PCB設(shè)計(jì)中迎接0.3mm超細(xì)間距器件挑戰(zhàn)

電子 OEM 市場(chǎng)的絕大部分正迅速朝著產(chǎn)品小型化以及更高水平的功能集成方向發(fā)展。

的例子是新一代的智能手機(jī)和移動(dòng)/無(wú)線設(shè)備。而無(wú)論業(yè)界是否準(zhǔn)備好，0.3 毫米 （mm） 超細(xì)間距微型 CSP（芯片級(jí)封裝）、微型 BGA（球柵陣列）和其他有源器件正在迅速被引入，引領(lǐng)新一代的設(shè)計(jì)更薄、更快、更時(shí)尚的便攜式手持電子產(chǎn)品和通信設(shè)備。

因此，印刷電路板 （PCB） 組裝——無(wú)論是否受益于經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的 0.3 毫米間距技術(shù)訣竅——處于這個(gè)圖騰柱的頂端，而負(fù)擔(dān)則落在合同制造商 （CM） 和電子制造服務(wù) （EMS） 供應(yīng)商身上解決相關(guān)問(wèn)題。

或者，你可以這樣想。許多幼稚的電子裝配廠和原始設(shè)備制造商無(wú)意中使用了上一代布局規(guī)則，卻對(duì)后果保持無(wú)辜。

挑戰(zhàn)

讓我們首先說(shuō)明，目前還沒(méi)有專門為支持 0.3 毫米間距 CSP 而定制的正式設(shè)計(jì)指南或布局規(guī)則。電子行業(yè)還沒(méi)有提出執(zhí)行 0.3 毫米間距設(shè)計(jì)和布局項(xiàng)目的非常重要的規(guī)范和知識(shí)。

因此，如今許多 PCB 設(shè)計(jì)和布局工程師在很大程度上依賴傳統(tǒng)的 0.5 毫米間距IPC 設(shè)計(jì)指南和布局規(guī)則來(lái)開發(fā)新的基于 0.3 毫米間距器件的設(shè)計(jì)。

例如，舊的設(shè)計(jì)指南允許 PCB 設(shè)計(jì)和布局工程師設(shè)計(jì)一個(gè)直徑比 BGA/CSP 焊球直徑小 20% 的焊球焊盤。 下面的圖 1 顯示了一個(gè)焊球焊盤，其直徑比 CSP/BGA 焊球的直徑小 20%（A = B = 80% x 焊球直徑）。

圖 1. 直徑比 CSP/BGA 焊球直徑小 20% 的焊球焊盤（A = B = 80% x 焊球直徑）。（：安捷倫應(yīng)用筆記）

如下圖 2a 至 2c所示，CSP/BGA 焊球直徑減少 20% 的焊球焊盤允許 PCB 設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)狗骨式布局，NSMD 非阻焊層定義（ NSMD） 具有非阻焊層的焊盤覆蓋銅和阻焊層之間的間隙，并設(shè)計(jì)具有低精度阻焊層定義的焊盤尺寸和低精度焊盤中心位置的阻焊層定義 （SMD） 焊盤。
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圖 2a – CSP/BGA 焊盤的狗骨式布局。（：Actel Corporation 應(yīng)用說(shuō)明）

圖 2b – NSMD CSP/BGA 焊盤和 SMD CSP/BGA 焊盤的側(cè)視圖（：Altera 公司應(yīng)用說(shuō)明）。

圖 2c – NSMD CSP/BGA 焊點(diǎn)和 NSMD CSP/BGA 焊點(diǎn)的側(cè)視圖（：Altera Corporation 應(yīng)用說(shuō)明）

現(xiàn)在，考慮 0.3 毫米間距微型 CSP 組件的焊球尺寸非常小——不到 820 萬(wàn)。按照 0.5 毫米間距設(shè)計(jì)指南中的規(guī)定減少 20% 后，CSP 焊盤尺寸明顯更小。

很明顯，這個(gè)階段會(huì)產(chǎn)生無(wú)數(shù)的焊接缺陷，導(dǎo)致終良率相當(dāng)?shù)?。PCB 設(shè)計(jì)人員在遵循 0.5 毫米間距設(shè)計(jì)指南時(shí)使用阻焊層定義的焊盤。

阻焊層孔徑和非常小的間距 1180 萬(wàn)（0.3 毫米）存在 +/- 3 密耳公差，如下圖 3 所示。 因此，非常小的阻焊層（小于 4 – 5 百萬(wàn)）無(wú)法牢固地連接并存在于兩個(gè)焊盤之間。

