กลยุทธ์ของวิศวกร: คู่มือสู่ PCB ความเร็วสูงที่สามารถผลิตได้

ในโลกที่สะอาดและเป็นระเบียบของเครื่องมือ CAD การออกแบบวงจรความเร็วสูงเป็นนามธรรมที่สมบูรณ์ ตราสัญลักษณ์เป็นตัวนำที่สมบูรณ์แบบ ชั้นวางซ้อนกันถูกจัดแนวอย่างสมบูรณ์แบบ และประสิทธิภาพตรงกับการทำนายที่แม่นยำของการจำลอง อย่างไรก็ตาม ช่องว่างระหว่างแบบร่างดิจิทัลนี้และบอร์ดทางกายภาพที่สามารถผลิตได้อย่างเชื่อถือได้เป็นจุดที่วิศวกรรมที่มีวินัยเริ่มต้น นี่คือเขตของการออกแบบเพื่อความสามารถในการผลิต (DFM) ซึ่งเป็นการปฏิบัติที่เน้นการพัฒนาสัญชาตญาณสำหรับโลกทางกายภาพมากกว่าการเพิ่มคุณสมบัติที่มีค่าใช้จ่ายสูง

การออกแบบที่มีประสิทธิภาพในงบประมาณที่จำกัดเป็นการฝึกฝนในการแลกเปลี่ยนอย่างตั้งใจ ซึ่งหมายถึงการให้ความสำคัญกับวัสดุที่มีปริมาณสูง เช่น FR-4 และกระบวนการที่คาดการณ์ได้ของการสร้าง 4 หรือ 6 ชั้น มันยอมรับว่าการวางเส้นทางอย่างชาญฉลาดเป็นเรื่องฟรี ในขณะที่ขั้นตอนการผลิตเช่นการเติม via-in-pad หรือการเจาะด้านหลังมีต้นทุนจริง เป้าหมายไม่ใช่ความสมบูรณ์แบบ แต่เป็นผลิตภัณฑ์ที่แข็งแรงและสามารถทำซ้ำได้ มันเกี่ยวกับการรู้ว่าเมื่อใดที่ความทนทานของอิมพีแดนซ์ที่อนุญาต ±10% ก็เพียงพอสำหรับระบบ ช่วยประหยัดผู้ผลิตจากการไล่ตามเป้าหมายที่แน่นเกินไป ±5% นี่คือปัญญาที่ป้องกันข้อผิดพลาดที่มีค่าใช้จ่ายสูงและรับประกันว่าการออกแบบจะอยู่รอดจากหน้าจอไปสู่ความเป็นจริง

สัญญาของการสร้าง: การกำหนดชั้นวางซ้อน

เอกสารการซ้อนทับชั้นเป็นสัญญาที่สำคัญที่สุดระหว่างนักออกแบบและผู้ผลิต มันเป็นสูตรที่แน่นอน และความคลุมเครือใด ๆ ภายในเป็นคำเชิญชวนให้สมมุติฐาน สมมุติฐานเหล่านั้น ซึ่งทำโดยผู้ผลิตที่พยายามตีความคำสั่งที่ไม่สมบูรณ์ เป็นสาเหตุหลักของความไม่ตรงกันของอิมพีแดนซ์และประสิทธิภาพที่ไม่สอดคล้องกันระหว่างรอบการผลิต

ซ้อนทับชั้นที่สามารถผลิตได้อย่างแท้จริงไม่เหลือที่ว่างสำหรับการตีความ มันต้องเป็นเอกสารที่ครอบคลุมอย่างสมบูรณ์ ระบุหมายเลขชั้น ประเภทของมัน วัสดุที่แน่นอน เช่น Isola 370HR ไม่ใช่คำทั่วไปว่า “FR-4 เทียบเท่า” และค่าความเป็นฉนวนของวัสดุ (Dk) ความหนาที่แม่นยำของแต่ละชั้นทองแดงและฉนวน รวมถึงน้ำหนักทองแดง ต้องถูกระบุ รายละเอียดในระดับนี้อาจดูเป็นเรื่องจุกจิกจนกว่าคุณจะพิจารณาฟิสิกส์ แผ่นพื้น “FR-4” ที่แตกต่างกันมีค่า Dk ที่แตกต่างกันซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงอิมพีแดนซ์สุดท้ายของเส้นทางอย่างมาก ทำให้ต้นแบบที่ใช้งานได้กลายเป็นความล้มเหลวในสนาม

จากพื้นฐานนี้ ข้อกำหนดสำหรับอิมพีแดนซ์ที่ควบคุมได้ก็เป็นไปตามธรรมชาติ การจำลองเป็นเพียงจุดเริ่มต้น เพื่อให้แน่ใจว่าบอร์ดทางกายภาพตรงกับความตั้งใจของคุณ บันทึกการผลิตต้องมีคำแนะนำที่ชัดเจนและสามารถผลิตได้ คุณต้องระบุอิมพีแดนซ์เป้าหมายและความทนทาน เช่น 90Ω ±10% differential และระบุชั้นและความกว้างของเส้นทางที่กฎนี้ใช้

