将可制造性设计（DFM）应用于PCB开发

在可制造性设计（DFM）中，PCB设计布线工程师会很容易地忽略咋看起来不那么重要的关键因素。但在后继流程，这些因素在制造过程中发挥着重要作用，可能成为不佳良率的根本原因。

当涉及高速PCB设计，特别是高于20GHz时，若PCB设计和制造团队间缺乏沟通彼此产生错误的预设和解读，就可在制造过程中导致代价高昂的失败。以下列举了一些沟通出问题时的真实情况，并就如何避免此类问题给出了一些建议。

情景1:缩小焊盘尺寸以匹配线宽

在此例，PCB设计师缩小了焊盘尺寸以匹配线宽。他虽没有三思而行，但这种作法完全可以接受。不幸的是，他缩小的太多了，以致成为一个违反IPC（国际电子工业连接协会）约定和制造规则的灾难。

其结果是在制造过程中，出现一系列问题；特别是如图1所示的翘脱（又称墓碑效应，tombstoning）现象的发生。翘脱是发生在PCB焊装阶段的一种器件焊接缺陷，由回流过程中焊料的表面张力所引起。其现象是：器件的一端翘脱、凸起、支离于PCB的铜焊盘，类似一个突起的墓碑。

图1:翘脱

这是因为导线与焊盘粗细一样，所以焊料流入导线，且在回流期间焊料有移动。其结果就造成焊垫大小的不匹配。加上其它DFM问题，使良率低于60%,远低于预期的90%。

其它DFM问题有：

* 批开放阻焊（gang relief mask）工艺造成的焊料短路

* 使用热通孔造成焊料沿孔壁溢流

* 两个焊盘之间阻焊不充分

实际上，PCB设计者使线宽粗细等同焊盘大小的决定，着实无可厚非：在任何高速信号链路中，当信号路径的几何形状改变时，会发生阻抗不连续的情况，从而导致信号路径阻抗的改变。通过使用相同粗细的线径和焊盘，信号通路的几何形状不会改变，当导线接入分立元件的焊盘时，阻抗的不连续问题得以缓解。这在理论上是成立的。但在实践中，当导线太细、焊盘太小时，仍采用两者相同的策略，则会产生翘脱等其它类似的制造性问题。

具体地，在本例，扇出导线与焊盘尺寸相同。此处，采用一个BGA封装，其BGA焊盘以较粗的导线扇出。如果它不是一个非阻焊定义（NSMD）的焊盘，则焊料就将流入从那些特定焊盘扇出的导线，并会在BGA器件的下方造成焊盘大小不一致，并随后形成冷焊点（虚焊）或空隙，如图所示2。

图2:BGA内的空隙

情景2:射频滤波器问题

本例，高速设计包含一个专用、三引脚SOP封装的射频滤波器。在SOP的引脚间没使用阻焊层，对这些引脚采用的是批开放处理，批开放阻焊（gang relieve mask）工艺是定义阻焊层的一种方法，它约定不对一组管脚进行阻焊。其结果是一组管脚间彼此没有阻焊隔离。这可以是刻意达成的效果，也可能是PCB设计师犯的错。结果就是过滤器的三个管脚焊盘之间的焊锡短路。

另外，在本例中，过孔与焊盘挨得过近。事实上，过孔的一半已与焊盘重叠。这仅发生在如果通孔的焊盘是在该器件的顶部，而不是在过孔中的情况。记住这个设计禁忌：过孔绝不要与器件的焊盘重叠。

在本例中，过孔侵蚀了元件的焊盘，从而导致焊料漫溢过通孔，使元件翘脱、开路。有几个方法可以扇出此分立元件，以避免这种情况。着眼于面向制造的设计，最好的办法就是使过孔稍稍远离焊盘，且在焊盘和过孔间放置阻焊层。

