四层FPC,刚柔结合板

四层FPC,刚柔结合板

软硬结合板的涨缩问题：
涨缩产生的根源由材料的特性所决定，要解决软硬结合板涨缩的问题，必须先对挠性板的材料聚酰亚胺（Polyimide）做个介绍：

（1）聚酰亚胺具有优良的散热性能，可承受无铅焊接高温处理时的热冲击；

（2）对于需要更强调讯号完整性的小型装置，大部份设备制造商都趋向于使用挠性电路；

（3）聚酰亚胺具有较高的玻璃转移温度与高熔点的特性，一般情况下要在350 ℃以上进行加工；

（4）在有机溶解方面，聚酰亚胺不溶解于一般的有机溶剂。
挠性板材料的涨缩主要跟基体材料PI和胶有关系，也就是与PI的亚胺化有很大关系，亚胺化程度越高，涨缩的可控性就越强。

按照正常的生产规律，挠性板在开料后，在图形线路形成，以及软硬结合压合的过程中均会产生不同程度的涨缩，在图形线路蚀刻后，线路的密集程度与走向，会导致整个板面应力重新取向，最终导致板面出现一般规律性的涨缩变化；在软硬结合压合的过程中，由于表面覆盖膜与基体材料PI的涨缩系数不一致，也会在一定范围内产生一定程度的涨缩。

从本质原因上说，任何材料的涨缩都是受温度的影响所导致的，在PCB冗长的制作过程中，材料经过诸多 热湿制程后，涨缩值都会有不同程度的细微变化，但就长期的实际生产经验来看，变化还是有规律的。


如何控制与改善？


从严格意义上说，每一卷材料的内应力都是不同的，每一批生产板的过程控制也不会是完全相同的，因此，材料涨缩系数的把握是建立在大量的实验基础之上的，过程管控与数据统计分析就显得尤为重要了。具体到实际操作中，挠性板的涨缩是分阶段的：

首先是从开料到烘烤板，此阶段涨缩主要是受温度影响所引起的：

要保证烘烤板所引起的涨缩稳定，首先要过程控制的一致性，在材料统一的前提下，每次烘烤板升温与降 温的操作必须一致化，不可因为一味的追求效率，而将烤完的板放在空气中进行散热。只有这样，才能最大程度的消除材料的内部应力引起的涨缩。

第二个阶段发生在图形转移的过程中，此阶段的涨缩主要是受材料内部应力取向改变所引起的。

要保证线路转移过程的涨缩稳定，所有烘烤好的板就不能进行磨板操作，直接通过化学清洗线进行表面前处理，压膜后表面须平整，曝光前后板面静置时间须充分，在完成线路转移以后，由于应力取向的改变，挠性板都会呈现出不同程度的卷曲与收缩，因此线路菲林补偿的控制关系到软硬结合精度的控制，同时，挠性板的涨缩值范围的确定，是生产其配套刚性板的数据依据。

第三个阶段的涨缩发生在软硬板压合的过程中，此阶段的涨缩主要压合参数和材料特性所决定。

此阶段的涨缩影响因素包含压合的升温速率，压力参数设置以及芯板的残铜率和厚度几个方面。总的来说，残铜率越小，涨缩值越大；芯板越薄，涨缩值越大。但是，从大到小，是一个逐渐变化的过程，因此，菲林补偿就显得尤为重要。另外，由于挠性板和刚性板材料本质的不同，其补偿是需要额外考虑的一个因素。

