀 

    沉銀工藝介于有機涂覆和化學鍍鎳/沉金之間,工藝比較簡單、快速;即使暴露在熱、濕和污染的環境中,銀仍然能夠保持良好的可焊性,但會失去光澤。沉銀不具備化學鍍鎳/沉金所具有的好的物理強度因為銀層下面沒有鎳。 

    7、化學鎳鈀金 

    化學鎳鈀金與沉金相比是在鎳和金之間多了一層鈀,鈀可以防止出現置換反應導致的腐蝕現象,為沉金作好充分準備。金則緊密的覆蓋在鈀上面,提供良好的接觸面。 

    8、電鍍硬金 

    為了提高產品耐磨性能,增加插拔次數而電鍍硬金。 

    隨著用戶要求愈來愈高,環境要求愈來愈嚴,表面處理工藝愈來愈多,到底該選擇那種有發展前景、通用性更強的表面處理工藝,目前看來好像有點眼花繚亂、撲朔迷離。PCB表面處理工藝未來將走向何方,現在亦無法準確預測。不管怎樣,滿足用戶要求和保護環境必須首先做到! 

 

2018年12月17日 16:17
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