十条最有效的PCB设计黄金法则,紫外激光器在P

2019-08-29 14:40栏目:包装材料
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全球领先的全套互连产品供应商Molex公司推出印刷电路板(printe dcircuit board,PCB)微型标识产品track-it™可追溯衬垫(traceability pad),可在任何大批量电子PCB组装运作中,为在制品(work-in-progress)生产过程提供清晰的产品可追溯性。track-it系统是包括高温陶瓷PCB组装的任何需要可追溯性但空间有限的SMTPCB组装的理想选择。该产品非常适合对可追溯性有严格要求的医疗行业,其它的典型应用范围包括从数码相机、笔记本电脑、MP3播放器、移动电话和便携式游戏设备等高值消费电子产品,直到车载娱乐和导航系统的各种产品。

紫外激光器是很多工业领域中各种PCB材料应用的最佳选择,从生产最基本的电路板,电路布线,到生产袖珍型嵌入式芯片等高级工艺都通用。这一材料的差异性使得紫外激光器成为了很多工业领域中各种PCB材料应用的最佳选择,从生产最基本的电路板,电路布线,到生产袖珍型嵌入式芯片等高级工艺都通用。

十条最有效的PCB设计黄金法则

小米最新发布的小米mix2的全面屏 全陶瓷概念的手机火遍了整个全中国,特别是全陶瓷的概念受到了各大烧机爱好者的热力追捧。作为三观正常的我们来理解,陶瓷在我们日常生活中只是用来吃饭、喝水。那么,我们的想法就大错特错。现代科技对于陶瓷材料的不断研究,使得陶瓷不仅仅用于生活器皿,像手机背板、传感器的基材、电路板的基材等等生活的方方面面都会用到。

Molex产品组经理Michael Power表示:“对于通常用于大批量电子PCB组装在制品追踪的现有手工标签和条码系统而言,track-it可追溯衬垫是具有很高的成本效益的替代选择。由于已经写入代码,无需购买激光装置,track-it仅仅需要客户小量的投资。此外,该衬垫使用少的PCB面积,可用于小型的应用。面对现今持续发展的小型化趋势和日益增加的复杂性和电路板密度,这些都是具吸引力的特点。”

应用1:表面蚀刻/电路生产

 尽管目前半导体集成度越来越高,许多应用也都有随时可用的片上系统,同时许多功能强大且开箱即用的开发板也越来越可轻松获取,但许多使用案例中电子产品的应用仍然需要使用定制PCB。在一次性开发当中,即使一个普通的PCB都能发挥非常重要的作用。PCB是进行设计的物理平台,也是用于原始组件进行电子系统设计的最灵活部件。本文将介绍几种PCB设计黄金法则,这些法则自25年前商用PCB设计诞生以来,大多没有任何改变,且广泛适用于各种PCB设计项目,无论是对年轻的电子设计工程师还是更为成熟的电路板制造商,都具有极大的指导性作用。

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track-it器件是尺寸仅为1.80mmx2.80mm的微型金属衬垫,采用激光蚀刻写入独特的2D数据矩阵符号,能够轻易使用大多数现货光扫描器来读取。这些产品采用卷轴包装供货,可以在高速SMT生产线的标准贴片机上进行自动拾放组装。对于运作多条生产线,拥有不同的制造场地和/或使用多家合约制造商的客户,track-it系统提供了更多的保证和信心,不会出现数字重复,从而确保了电路板内容和生产线或场地的100%可追溯性。

紫外激光器在生产电路时工作迅速,数分钟就能将表面图样蚀刻在电路板上。这使得紫外激光器成为生产PCB样品的最快方法。研发部门注意到,越来越多的样品实验室正在配备内部紫外激光系统。

本文以下内容介绍了电子设计工程师在使用设计软件进行PCB布局设计及商业制造时应牢记并践行的十条最有效的设计法则。工程师无需按时间先后或相对重要性依次执行这些法则,只需全部遵循便可极大地改变产品设计。