高速PCB设计指南之一
第一篇 PCB布线

在PCB设计中，布线是完成产品设计的重要步骤，可以说前面的准备工作都是为它而做的，在整个PCB中，以布线的设计过程限定最高，技巧最细、工作量最大。PCB布线有单面布线、双面布线及多层布线。布线的方式也有两种：自动布线及交互式布线，在自动布线之前，可以用交互式预先对要求比较严格的线进行布线，输入端与输出端的边线应避免相邻平行，以免产生反射干扰。必要时应加地线隔离，两相邻层的布线要互相垂直，平行容易产生寄生耦合。
自动布线的布通率，依赖于良好的布局，布线规则可以预先设定，包括走线的弯曲次数、导通孔的数目、步进的数目等。一般先进行探索式布线，快速地把短线连通，然后进行迷宫式布线，先把要布的连线进行全局的布线路径优化，它可以根据需要断开已布的线。并试着重新再布线，以改进总体效果。
对目前高密度的PCB设计已感觉到贯通孔不太适应了，它浪费了许多宝贵的布线通道，为解决这一矛盾，出现了盲孔和埋孔技术，它不仅完成了导通孔的作用，还省出许多布线通道使布线过程完成得更加方便，更加流畅，更为完善，PCB 板的设计过程是一个复杂而又简单的过程，要想很好地掌握它，还需广大电子工程设计人员去自已体会，才能得到其中的真谛。
1 电源、地线的处理
既使在整个PCB板中的布线完成得都很好，但由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，有时甚至影响到产品的成功率。所以对电、地线的布线要认真对待，把电、地线所产生的噪音干扰降到最低限度，以保证产品的质量。
对每个从事电子产品设计的工程人员来说都明白地线与电源线之间噪音所产生的原因，现只对降低式抑制噪音作以表述：
（1）、众所周知的是在电源、地线之间加上去耦电容。
（2）、尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：地线＞电源线＞信号线，通常信号线宽为：0.2～0.3mm,最细宽度可达0.05～0.07mm,电源线为1.2～2.5mm
对数字电路的PCB可用宽的地导线组成一个回路, 即构成一个地网来使用(模拟电路的地不能这样使用)
（3）、用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。或是做成多层板，电源，地线各占用一层。


2 数字电路与模拟电路的共地处理
现在有许多PCB不再是单一功能电路（数字或模拟电路），而是由数字电路和模拟电路混合构成的。因此在布线时就需要考虑它们之间互相干扰问题，特别是地线上的噪音干扰。
数字电路的频率高，模拟电路的敏感度强，对信号线来说，高频的信号线尽可能远离敏感的模拟电路器件，对地线来说，整人PCB对外界只有一个结点，所以必须在PCB内部进行处理数、模共地的问题，而在板内部数字地和模拟地实际上是分开的它们之间互不相连，只是在PCB与外界连接的接口处（如插头等）。数字地与模拟地有一点短接，请注意，只有一个连接点。也有在PCB上不共地的，这由系统设计来决定。
3 信号线布在电（地）层上
在多层印制板布线时，由于在信号线层没有布完的线剩下已经不多，再多加层数就会造成浪费也会给生产增加一定的工作量，成本也相应增加了，为解决这个矛盾，可以考虑在电（地）层上进行布线。首先应考虑用电源层，其次才是地层。因为最好是保留地层的完整性。


4 大面积导体中连接腿的处理
在大面积的接地（电）中，常用元器件的腿与其连接，对连接腿的处理需要进行综合的考虑，就电气性能而言，元件腿的焊盘与铜面满接为好，但对元件的焊接装配就存在一些不良隐患如：①焊接需要大功率加热器。②容易造成虚焊点。所以兼顾电气性能与工艺需要，做成十字花焊盘，称之为热隔离（heat shield）俗称热焊盘（Thermal），这样，可使在焊接时因截面过分散热而产生虚焊点的可能性大大减少。多层板的接电（地）层腿的处理相同。

5 布线中网络系统的作用
在许多CAD系统中，布线是依据网络系统决定的。网格过密，通路虽然有所增加，但步进太小，图场的数据量过大，这必然对设备的存贮空间有更高的要求，同时也对象计算机类电子产品的运算速度有极大的影响。而有些通路是无效的，如被元件腿的焊盘占用的或被安装孔、定位孔所占用的等。网格过疏，通路太少对布通率的影响极大。所以要有一个疏密合理的网格系统来支持布线的进行。
标准元器件两腿之间的距离为0.1英寸(2.54mm),所以网格系统的基础一般就定为0.1英寸(2.54mm)或小于0.1英寸的整倍数，如：0.05英寸、0.025英寸、0.02英寸等。

6 设计规则检查（DRC）
布线设计完成后，需认真检查布线设计是否符合设计者所制定的规则，同时也需确认所制定的规则是否符合印制板生产工艺的需求，一般检查有如下几个方面：