第二种方法对扇出并非理想。这里，过孔焊盘侵蚀了元件焊盘，而没有放在孔上。结果，当过孔被涂覆时，焊料浸溢过孔壁的可能性降低。有两种方法来解决此问题。第一种是把过孔直接放在焊盘顶部，并对其填充以非导电性填料。第二种方法是使过孔离焊盘再稍微远点，并在过孔和焊盘间放置阻焊层。

就本具体的高速设计来说，采用了制造商推荐的焊盘模式。问题是，这些建议是针对小批量原型生成，而非批量生产的。焊盘模式是由CAD布局工具创建的，它通过给出器件轮廓以及可将器件管脚焊接其上的焊盘，以便可对PCB上的器件实施焊接，并将器件与PCB固接起来。

但是，当在密度非常高的PCB上，使用大量零部件时，根据组装厂的建议对焊盘模式进行修改就变得极为重要。

再有就是开孔尺寸问题。它必须在0.3mm以下，以便过孔可在回流工艺的刚一开始就被封闭。理想情况，最好是过孔由导电材料封闭，但这从未出现过。对于散热孔，0.3mm间距甚至更细是非常必要的措施，以防止焊料通过孔壁漫爬流溢。

在我们的高速设计例子中，据我们测量，OEM用的过孔约15mil（1mil=0.0254mm）大小，但理想情况是应小于8mil.因为过孔尺寸不对，在生产时，因孔径过大，焊料沿孔壁漫爬溢出。这导致在该PCB设计中，对独立SOP封装产生吸抽作用，致使外设焊盘短路（图3）。

图3:因孔径过大，焊料沿孔壁爬溢流出。导致对独立SOP封装的吸抽作用，致使外设焊盘短路。

在本高速设计中，两个焊盘间缺乏足够的阻焊层是第三个DFM问题。在此，焊盘挨得非常近。结果就是，阻焊层太薄，且在整个工艺流程中都脱离掉了。结果是，焊料呈毛刺状从一个焊盘流到另一个焊盘。后果就是，由于这条不期而至的编外毛刺，该分立元件的焊盘定义变得不一致均匀，如图4所示。处理结果是，将该器件的焊盘变大。

图4:阻焊毛刺。

该设计的另一个焊盘问题是焊盘大小的不匹配，这次是在布局的电源部分。此设计使用了很小的0402（0.4mm×0.2mm）无源器件封装，在电源设计中，不推荐使用这么小的封装。在此，聪明的PCB布局工程师会选用0603厚膜贴片电阻（1608公制封装）、或0805厚膜贴片电阻（稍大的公制2012封装）。但更小就不合适了。

这样谨慎作法是基于这样的考虑：大多数电源布局在外层具有较大的铺铜。在采用了0402封装的本高速设计实例中，0402封装的一端直接连接到铺铜。另一端则只有一条导线和过孔。这样，在回流时，铜箔起着散热器的作用，从而在焊盘的一侧生成一个冷焊点（虚焊）。为了缓解此问题，最好是在焊盘与铜箔间建立热连接。但更好的方法是使用更大封装。

违反DFM的其它例子

还有其它的布局失策，可以破坏对PCB实行有效的DFM原则的努力。不好的PCB布局可能会导致与焊盘定义、器件封装、层叠、材料选择、扇出、线宽和线间距等相关的制造和装配问题。例如，不好的焊盘定义可在装配时引致开路和短路；而若该器件封装库的物理尺寸不对的话，不准确的器件封装尺寸可导致不可制造性问题。

就层叠而言，设计师必须确保正确的均匀层叠以规避翘曲问题。设计师还需要了解包括现场要求在内的对PCB材料的要求。同时，必须时刻关注扇出问题。若处理不当，则会发生侵损导线的酸腐或蚀刻“魔阱”。另外，若设计得不正确，线宽和线间距是可在不同工艺流程引发短路的其它问题。

