PCB设计中迎接0.3mm超细间距器件挑战

电子 OEM 市场的绝大部分正迅速朝着产品小型化以及更高水平的功能集成方向发展。

的例子是新一代的智能手机和移动/无线设备。而无论业界是否准备好，0.3 毫米 （mm） 超细间距微型 CSP（芯片级封装）、微型 BGA（球栅阵列）和其他有源器件正在迅速被引入，引领新一代的设计更薄、更快、更时尚的便携式手持电子产品和通信设备。

因此，印刷电路板 （PCB） 组装——无论是否受益于经过验证的 0.3 毫米间距技术诀窍——处于这个图腾柱的顶端，而负担则落在合同制造商 （CM） 和电子制造服务 （EMS） 供应商身上解决相关问题。

或者，你可以这样想。许多幼稚的电子装配厂和原始设备制造商无意中使用了上一代布局规则，却对后果保持无辜。

挑战

让我们首先说明，目前还没有专门为支持 0.3 毫米间距 CSP 而定制的正式设计指南或布局规则。电子行业还没有提出执行 0.3 毫米间距设计和布局项目的非常重要的规范和知识。

因此，如今许多 PCB 设计和布局工程师在很大程度上依赖传统的 0.5 毫米间距IPC 设计指南和布局规则来开发新的基于 0.3 毫米间距器件的设计。

例如，旧的设计指南允许 PCB 设计和布局工程师设计一个直径比 BGA/CSP 焊球直径小 20% 的焊球焊盘。 下面的图 1 显示了一个焊球焊盘，其直径比 CSP/BGA 焊球的直径小 20%（A = B = 80% x 焊球直径）。

图 1. 直径比 CSP/BGA 焊球直径小 20% 的焊球焊盘（A = B = 80% x 焊球直径）。（：安捷伦应用笔记）

如下图 2a 至 2c所示，CSP/BGA 焊球直径减少 20% 的焊球焊盘允许 PCB 设计人员设计狗骨式布局，NSMD 非阻焊层定义（ NSMD） 具有非阻焊层的焊盘覆盖铜和阻焊层之间的间隙，并设计具有低精度阻焊层定义的焊盘尺寸和低精度焊盘中心位置的阻焊层定义 （SMD） 焊盘。
 

图 2a – CSP/BGA 焊盘的狗骨式布局。（：Actel Corporation 应用说明）

图 2b – NSMD CSP/BGA 焊盘和 SMD CSP/BGA 焊盘的侧视图（：Altera 公司应用说明）。

图 2c – NSMD CSP/BGA 焊点和 NSMD CSP/BGA 焊点的侧视图（：Altera Corporation 应用说明）

现在，考虑 0.3 毫米间距微型 CSP 组件的焊球尺寸非常小——不到 820 万。按照 0.5 毫米间距设计指南中的规定减少 20% 后，CSP 焊盘尺寸明显更小。

很明显，这个阶段会产生无数的焊接缺陷，导致终良率相当低。PCB 设计人员在遵循 0.5 毫米间距设计指南时使用阻焊层定义的焊盘。

阻焊层孔径和非常小的间距 1180 万（0.3 毫米）存在 +/- 3 密耳公差，如下图 3 所示。 因此，非常小的阻焊层（小于 4 – 5 百万）无法牢固地连接并存在于两个焊盘之间。

图 3 – 双层 CSP 示例的底视图和横截面。0.3 mm 间距表示焊球中心与下一个焊球中心之间的距离为 11.8 mil。（：Actel Corporation 应用说明）

一个焊盘中心与下一个焊盘中心之间的距离为 11.8 密耳。这是 40% 的间距减少。这里损失了 7.1 密耳以适应掩模公差和间隙以牢固地固定掩模层以防止焊料桥接缺陷。传统的设计指南要求两个相邻焊盘之间的阻焊层间隙至少为 6 密耳，以实现焊点质量和可靠性。

现在，当谈到新的 0.3 毫米超细间距技术时，PCB 设计工程师无法为 6 密耳阻焊层间隙找到足够的空间。狗骨式焊盘布局没有空间；并且在铜和阻焊层之间没有非阻焊层覆盖间隙的空间。

对于 SMD 焊盘布局，允许焊膏位于 SMD 掩模层上方，对于 NSMD 布局，允许焊膏位于非掩模区域上方，风险太大。SMD land pad 和 NSMD land pad 都有很高的焊锡桥接、焊锡飞溅、焊锡不足和焊锡开路等缺陷倾向。基本上，DFM 要求与 0.3 毫米间距半导体制造商规范中的布局要求相冲突。

目前的 PCB 制造限制给 0.3 毫米间距技术带来了很多问题。例如，有 +/- 3 密耳掩膜层孔径公差和 +/- 1 密耳铜垫公差。标准掩模技术无法在非常小的区域内（小于 4 – 5 百万）安全地应用掩模层。

阻焊层附件至少需要 6 密耳。+/- 3 密耳的掩模层孔径误差将导致贴片机 （P&P）（即使具有机器视觉对准能力）错过晶圆厂球垫。CSP 的工厂球垫对于 P&P 机器来说太小（每减少 20% 规则 4-600 万）。由于标准制造技术的限制，终的焊点将具有开焊和焊料不足的缺陷。

0.3 毫米间距组装工艺还存在许多与模板限制相关的问题，这大大降低了终组装成品率。一是由于模板孔径和掩模/焊盘公差小，模板上的焊膏释放效果不佳。

由于掩模层放置错误，掩模层顶部有一些粘贴，因为 Gerber 定义的模板孔位置（非常准确）不是掩模定义的焊盘位置（通常为 +/- 3距 Gerber 定义的 XY 位置 10 万英里）。

由于极其紧密的 0.3 毫米间距，焊膏很容易在焊球接头之间形成焊桥缺陷。两个接头之间的距离减少了 40%（与 0.5 毫米间距技术相比，0.3 毫米间距比 0.5 毫米小 0.2 毫米。

这意味着 0.3 / 0.5 = 60%）。此外，两个接头之间缺少或未固定的阻焊层会使情况变得更糟，这是焊料桥接的另一个根本原因。

实际上，使用 0.3 毫米间距器件时 PCB 设计布局中的一系列问题会在制造和组装阶段触发多米诺骨牌效应。其中包括与模板、焊膏和拾放相关的极有可能的陷阱。

目前大多数贴片机只能处理 0.4 毫米间距的元件，不能处理 0.3 毫米间距的微型 CSP，因此会产生诸如焊点焊料不足和焊料桥接等回流焊问题。今天，没有有效的措施来防止错误放置在具有 +/- 3 密尔误差的焊盘上。