（1）、线与线，线与元件焊盘，线与贯通孔，元件焊盘与贯通孔，贯通孔与贯通孔之间的距离是否合理，是否满足生产要求。
（2）、电源线和地线的宽度是否合适，电源与地线之间是否紧耦合（低的波阻抗）？在PCB中是否还有能让地线加宽的地方。
（3）、对于关键的信号线是否采取了最佳措施，如长度最短，加保护线，输入线及输出线被明显地分开。
（4）、模拟电路和数字电路部分，是否有各自独立的地线。
（5）后加在PCB中的图形（如图标、注标）是否会造成信号短路。
（6）对一些不理想的线形进行修改。
（7）、在PCB上是否加有工艺线？阻焊是否符合生产工艺的要求，阻焊尺寸是否合适，字符标志是否压在器件焊盘上，以免影响电装质量。
（8）、多层板中的电源地层的外框边缘是否缩小，如电源地层的铜箔露出板外容易造成短路。

高速PCB设计指南之二
第二篇 PCB布局

在设计中，布局是一个重要的环节。布局结果的好坏将直接影响布线的效果，因此可以这样认为，合理的布局是PCB设计成功的第一步。
布局的方式分两种，一种是交互式布局，另一种是自动布局，一般是在自动布局的基础上用交互式布局进行调整，在布局时还可根据走线的情况对门电路进行再分配，将两个门电路进行交换，使其成为便于布线的最佳布局。在布局完成后，还可对设计文件及有关信息进行返回标注于原理图，使得PCB板中的有关信息与原理图相一致，以便在今后的建档、更改设计能同步起来, 同时对模拟的有关信息进行更新，使得能对电路的电气性能及功能进行板级验证。

--考虑整体美观
一个产品的成功与否，一是要注重内在质量，二是兼顾整体的美观，两者都较完美才能认为该产品是成功的。
在一个PCB板上，元件的布局要求要均衡，疏密有序，不能头重脚轻或一头沉。

--布局的检查印制板尺寸是否与加工图纸尺寸相符？能否符合PCB制造工艺要求？有无定位标记？
元件在二维、三维空间上有无冲突？
元件布局是否疏密有序，排列整齐？是否全部布完？
需经常更换的元件能否方便的更换？插件板插入设备是否方便？
热敏元件与发热元件之间是否有适当的距离？
调整可调元件是否方便？
在需要散热的地方，装了散热器没有？空气流是否通畅？
信号流程是否顺畅且互连最短？
插头、插座等与机械设计是否矛盾？
线路的干扰问题是否有所考虑？

陶瓷PCB电路板有什么优势呢？
1.为什么要选择陶瓷电路板？
陶瓷基板，由于散热性能、载流能力、绝缘性、热膨胀系数等，都要大大优于普通的玻璃纤维PCB板材，从而被广泛应用于大功率电力电子模块、航空航天、军工电子等产品上。
普通PCB通常是由铜箔和基板粘合而成，而基板材质大多数为玻璃纤维（FR-4），酚醛树脂（FR-3）等材质，粘合剂通常是酚醛、环氧等。在PCB加工过程中由于热应力、化学因素、生产工艺不当等原因，或者是在设计过程中由于两面铺铜不对称，很容易导致PCB板发生不同程度的翘曲。

与普通的PCB使用粘合剂把铜箔和基板粘合在一起的，陶瓷PCB是在高温环境下，通过键合的方式把铜箔和陶瓷基片拼合在一起的，结合力强，铜箔不会脱落，可靠性高，在温度高、湿度大的环境下性能稳定。

2.陶瓷基板的材质有哪些？

氮化铝（AlN）

氮化铝陶瓷是以氮化铝粉体为主晶相的陶瓷。相比于氧化铝陶瓷基板，绝缘电阻、绝缘耐压更高，介电常数更低。其热导率是Al2O3的7~10倍，热膨胀系数（CTE）与硅片近似匹配，这对于大功率半导体芯片至关重要。在生产工艺上，AlN热导率受到残留氧杂质含量的影响很大，降低含氧量，可明显提高热导率。目前工艺生产水平的热导率达到170W/(m·K)以上已不成问题。

氧化铝（Al2O3）

氧化铝是陶瓷基板中最常用的基板材料，因为在机械、热、电性能上相对于大多数其他氧化物陶瓷，强度及化学稳定性高，且原料来源丰富，适用于各种各样的技术制造以及不同的形状。按含氧化铝(Al2O3)的百分数不同可分为：75瓷、96瓷、99.5瓷。氧化铝含有量不同，其电学性质几乎不受影响，但是其机械性能及热导率变化很大。纯度低的基板中玻璃相较多，表面粗糙度大。纯度越高的基板，越光洁、致密、介质损耗越低，但是价格也越高。