新型陶瓷材料在性能上有其独特的优越性。在热和机械性能方面,有耐高温、隔热、高硬度、耐磨耗等;在电性能方面有绝缘性、压电性、半导体性、磁性等;在化学方面有催化、耐腐蚀、吸附等功能;在生物方面,具有一定生物相容性能,可作为生物结构材料等。因此研究开发新型功能陶瓷是材料科学中的一个重要领域。

在组装过程中,Molex track-it衬垫和其它元件放置在通过回流焊接的应用PCB和焊料上,因而,每个PCB获得了唯一的标识。通过唯一的可追溯性代码,可以记录经组装PCB上包含的所有其它元件的可追溯性数据。而且,PCB标识符可以加入到终组装设备的标识信息中。

依赖于光学仪器检定,紫外激光光束的大小可以达到10-20μm, 从而生产柔性电路迹线。图2中的应用表明紫外线在生产电路迹线方面的最大优势,电路迹线极其微小,需要在显微镜下才能看见。

法则一:选择正确的网格 - 设置并始终使用能够匹配最多元件的网格间距。虽然多重网格看似效用显著,但工程师若在PCB布局设计初期能够多思考一些,便能够避免间隔设置时遇到难题并可最大限度地应用电路板。由于许多器件都采用多种封装尺寸,工程师应使用最利于自身设计的产品。此外,多边形对于电路板敷铜至关重要,多重网格电路板在进行多边形敷铜时一般会产生多边形填充偏差,虽然不如基于单个网格那么标准,但却可提供超越所需的电路板使用寿命。

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Power补充道:“由于track-it衬垫使用金属制造,并且耐高温,可以在回流焊之前放置在电路板上,从而省去与特富龙标签相关的额外高成本。track-it系统可用于标准回流焊和与陶瓷电路板相关的高温回流焊。”

这一电路板尺寸为0.75英寸x0.5 英寸,由一块烧结陶瓷基片和钨/镍/铜/表面组成。激光器能够产生2mils的电路迹线,间距为1 mil,从而使得整个间距仅为3 mils。

法则二:保持路径最短最直接。这一点听起来简单寻常,但应在每个阶段,即便意味着要改动电路板布局以优化布线长度,都应时刻牢记。这一点还尤其适用于系统性能总是部分受限于阻抗及寄生效应的模拟及高速数字电路。

氧化锆陶瓷就是现今应用的最多的一种陶瓷新材料,在新工艺的陶瓷生产中加入氧化锆烧制而成,其优异的耐高温性能作为感应加热管、耐火材料、发热元件使用,同时氧化锆陶瓷具有高韧性、高抗弯强度和高耐磨性,优异的隔热性能,热膨胀系数接近于钢等优点,因此被广泛应用于热障涂层、催化剂载体、医疗、保健、耐火材料、纺织等领域。

虽然使用激光光束生产电路是PCB 样品最快的方法,但大规模进行表面蚀刻应用最好留给化学工艺。

法则三:尽可能利用电源层管理电源线和地线的分布。十条最有效的PCB设计黄金法则,紫外激光器在PCB材料中的应用。电源层敷铜对大多数PCB设计软件来说是较快也较简单的一种选择。通过将大量导线进行共用连接,可保证提供最高效率且具最小阻抗或压降的电流,同时提供充足的接地回流路径。 可能的话,还可在电路板同一区域内运行多条供电线路,确认接地层是否覆盖了PCB某一层的大部分层面,这样有利于相邻层上运行线路之间的相互作用。

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应用2:PCB的拆卸

法则四: 将相关元件与所需的测试点一起进行分组。例如:将OpAmp运算放大器所需的分立元件放置在离器件较近的部位以便旁路电容及电阻能够与其同地协作,从而帮助优化法则二中提及的布线长度,同时还使测试及故障检测变得更加简便。