จากนั้นก็เป็นคำแถลงสำคัญ ซึ่งเป็นสะพานเชื่อมระหว่างการออกแบบของคุณและกระบวนการของผู้ผลิต: “ผู้ผลิตปรับเส้นทาง/ช่องว่างและความหนาของฉนวนให้ตรงกับเป้าหมายอิมพีแดนซ์ การซ้อนทับสุดท้ายต้องได้รับการอนุมัติ” คำสั้นนี้ไม่สามารถต่อรองได้ มันให้สิทธิ์แก่ผู้ผลิตในการใช้วัสดุและกระบวนการเฉพาะของพวกเขาเพื่อให้บรรลุเป้าหมายไฟฟ้าของคุณ ในขณะเดียวกันก็ให้คุณเป็นผู้ลงนามสุดท้ายในโครงสร้างทางกายภาพ มันเปลี่ยนความสัมพันธ์จากการบังคับเป็นความร่วมมือ

แล้วพื้นผิวทองแดงสุดท้ายล่ะ? ในความถี่ที่เกินกว่า 10 GHz ผลกระทบผิวทำให้สัญญาณไปยังพื้นผิวของเส้นทาง ทำให้การเสร็จสิ้นเป็นปัจจัยที่เกี่ยวข้อง เช่น การเคลือบ ENIG จะสร้างชั้นความต้านทานของนิกเกิลซึ่งอาจเพิ่มการสูญเสียการแทรกซึม สำหรับการใช้งานที่ต้องการความแม่นยำสูงนี้ OSP สามารถนำเสนอเส้นทางสัญญาณที่สะอาดกว่า อย่างไรก็ตาม นี่คือการแลกเปลี่ยนทางวิศวกรรมแบบคลาสสิก ENIG มีความทนทานเป็นพิเศษ ในขณะที่ OSP มีอายุการใช้งานสั้นกว่าและจัดการรอบการไหลซ้ำหลายรอบได้ไม่ดี สำหรับการออกแบบดิจิทัลความเร็วสูงส่วนใหญ่ ความน่าเชื่อถือของกระบวนการ ENIG ทำให้เป็นตัวเลือกที่สมเหตุสมผลและยอมรับได้อย่างเต็มที่

หลักฐานสุดท้ายของสัญญานี้คือคูปองทดสอบอินพีแดนซ์ ซึ่งไม่ใช่สิ่งเสริมทางเลือก แต่เป็นหลักฐานทางกายภาพที่แสดงว่าแผงวงจรในมือของคุณตรงตามข้อกำหนด ซึ่งสร้างบนแผงเดียวกันโดยใช้กระบวนการเดียวกัน คูปองนี้วัดด้วย Time Domain Reflectometer และรายงานที่ได้คือการรับประกันของคุณ หากไม่มี คุณก็แค่เชื่อว่าทุกอย่างเป็นไปตามแผน คูปองนี้คือความแตกต่างระหว่างการสมมุติว่าแผงวงจรของคุณถูกต้องและการรู้ว่ามันถูกต้องแล้ว

เส้นทางแนวตั้ง: ที่ซึ่งความหนาแน่นและความเสี่ยงปะทะกัน

ทางเลือกของเทคโนโลยี via เป็นการเจรจาโดยตรงระหว่างความหนาแน่นของเส้นทาง การผลิตต้นทุน และความเสี่ยงของกระบวนการ via มาตรฐานเป็นแรงงานหลัก พวกมันถูกที่สุด เชื่อถือได้มากที่สุด และควรเป็นค่าเริ่มต้นในทุกที่ที่มีพื้นที่บนแผงวงจร ความสามารถในการผลิตของพวกมันไม่มีใครเทียบได้

อย่างไรก็ตาม ความพยายามเพิ่มความหนาแน่นมักนำไปสู่การใช้ via-in-pad ซึ่งเป็นเทคนิคที่จำเป็นสำหรับการกระจายพินของ BGA ที่มีจำนวนพินสูงในปัจจุบัน มันแก้ปัญหาเส้นทาง แต่ก็สร้างข้อกำหนดในการผลิตที่สำคัญ ท่อ via ซึ่งตั้งอยู่ตรงในแผ่นบัดกรีของส่วนประกอบ ต้องถูกเติมด้วย epoxy ที่ไม่เป็นตัวนำไฟฟ้าและเคลือบให้เรียบสนิท ซึ่งจะเพิ่มต้นทุนของแผงวงจรประมาณ 10-15% และที่สำคัญกว่านั้นคือเป็นคำแนะนำที่สำคัญที่ไม่ควรพลาด

สำหรับความท้าทายด้านความหนาแน่นสูงสุด เช่น การวางเส้นทางของ BGAs ที่มีระยะห่าง 0.5mm นักออกแบบต้องหันไปใช้ microvias ที่เจาะด้วยเลเซอร์ การตัดสินใจนี้ทำให้แผงวงจรเข้าสู่ระดับการผลิตที่แตกต่างออกไป ซึ่งเรียกว่าการเชื่อมต่อความหนาแน่นสูง (HDI) ซึ่งเกี่ยวข้องกับการวางซ้อนแบบต่อเนื่องและสามารถเพิ่มต้นทุนของแผงวงจรได้ง่าย ๆ ถึง 50% ถึง 200% เป็นทางออกที่เกิดจากความจำเป็น ใช้เฉพาะเมื่อการวางเส้นทางทางกายภาพเป็นไปไม่ได้ด้วยวิธีอื่น

