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PCB设计之“如何看懂叠层文件”

2020-08-06 11:45
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叠层文件的形式

常见的一些叠层文件的形式多种多样,给出的方式也多样化,有的通过excel形式给出,有的通过制板说明文件给出,有的直接放在PCB设计文件中,通过Gerber文件给出。不管是哪种方式,其目的都是为了让设计人员有据可依,能设计出满足功能性能要求的PCB,让生产加工人员能制造出满足设计性能的PCB。

下面这种是将所有的信息都直接放在PCB设计中,并且生成Gerber文件一起提交到工厂。

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下面这种形式是将叠层结构、阻抗结构、生产说明单独放置在一个文档中,和Gerber文件一起给到制板厂。


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叠层文件解析

下面详细介绍叠层文件中的相关信息,主要介绍叠层结构,阻抗结构以后再详细介绍。常见的叠层结构如下图:


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针对上图第一种情况:叠层是由core(覆铜板)+PP组成,表底层采用电解铜箔;第二种情况:叠层采用光板+电解铜箔+PP组成。下面对一些细节进行介绍。

叠层相关术语

首先介绍铜箔(Copper Foil):

按照铜箔不同的制法,可分为压延铜箔(RA)与电解铜箔(ED)两大类。电解铜箔是通过专用电解机连续生产出的生箔再经表面处理而成。它是我们常用硬板的铜箔材料。

压延铜箔(Rolled Copper Foil)是将铜板经过多次重复辊轧而制成的原箔(也叫毛箔),根据要求进行粗化处理。由于压延铜箔加工工艺的限制,其宽度很难满足刚性覆铜板的要求,所以压延铜箔在刚性覆铜箔板上使用极少。由于压延铜箔耐折性和弹性系数大于电解铜箔,故适用于柔性覆铜箔板上。

电解铜箔(Electrode Posited copper)是将铜先溶解制成溶液,再在专用的电解设备中将硫酸铜电解液在直流电的作用下,电沉积而制成原箔,然后根据要求对原箔进行表面处理、耐热层处理及防氧化处理等一系列的表面处理。电解铜箔不同于压延铜箔,电解铜箔两面表面结晶形态不同,紧贴阴极辊的一面比较光滑,称为光面;另一面呈现凹凸形状的结晶组织结构,比较粗糙,称为毛面。电解铜箔和压延铜箔的表面处理也有一定的区别。由于电解铜箔属柱状结晶组织结构,强度韧性等性能要逊于压延铜箔,所以电解铜箔多用于刚性覆铜板的生产,进而制成刚性印制板。

铜箔的厚度单位是盎司,常见的有0.5,1.0,像电源板之类的会用到2.0的。

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接着介绍PP:

半固化片是一种片状材料,在一定温度和压力作用下,具有流动性并能迅速地固化和完成粘结过程,并与载体一起构成绝缘层。俗称半固化片或粘结片。因为英文名字叫PrePreg(PreimPregnated),通常也叫PP。在实际压制完成后因内层残铜率及成品铜厚等因素的影响。成品厚度通常会比原始值小10-15um左右。


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另:内层2OZ组合P片可以是:1080*2、1080+2116、2116*2、1080+7628;

内层3OZ组合P片可以是:1080*3、1080*2+2116、2116*3。

为了满足阻抗要求,需要调整PCB叠层。在实际生产中,同一个浸润层最多可以使用3个半固化片,且最大厚度不能超过20mil(超过3张时,PP经高温压合时由半固化状态转变为液态后容易从PNL板边流失)。超过此数据需要考虑增加芯板来制作,或者把芯板两面的铜箔蚀刻掉或者直接用光板,再在两面用半固化片粘连,这样可以实现较厚的浸润层(这就是通常所说的假八层,比如正常的六层板,当板厚为1.6mm及以上时,厂家会推荐改为假八层(在L3和L4之间增加一个core))。最少可以只用一个半固化片,但有时因内层铜箔分布稀疏,或者成品铜厚太厚。需要大面积填胶,厂家出于产品的可靠性考虑,要求必须至少使用两张PP。

为了解决上述问题,可以采取以下几种方案:

  • 当密度不高,关键信号不多时,减少一个走线层,只有L1、L3、L6走线,L4不走线;局部高速信号区域对应的相邻层铺地。

  • 当密度不高,没有小间距的器件,可以使用比较大的线宽进行设计(例如8~9mil的Microstrip,6~10mil的Stripline)。

  • 当阻抗要求不高时,可以放宽阻抗要求(例如单端60~65欧姆,差分105欧姆),但对高速信号有影响,会造成反射。


下面介绍覆铜板(CCL:Copper Clad Laminate)

将补强材料浸以树脂胶液,制成浸胶料(半固化片PP:PrePreg),一面或两面覆以铜箔,经热压而成的一种板状材料,称为覆铜箔层压板(CCL:Copper Clad Laminate),简称覆铜板,又名基材(板)。当它用于多层板生产时,也叫芯板(CORE)。两面均没有铜箔的芯板也叫光板。

一般按基板的增强材料不同,可划分为:纸基、玻璃纤维布基、复合基(CM系列)、积层多层板基和特殊材料基(陶瓷、金属芯基等)五大类。常见的玻璃纤维布基CCL是以环氧树脂为粘合剂,玻璃纤维为增强材料的层压板基材,它是目前最广泛使用的玻璃纤维布基类型。不同厂家的FR-x有不同的型号,如M4、M6、370HR、TU662、TU872等就是不同厂家的不同等级的FR基板。

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环氧树脂是目前PCB板应用最广的基材绝缘材料。在液态时称为清漆或凡立水,称为A-stage;将玻璃布含浸树脂半干成胶片,称为PP,也称为B-stage;此胶片经高温后树脂会再软化成局部流动且有粘性的形态,便于进行双面基板或多层板压合,经此压合再硬化而无法恢复的最终状态称为C-stage。

常规FR4板料的厚度,通常是0.7mm以下的板料是不含铜厚的,0.7mm及以上的又分为含铜和不含铜两种。比如板厚0.7mm含铜,就是铜箔加芯板总厚度为0.7mm。如果板厚0.7mm不含铜,在实际应用中板厚加上铜箔厚度就会超过0.7mm,请注意此点区别。最薄的芯板为0.05mm。不同厂家的厚度不一样!!!


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本文来源:公众号:硬件助手  

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郑振宇

郑振宇,凡亿教育创始人,PCB联盟网论坛创始人,Altium原厂特邀讲师。擅长领域:X86,工控类,军工类,通讯类,消费类等高难度产品的pcb设计,长期致力于Altium Designer高速PCB设计软件的应用,对高速互联、高速DDR3\DDR4\EMI\emc\SI\PI等PCB处理技巧有足够的实战经验。著作有《altium designer 17电子设计速成实战宝典》等多本书籍

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