压电陶瓷是一种能将压力转变为电能的功能陶瓷,哪怕是像声波震动产生的微小的压力也能够使它们发生形变,从而使陶瓷表面带电。用压电陶瓷柱代替普通火石制成的气体电子打火机,能够连续打火几万次。

紫外激光器切割对于大型或小型生产来说都是一个最佳的选择,同时对于PCB的拆卸,尤其是需要应用于柔性或刚柔结合的电路板上时也是一个不错的选择。拆卸就是将单个电路板从嵌板上移除,考虑到材料柔性的不断增加,这种拆卸就会面临很大的挑战。

法则五:将所需的电路板在另一个更大的电路板上重复复制多次进行PCB拼版。选择最适合制造商所使用设备的尺寸有利于降低原型设计及制造成本。首先在面板上进行电路板布局,联系电路板制造商获取他们每个面板的首选尺寸规格,然后修改你的设计规格,并尽力在这些面板尺寸内多次重复进行你的设计。

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V槽切割和自动电路板切割等机械拆卸方法容易损伤灵敏而纤薄的基板,给电子专业制造服务企业在拆卸柔性和刚柔结合的电路板时带来麻烦。

法则六:整合元件值。作为设计师,你会选择一些元件值或高或低,但效能一样的分立元件。通过在较小的标准值范围内进行整合,可简化物料清单,并可能降低成本。如果你拥有基于首选器件值的一系列PCB产品,那么从更长远角度来说,也更利于你做出正确的库存管理决策。

PCB陶瓷基板是指铜箔在高温下直接键合到氧化铝或氮化铝陶瓷基片表面上的特殊工艺板。所制成的超薄复合基板具有优良电绝缘性能,高导热特性,优异的软钎焊性和高的附着强度,并可以像PCB板一样能刻蚀出各种图形,具有很大的载流能力。

紫外激光器切割不仅可以消除在冲缘加工、变形和损伤电路元件等拆卸过程中产生的机械应力的影响,同时比应用如CO2激光器切割等其它激光器拆卸时产生热应力影响要少一些。

法则七: 尽可能多地执行设计规则检查(DRC)。尽管在PCB软件上运行DRC功能只需花费很短时间,但在更复杂的设计环境中,只要你在设计过程中始终执行检查便可节省大量时间,这是一个值得保持的好习惯。每个布线决定都很关键,通过执行DRC可随时提示你那些最重要的布线。

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“切割缓冲垫”的减少能够节省空间,这意味着元件能够放置在更靠近线路边缘的位置,每一块电路板上可以安装更多线路,将效率提升到最高,从而达到柔性线路应用的最大极限。

法则八:灵活使用丝网印刷。丝网印刷可用于标注各种有用信息,以便电路板制造者、服务或测试工程师、安装人员或设备调试人员将来使用。不仅标示清晰的功能和测试点标签,还要尽可能标示元件和连接器的方向,即使是将这些注释印刷在电路板使用的元件下表面(在电路板组装后)。在电路板上下表面充分应用丝网印刷技术能够减少重复工作并精简生产过程。

上述陶瓷新材料基本应用于高精密要求的产品中,然而传统的接触式切割方式已经无法满足现今应用的精密需求和日益增长的产量需求,更重要的是陶瓷新材料的薄脆的特性容易碎裂。激光技术以它优异的性能优势打破了陶瓷新材料的加工壁垒。

应用3:钻孔

法则九:必选去耦电容。不要试图通过避免解耦电源线并依据元件数据表中的极限值优化你的设计。电容器价格低廉且坚固耐用,你可以尽可能多地花时间将电容器装配好,同时遵循法则六,使用标准值范围以保持库存整齐。

激光技术主要优势如下:

另外一种利用紫外激光器小型光束尺寸和低应力属性的应用是钻孔,包括贯穿孔、微孔和盲埋孔。紫外激光器系统通过聚焦垂直波束径直切割穿透基板来钻孔。依据所使用的材料,可以钻出小至10μm的孔。

