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多层电路板的尺寸规划与控制

  多层电路板是由介电层及线路所构成的结构性元件,而线路配置在介电材料的表面及内部。在从事设计工作时必须要有共通的尺寸规划准则,否则无法使市面上的多数电子元件达成共通性,这样的配线设计规则就是电路板的设计准则(DesignRule)。

  1.格点(Grid)

  因为电路板上所有的元件位置都是相对坐标关系,在原始的电路板线路配置想法,是以设想的格线在电路板平面上分配区块。由于电路板是先由欧美国家主导,因此早期的规格是以1/10英吋为一格的尺寸,而公制单位则以2.5mm为一格,以英制而肓相当于lOOmil。以此为基础,对不同的间距再作细分,作出孔与铜垫的位置配置,这是传统的通孔元件设计原则。但在表面组装方式(SMT-SurfaceMountTechnology)风行后,还将孔配置在格点上已是不切实际的做法。设计上虽然有格点存在,但实际设计几忽已不受格点的限制,孔愈来愈以导通为目的,至于盲、埋孔更与格点无关。

  这样的变化影响最大的部分是电气测试,由于传统的电子元件接点是以格点为设计基础,因此不论钻孔或焊接点的设计都是以格点为基础。因此遵循格点设计的电路板都可以使用所谓的泛用治具(UniversalTool)进行电气测试,但是格点原则被破坏后测试必须走向更密的接点形式,因此小量产品开始使用所谓的飞针设备(FlyingProbe)测试,而大量生产则使用专用治具(DedicateTool)测试。

  2.线宽间距

  细线设计成为高密度电路板发展的必然趋势,但细线的设计必须考虑细线路的电阻变化、特性阻抗变化等影响因素。线路间距的大小受制于介电材料的绝缘性,以有机材料而言约可选取4mil为目标值。由于产品需求及制程技术的进展,间距约2mil甚至更小的产品也进入了实际应用。面对半导体封装板的进一步压缩线路间距,如何保持应有的绝缘性就成为必须努力的课题,幸好多数的高密度封装板操作电压也相对降低,这是值得庆幸的。

  3.微孔直径与铜垫直径尺寸

  表1所示,为现行电路板规格水平。铜垫直径一般都设计为孔径的2.5?3倍之间,在电路板以表面黏着为主的设计时,电镀孔除用于层间连接外仍有部分用于插件功能。

  表内的结构有通孔及盲埋孔,埋在板内的孔被某些人称为交错孔IVH(InterstitialViaHole)。它是将有镀通孔的内层板继续压合后,构成微孔层间连接的电路板,这些微孔的制作以小直径设计才能发挥节省空间的功能。一般机械钻孔,以制作大于8mil的孔径较经济,虽然现在有号称可以制作<4mil的产品,但成本过高并不实际。

  受到机械孔径及生产速率的限制,使用增层法的电路板不但表面孔会使用微孔技术,对内藏的通孔而言也会设计较小来提升密度。孔径缩小使线路配置的自由度大增,高密度增层电路板因而得以普及。

  表1所示为现行电路板规格水平

  4.层间构造

  多层电路板的层数设计,主要决定于可容许的配线密度。以往电路板以四层板居多,主要是源自于信号线需要电磁遮蔽之故,并非来自于绕线密度需求。由于电子元件的复杂度提高,原本的绕线密度及层次设计已无法满足需求,因此层次才逐步提升。但由于增加层数会增加制作成本,在初期设计时又想要尽力降低层数。因此,使用较多微孔、细线,仍可在有限的层数下达成元件连结。即便是如此,随半导体元件的进步神速电路板整体层数仍在逐步攀升。

  在线路构造方面,由于电子产品的整体功率不断提高、传输速率也不断增加,因此在空间有限又要保持导体截面积的状况下,不少的设计会要求较高的线路厚度但又要做较细的线路。对于层间介电层厚度控制及其容许误差等也有较严苛的限制,因此内层基材及胶片的配置就会变得十分重要。一般电路板的压合结构都会探用对称设计,这是为了降低应力不均所作的考虑。图1所示为典型的多层板结构。

  图1所示为典型的多层板结构

  对电气特性要求严格的产品,正确整合特性阻抗、电源与接地层的层间厚度容许公差都会变得更严苛。因此不少的制作程序是将关键的厚度层次以基材先作出来,而较不重要的层次则交给胶片来完成,因为基材事先已硬化可以用筛选的方式挑选合于规格的基材制作,因此可以提升良率及电气表现。

  在设计高密度增层电路板时,要依据绕线密度决定线路层数,而以电气特性决定布线方式、层间厚度、线路宽度厚度。为防止板弯板翘,尽量探用对称压合设计。一般高密度增层板的电源及接地层多数会设在内层硬板上,信号层则以增层线路制作以整合阻抗特性,但对更高层次的产品则未必遵循此规则。

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