氧化铍（BeO）

具有比金属铝还高的热导率，应用于需要高热导的场合，温度超过300℃后迅速降低，但是由于其毒性限制了自身的发展。

综合以上原因，可以知道，氧化铝陶瓷由于比较优越的综合性能，在微电子、功率电子、混合微电子、功率模块等领域还是处于主导地位的。

对比了市面上相同尺寸（100mm×100mm×1mm）、不同材料的陶瓷基板价格：96%氧化铝9.5元，99%氧化铝18元，氮化铝150元，氧化铍650元，可以看出来不同的基板价格差距也比较大。


3.陶瓷PCB的优势与劣势？

优点：
载流量大，100A电流连续通过1mm0.3mm厚铜体，温升约17℃；100A电流连续通过2mm0.3mm厚铜体，温升仅5℃左右；

更好的散热性能，低热膨胀系数，形状稳定，不易变形翘曲。

绝缘性好，耐压高，保障人身安全和设备。

结合力强，采用键合技术，铜箔不会脱落。

可靠性高，在温度高、湿度大的环境下性能稳定

缺点：
易碎，这是最主要的一个缺点，这也就导致只能制作小面积的电路板。

价格贵， 电子产品的要求规则越来越多，陶瓷电路板还是用在一些比较高端的产品上面，低端的产品根本不会使用到。

高精密度(HDI板)电路板的耐热性介绍

HDI板的耐热性能是HDI可靠性能中重要的一个项目，HDI板的板厚变得越来越薄，对其耐热性能的要求也越来越高。无铅化进程的推进，也提高了HDI板耐热性能的要求，而且由于HDI板在层结构等方面不同于普通多层通孔PCB板，因此HDI板的耐热性能与普通多层通孔PCB板相比有所不同，一阶HDI板典型结构。HDI板的耐热性能缺陷主要是爆板和分层。到目前为止，根据多种材料以及多款HDI板的耐热性能测试的经验，发现HDI板发生爆板机率最大的区域是密集埋孔的上方以及大铜面的下方区域。

耐热性是指PCB抵抗在焊接过程中产生的热机械应力的能力， PCB在耐热性能测试中发生分层的机制一般包括以下几种：

1) 测试样品内部不同材料在温度变化时，膨胀和收缩性能不同而在样品内部产生内部热机械应力，从而导致裂缝和分层的产生。

2) 测试样品内部的微小缺陷(包括空洞，微裂纹等)，是热机械应力集中所在，起到应力的放大器的作用。在样品内部应力的作用下，更加容易导致裂缝或分层的产生。

3) 测试样品中挥发性物质(包括有机挥发成分和水)，在高温和剧烈温度变化时，急剧膨胀产生巨大的内部蒸汽压力，当膨胀的蒸汽压力到达测试样品内部的微小缺陷(包括空洞，微裂纹等)时，微小缺陷对应的放大器作用就会导致分层。

HDI板容易在密集埋孔的上方发生分层，这是由于HDI板在埋孔分布区域特殊的结构所导致的。有无埋孔区域的应力分析如下表1。无埋孔区域(结构1)在耐热性能测试受热膨胀时，在同一平面上各个位置的Z方向的膨胀量都是均匀的，因此不会存在由于结构的差异造成的应力集中区域。当区域中设计有埋孔且埋孔钻在基材面上(结构2)时，在埋孔与埋孔之间的A-A截面上，由于基材没有收到埋孔在Z方向的约束，因而膨胀量较大，而在埋孔和焊盘所在的B-B截面上，由于基材受到埋孔在Z方向的约束，因而膨胀量较小，这三处膨胀量的差异，在埋孔焊盘与HDI介质和塞孔树脂交界处和附近区域造成应力集中，从而比较容易形成裂缝和分层。

HDI板容易在外层大铜面的下方发生分层，这是由于在贴装和焊接时，PCB受热，挥发性物质(包括有机挥发成分和水)急剧膨胀，外层大铜面阻挡了挥发性物质(包括有机挥发成分和水)的及时逸出，因此产生巨大的内部蒸汽压力，当膨胀的蒸汽压力到达测试样品内部的微小缺陷(包括空洞，微裂纹等)时，微小缺陷对应的放大器作用就会导致分层。

超实用的高频PCB电路设计70问答 之二
21.在电路板尺寸固定的情况下，如果设计中需要容纳更多的功能，就往往需要提高 PCB 的走线密度，但是这样有可能导致走线的相互干扰增强，同时走线过细也使阻抗无法降低，请专家介绍在高速（>100MHz）高密度 PCB 设计中的技巧?