法则十:生成PCB制造参数并在报送生产之前核实。虽然大多数电路板制造商很乐意直接下载并帮你核实,但你自己最好还是先输出Gerber文件,并用免费阅览器检查是否和预想的一样,以避免造成误解。通过亲自核实,你甚至还会发现一些疏忽大意的错误,并因此避免按照错误的参数完成生产造成损失。

1、精密度高:激光束可以聚焦到很小的尺寸,因而特别适合于精密加工。激光精密加工质量的影响因素少,加工精度高,在一般情况下均优于其它传统的加工方法;

紫外激光器在进行多层钻孔时尤为有用。多层PCB使用复合材料经热压铸入在一起。这些所谓的“半固化”会发生分离,特别是在使用温度更高的激光器加工后。但是,紫外激光器相对来说无应力的属性就解决了这一问题,如图4所示。

由于电路设计共享越来越广泛,且内部团队越来越依靠参考设计,类似以上的基本规则将仍是印刷电路板设计的一个特色,我们相信这对于PCB设计十分重要。明确了这些基本规则,开发人员便可非常灵活地提升其产品的价值并从其制造的电路板获得最大收益。即使是电路板设计新手,只要牢记这些基本规则便能加快学习过程,增强信心

2、高速便捷:激光精密加工操作简单,切缝宽度方便调控,可立即根据电脑输出的图样进行高速雕刻和切割、加工速度快,加工周期比其它方法均要短;

在图示横切面,一块14 mil的多层板上钻直径为4mil的孔。这一在柔性聚酰亚胺镀铜基板上的应用,显示了各层之间没有出现分离。关于紫外激光器低应力属性,还有重要一点:提高了成品率数据。成品率是从一块嵌板上移除的可用电路板的百分率。

 

3、安全可靠:激光精密加工属于非接触加工,不会对材料造成机械挤压或机械应力;

在制造过程中,很多情况都会造成电路板的损坏,包括断裂的焊点、破裂的元件或分层。任一种因素都会导致电路板在生产线上被丢进废物箱而非进入运输箱。

相信大家学习后肯定有所收获,

4、加工成本低:不受加工数量的限制,对于小批量加工服务,激光加工更加便宜。激光加工不需任何模具制造,而且激光加工完全避免材料冲剪时形成的塌边,可以大幅度地降低企业的生产成本提高产品的档次;

应用4:深度雕刻

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5、工艺水平高:激光切割的割缝一般在0.1-0.2mm,切割面无毛刺,速度快、能量集中,因此传到被切割材料上的热量小,引起材料的变形也非常小;

另外一种展示紫外激光器通用性的应用是深度雕刻,这包含多种形式。利用激光器系统的软件控制,激光光束设定进行受控消融,即能够按照所需深度在某一材料上进行切割,在转向另外一种深度和开始另外一个任务之前可以停止、继续和完成所需的加工。

 

各种深度应用包括:嵌入芯片时用到的小型生产以及将有机材料从金属表面移除的表面研磨。

紫外激光器还可以在基板上进行多步骤操作。在聚乙烯材料上,第一步是用激光产生一个深度为2 mils的凹槽,第二步是在上一步的基础上产生8 mils的凹槽,第三步是10mils的凹槽。这说明紫外激光系统所提供的整体用户控制功能。

结论:一种万能的方法

紫外激光器最为引人瞩目的是能够用单一的步骤来完成上述所有应用。这对于制造电路板意味着什么?人们不再需要在不同的设备上使用同时产生影响的工艺和方法来完成某一应用,而只需一次加工就可以获得完整的零件。

这一流线型的生产方案有助于消除电路板在不同流程间转换时产生的质量控制问题。紫外线无碎屑消融特性也意味着不需要进行后加工清洗。

编辑点评:激光器在多个领域里都有着广泛的应用,在当今世界的高端科研领域激光器研究也占据着一席之地。我们也看到了激光器中的一种紫外激光器就能够极大的提高生产电路的效率,未来世界激光器的应用比将更加广泛,我国也要加强激光领域的研究。

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