ในโลกของ via นี้เองที่เกิดความล้มเหลวของ DFM ที่พบได้บ่อยและร้ายแรงที่สุด วิศวกรที่แสวงหาความหนาแน่นใช้ via-in-pad แต่ล้มเหลวในการระบุว่า “เติมเต็มและเคลือบด้วย” ในบันทึกการผลิต ในเครื่องมือ CAD การกระจายของ BGA ดูสะอาด แต่บนสายการประกอบ เรื่องราวที่แตกต่างกันก็เกิดขึ้น ในระหว่างการไหลซ้ำ ท่อ via ที่ไม่ได้เติมเต็มทำหน้าที่เหมือนหลอดดูดเล็ก ๆ บนโลหะบัดกรีของ BGA ซึ่งถูกดูดลงไปใน via ด้วยแรง capillary ทำให้การเชื่อมต่ออ่อนแอหรือเปิดวงจรอย่างสมบูรณ์ ซึ่งเป็นข้อบกพร่องที่ซ่อนอยู่ที่อาจปรากฏขึ้นหลังจากการเปลี่ยนความร้อนเป็นเวลาหลายเดือนในสนาม มันคือความล้มเหลวที่ร้ายแรง เกิดจากบรรทัดเดียวที่ขาดในเอกสารการผลิต

การทดสอบขั้นสุดท้าย: การประกอบและบอร์ดทางกายภาพ

การเดินทางของการออกแบบไม่ได้จบลงที่การผลิต แผงวงจรต้องผ่านการทดสอบด้วยไฟจากสายการประกอบ และการวางผังที่ยากต่อการประกอบจะเป็นไปไม่ได้ที่จะผลิตอย่างเชื่อถือได้ในระดับใหญ่

การวางตำแหน่งส่วนประกอบมีผลโดยตรงต่อผลผลิตของการบัดกรี ส่วนประกอบที่คล้ายกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งส่วนประกอบที่มีขั้วไฟฟ้าสลับ เช่น ไดโอด ควรจัดวางในทิศทางเดียวกันเพื่อให้ง่ายต่อการตรวจสอบอัตโนมัติและด้วยมือ ระยะห่างขั้นต่ำ 20 มิลลิเมตรระหว่างพาสซีฟขนาดเล็กเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อป้องกันการเชื่อมต่อของบัดกรี สำหรับส่วนประกอบขนาดใหญ่เช่น BGAs ระยะห่าง 3-5 มม. ไม่ใช่ความหรูหรา แต่เป็นข้อกำหนดสำหรับเครื่องมือซ่อมและกลไกล็อคของช่องทดสอบ

แผงวงจรเองมีตัวตนทางกายภาพ การออกแบบที่รวมส่วนประกอบหนักทั้งหมดไว้ด้านเดียวสร้างมวลความร้อนที่ไม่สมดุล ซึ่งอาจทำให้แผงบิดเบี้ยวในเตารีเฟลโลว์ ส่วนประกอบขนาดเล็กไม่ควรตั้งอยู่ในเงา “เงา” ของชิ้นส่วนที่สูงกว่า ซึ่งอาจขวางการไหลของอากร้อนและนำไปสู่การเชื่อมต่อบัดกรีที่ไม่สมบูรณ์

ความเป็นจริงทางกายภาพนี้จะชัดเจนที่สุดในระหว่างการจัดกลุ่มแผงวงจรเป็นแถวใหญ่ขึ้นเพื่อการผลิตที่มีประสิทธิภาพ การออกแบบแผงที่ไม่ดีสามารถทำลายผลผลิตได้ กรอบต้องแข็งแรงพอที่จะป้องกันไม่ให้แถวโค้งงอภายใต้น้ำหนักของมันเองในเตารีเฟลโลว์ ซึ่งเป็นสาเหตุหลักของการแตกของข้อต่อ BGA วิธีการแยกชิ้นก็สำคัญ การทำ V-scoring ให้ขอบสะอาด ในขณะที่ “รอยกัดเมาส์” ต้องวางในตำแหน่งที่เศษเหลืออยู่จะไม่รบกวนการปิดผนึกผลิตภัณฑ์สุดท้าย และบนแผงนี้ เครื่องหมายอ้างอิงเป็นจุดอ้างอิงสำคัญ โดยมีเครื่องหมายทั่วทั้งแถวและเครื่องหมายอ้างอิงท้องถิ่นใกล้กับส่วนประกอบที่มีความละเอียดสูง เพื่อให้เครื่องวางตำแหน่งรู้ว่าควรไปที่ไหน นี่คือการแปลความตั้งใจดิจิทัลเป็นผลิตภัณฑ์ทางกายภาพที่สามารถทำซ้ำได้และประสบความสำเร็จในที่สุด