圖 3 – 雙層 CSP 示例的底視圖和橫截面。0.3 mm 間距表示焊球中心與下一個(gè)焊球中心之間的距離為 11.8 mil。（：Actel Corporation 應(yīng)用說(shuō)明）

一個(gè)焊盤中心與下一個(gè)焊盤中心之間的距離為 11.8 密耳。這是 40% 的間距減少。這里損失了 7.1 密耳以適應(yīng)掩模公差和間隙以牢固地固定掩模層以防止焊料橋接缺陷。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)指南要求兩個(gè)相鄰焊盤之間的阻焊層間隙至少為 6 密耳，以實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)質(zhì)量和可靠性。

現(xiàn)在，當(dāng)談到新的 0.3 毫米超細(xì)間距技術(shù)時(shí)，PCB 設(shè)計(jì)工程師無(wú)法為 6 密耳阻焊層間隙找到足夠的空間。狗骨式焊盤布局沒(méi)有空間；并且在銅和阻焊層之間沒(méi)有非阻焊層覆蓋間隙的空間。

對(duì)于 SMD 焊盤布局，允許焊膏位于 SMD 掩模層上方，對(duì)于 NSMD 布局，允許焊膏位于非掩模區(qū)域上方，風(fēng)險(xiǎn)太大。SMD land pad 和 NSMD land pad 都有很高的焊錫橋接、焊錫飛濺、焊錫不足和焊錫開路等缺陷傾向。基本上，DFM 要求與 0.3 毫米間距半導(dǎo)體制造商規(guī)范中的布局要求相沖突。

目前的 PCB 制造限制給 0.3 毫米間距技術(shù)帶來(lái)了很多問(wèn)題。例如，有 +/- 3 密耳掩膜層孔徑公差和 +/- 1 密耳銅墊公差。標(biāo)準(zhǔn)掩模技術(shù)無(wú)法在非常小的區(qū)域內(nèi)（小于 4 – 5 百萬(wàn)）安全地應(yīng)用掩模層。

阻焊層附件至少需要 6 密耳。+/- 3 密耳的掩模層孔徑誤差將導(dǎo)致貼片機(jī) （P&P）（即使具有機(jī)器視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)能力）錯(cuò)過(guò)晶圓廠球墊。CSP 的工廠球墊對(duì)于 P&P 機(jī)器來(lái)說(shuō)太?。繙p少 20% 規(guī)則 4-600 萬(wàn)）。由于標(biāo)準(zhǔn)制造技術(shù)的限制，終的焊點(diǎn)將具有開焊和焊料不足的缺陷。

0.3 毫米間距組裝工藝還存在許多與模板限制相關(guān)的問(wèn)題，這大大降低了終組裝成品率。一是由于模板孔徑和掩模/焊盤公差小，模板上的焊膏釋放效果不佳。

由于掩模層放置錯(cuò)誤，掩模層頂部有一些粘貼，因?yàn)?Gerber 定義的模板孔位置（非常準(zhǔn)確）不是掩模定義的焊盤位置（通常為 +/- 3距 Gerber 定義的 XY 位置 10 萬(wàn)英里）。

由于極其緊密的 0.3 毫米間距，焊膏很容易在焊球接頭之間形成焊橋缺陷。兩個(gè)接頭之間的距離減少了 40%（與 0.5 毫米間距技術(shù)相比，0.3 毫米間距比 0.5 毫米小 0.2 毫米。

這意味著 0.3 / 0.5 = 60%）。此外，兩個(gè)接頭之間缺少或未固定的阻焊層會(huì)使情況變得更糟，這是焊料橋接的另一個(gè)根本原因。

實(shí)際上，使用 0.3 毫米間距器件時(shí) PCB 設(shè)計(jì)布局中的一系列問(wèn)題會(huì)在制造和組裝階段觸發(fā)多米諾骨牌效應(yīng)。其中包括與模板、焊膏和拾放相關(guān)的極有可能的陷阱。

目前大多數(shù)貼片機(jī)只能處理 0.4 毫米間距的元件，不能處理 0.3 毫米間距的微型 CSP，因此會(huì)產(chǎn)生諸如焊點(diǎn)焊料不足和焊料橋接等回流焊問(wèn)題。今天，沒(méi)有有效的措施來(lái)防止錯(cuò)誤放置在具有 +/- 3 密爾誤差的焊盤上。