在设计高速高密度 PCB 时，串扰(crosstalk interference)确实是要特别注意的，因为它对时序(timing)与信号完整性(signal integrity)有很大的影响。以下提供几个注意的地方：

控制走线特性阻抗的连续与匹配。

走线间距的大小。一般常看到的间距为两倍线宽。可以透过仿真来知道走线间距对时序及信号完整性的影响，找出可容忍的最小间距。不同芯片信号的结果可能不同。

选择适当的端接方式。

避免上下相邻两层的走线方向相同，甚至有走线正好上下重叠在一起，因为这种串扰比同层相邻走线的情形还大。



利用盲埋孔(blind/buried via)来增加走线面积。但是 PCB 板的制作成本会增加。在实际执行时确实很难达到完全平行与等长，不过还是要尽量做到。

除此以外，可以预留差分端接和共模端接，以缓和对时序与信号完整性的影响。

22.电路板 DEBUG 应从那几个方面着手？

就数字电路而言，首先先依序确定三件事情： 1. 确认所有电源值的大小均达到设计所需。有些多重电源的系统可能会要求某些电源之间起来的顺序与快慢有某种规范。 2. 确认所有时钟信号频率都工作正常且信号边缘上没有非单调(non-monotonic)的问题。3. 确认 reset 信号是否达到规范要求。 这些都正常的话，芯片应该要发出第一个周期(cycle)的信号。接下来依照系统运作原理与 bus protocol 来 debug。

23、滤波时选用电感，电容值的方法是什么？

电感值的选用除了考虑所想滤掉的噪声频率外，还要考虑瞬时电流的反应能力。如 果 LC 的输出端会有机会需要瞬间输出大电流，则电感值太大会阻碍此大电流流经此电感的速度，增加纹波噪声(ripple noise)。电容值则和所能容忍的纹波噪声规范值的大小有关。纹波噪声值要求越小，电容值会较大。而电容的ESR/ESL 也会有影响。另外，如果这 LC 是放在开关式电源(switching regulation power)的输出端时，还要注意此 LC 所产生的极点零点(pole/zero)对负反馈控制(negative feedback control)回路稳定度的影响。

24、模拟电源处的滤波经常是用 LC 电路。但是为什么有时 LC 比 RC 滤波效果差？

LC与 RC滤波效果的比较必须考虑所要滤掉的频带与电感值的选择是否恰当。因为电感的感抗(reactance)大小与电感值和频率有关。如果电源的噪声频率较低，而电感值又不够大，这时滤波效果可能不如 RC。但是，使用 RC 滤波要付出的代价是电阻本身会耗能，效率较差，且要注意所选电阻能承受的功率。

25、如何尽可能的达到 EMC 要求，又不致造成太大的成本压力？

PCB 板上会因 EMC 而增加的成本通常是因增加地层数目以增强屏蔽效应及增加了 ferrite bead、choke等抑制高频谐波器件的缘故。除此之外，通常还是需搭配其它机构上的屏蔽结构才能使整个系统通过 EMC的要求。以下仅就 PCB 板的设计技巧提供几个降低电路产生的电磁辐射效应。

尽可能选用信号斜率(slew rate)较慢的器件，以降低信号所产生的高频成分。

注意高频器件摆放的位置，不要太靠近对外的连接器。

注意高速信号的阻抗匹配，走线层及其回流电流路径(return current path)， 以减少高频的反射与辐射。


在各器件的电源管脚放置足够与适当的去耦合电容以缓和电源层和地层上的噪声。特别注意电容的频率响应与温度的特性是否符合设计所需。



对外的连接器附近的地可与地层做适当分割，并将连接器的地就近接到 chassis ground。

可适当运用 ground guard/shunt traces 在一些特别高速的信号旁。但要注意 guard/shunt traces 对走线特性阻抗的影响。

电源层比地层内缩 20H，H 为电源层与地层之间的距离。