制造阶段的问题。在PCB设计和制造流程的此阶段，当少量化学物质（通常是酸）囤积在成锐角的PCB导线的锐角处时，其被称为“酸阱”,它会导致翘曲（图5）。当这种化学物未被清除干净时，即使在装配完成后，也会侵蚀导线；产品在现场使用时，可能使连接时通时断。即使残留的化学物很少，若导线很细的话，它甚至也会侵蚀掉整条导线；在布局阶段，这种侵蚀既可以早期发生在线宽阶段，也可能稍后出现在扇出阶段。

重合和宽高比问题：当PCB有多层、且各层导线很细、线间距很窄时，很可能会引起过孔和焊盘的重合不良。制造过程中，焊盘和过孔间的这种重合问题可能导致多个短路，甚至完全损坏PCB。

图5:锐角走线，化学物得以藏身的 “酸阱”。

宽高比问题发生在当PCB进入计算机辅助制造（CAM）及生产厂家发现宽高比不对这一加工流程的早期阶段。在本例中，孔径极小而PCB相当厚。因此，生产厂家或面临重大困难或根本造不出这种PCB。

铜和阻焊毛刺：如前所述，铜细毛刺的出现是因为PCB的外层是覆铜的。极细的单端铜导线毛刺可随时随地出现在PCB板上，在组装后形成短路。

当焊盘和过孔间的阻焊不充分时，会出现阻焊毛刺。有若干原因造成这样现象，包括不正确的布局、不正确的焊盘定义、将暴露的过孔太过靠近元件焊盘等。

在布局的关键阶段，步步为营、层层推进

80%的PCB布局错误是由不正确的零件几何形状或生成的物理焊盘、不好的孔定义、通孔和表贴元件间的间距不足、缺乏对关键部件的返修能力等原因造成的。

其结果是，PCB布局设计工程师必须小心翼翼地通过工艺流程的各个阶段，以规避诸如此类的制造和装配问题。例如，需要返修的BGA可能被放置得彼此过于靠近。这样返工就无法完成。此外，过孔或焊盘可能太靠近PCB的边缘，这可能会导致过孔在布线时被切掉。

再就是放置在PCB上的基准点，它为每一装配步骤提供公共测量点。它们允许PCB组件系统来精确对位电路图案。基准点用来正确对齐SMT（表面贴装技术）焊接用摄像头，在PCB组装过程器件的取放阶段、摄像头用于识别及帮助将SMT器件放置在各自位置。一般情况，这些摄像头的定位公差为+/-1mil。

若没有基准标记点以允许SMT用摄像头正确对齐，则因器件取放摄像头与PCB之间无法对准，通常会产生翘脱。对管脚间距很窄的元件，PCB设计师需要确保在这些器件周边，安放额外基准，以对SMT相机提供进一步帮助。

如前所述，对提升BGA焊接效率，增加其焊盘间距是必要的。在使用BGA时，若PCB材料选择不当，则因PCB和BGA间热膨胀系数（CTE）的失配还会引发其它问题。如果热膨胀系数不匹配，焊点疲劳可导致BGA焊盘开路。此外，使用BGA时，对称的PCB堆叠至关重要。否则，会发生焊点疲劳和PCB翘曲。

就BGA来说，采用焊盘内过孔是PCB布局设计师必须小心应对的另一个问题。焊盘内过孔广为流行，尤其是对0.75mm以下更细间距的BGA来说。与狗骨式扇出相比，焊盘内过孔提高了密度、允许使用更细间距的封装。此外，去耦电容可以直接跨接BGA另一侧的通孔，从而降低了固有感抗。

但采用焊盘内过孔有利有弊。当采用焊盘内过孔时，是用导电性和非导电材料来填充过孔，然后镀覆。如果制造厂家不熟悉该工艺，可能会出现一系列问题。特别是，会有能给组装过程造成破坏的水气淤积的风险。当水气被淤积了，回流时，过孔和焊盘可能爆裂、可能形成凹陷，它们都可以毁坏BGA焊盘。避免大量膨胀或收缩的一种流行方法，是使用可降低水气滞留的不导电的过孔填料。

　　作者：Syed Wasif Ali

Nexlogic Technologies公司