マイクロ PCB の設計と製造における 11 のスキル

電子世界は爆発寸前、というか内破と言うべきか、それは「暴力的な内なる崩壊」と定義される。この内破は、電子製品の大幅な小型化または電子製品の機能の大幅な改善によって促進され、プリント回路基板の小型化につながります。マイクロ PCB の設計と製造の処理方法を理解するのに役立つヒントをいくつか紹介します。

今日、基本回路基板のサイズ縮小により、設計者は PCB のサイズを元のサイズの半分または 4 分の 1 に縮小することができます。「今日」と言うのは、この記事を書いたとき、いくつかの企業がマイクロエレクトロニクスプリント回路の分野に足を踏み入れ始めたことを知っていたからです。これまで設計者が使用できなかった非常に細いワイヤが主流になり、元の絶対最小線幅 75 ミクロン (3 ミル) は徐々に 30 ミクロン (1.2 ミル) 以下に減少します。

配線やビアの微細化には、プリント基板の製造方法が全く異なり高度であるため、新しいデザインルールが必要です。マイクロエレクトロニクスプリント回路メーカーは、標準的な古いドライフィルム、プレート、およびエッチングプロセスを使用して、75 ミクロン未満のワイヤを確実に製造することはできません。リソグラフィは、これらの非常に細い線とスペースを生成するための選択方法です。より小さな線幅に目を向けると、3 ミルの抵抗器さえ提供していない、かなりの数の「泥沼に陥っている」古いプリント回路メーカーを驚かせるかもしれません。近い将来、競争力を維持するために、PCB ワークショップは少なくとも 50 ミクロン、さらには 30 ミクロンのラインとスペースを提供する必要があります。

マイクロエレクトロニクスビジネスの拡大と、ますます多くのプリント回路会社が 40 ミクロン以下の非常に細い線を製造するために必要な技術を見つけるにつれて、設計者は新しいデザインルールと超小型回路製造の長所と短所に精通している必要があります。

マイクロ PCB の設計方法

明らかな理由から、非常に細い 30 マイクロメートルのワイヤは、通常の 1 オンスの銅を使用できません。線幅を細くするときは、太さを細くしなければなりません。 Sierra Circuits では、厚さ 18 ミクロンの銅を使用して 25 ミクロンの生産ラインを作成しましたが、これはほぼ上限です。設計でより高い電流を使用しない限り、より細い銅線は問題にならないはずです。その場合、より高い電流を処理するために特定のワイヤをより太くすることができます。 30 ミクロンの生産ラインは堅牢で信頼性が高いですが、通常のはんだマスクを使用することでほとんど排除できるほどの物理的虐待を受けることはありません。

細いワイヤは多くの設計者に懸念を与えるかもしれませんが、現在使用されている 200 ミクロン幅のステッチを実現し、チップをチップキャリアに接続する 25 ～ 13 ミクロンのアルミニウムまたは金の丸線に減らす必要があります。細線は多層の内層またはソルダーレジストでカプセル化されているため、実際にロックされています。回路基板の表面に銅を取り付ける新しい方法が開発されました。これらの新しい方法は、表面への微細な痕跡の全体的な接着を改善するために使用されます。はんだマスクなしで 40 ミクロンのトレースを備えたサンプルボードがあり、顧客が爪で引っかくことができます。これまでのところ、誰も痕跡を残していません。

最初のいくつかのマイクロデザインには、30 ミクロンのトレースからパッドまでの大きなフィレットがあります。時間が経つにつれて、それは不要であることが判明しました。パッドへの直接配線は非常に信頼性が高いです。フィレットを追加すると、イメージの書き込み時間とコストが増加することが証明されました。

小さなスルーホール: マイクロスルーホールのサイズには物理的な制限があります。 50 ミクロン (2 ミル) 未満では、めっき液が穴の壁を適切にめっきできず、スルーホールの品質が低下します。当社のレーザーは 20 ミクロンの小さな穴を開けることができますが、電気メッキはできません。ラミネートの厚さはスルーホールの最小直径を制御し、上限はメッキされたスルーホールの 2:1 です。

たとえば、電気メッキの場合、3 ミルのマイクロスルーホールは 6 ミルの厚さのラミネートに制限されます。また、YAG レーザーで穴を開ける深さにも限界があります。直径が小さくなると、ラミネートを貫通してきれいな穴を形成する能力が低下します。 3 ミルのスルーホールは、FR4 では 4 ～ 5 ミル、HDI アプリケーションで使用される素焼きのラミネートでは 6 ～ 7 ミルの深さに制限されます。マイクロポアの全てが悪いとは限りません。微細孔は痕跡ほど小さくはないかもしれませんが、微細孔の周りのリングが大幅に小さくなるため、ポットに甘味料を追加できます.

最初のマイクロ PCB を製造したとき、最初に気付いたのは、スルーホールがパッドの中心にあるということでした。この設計では、9 ミルのパッドと 3 ミルのスルーホールを使用していますが、これは従来のプリント回路エンジニアリングには厳しいものです。新しい、より正確なレーザー製造方法により、5 ミルほどの小さなパッドと 3 ミルほどのスルーホールが可能になり、回路基板の面積を大幅に節約できます。

PCB design

従来のプリント回路技術の代わりに新しいマイクロ回路設計技術を使用すると、多くのスペースを節約できます。現在、典型的な 75 ミクロンのワイヤ幅の最適な間隔は約です。 5mm、および 75 ミクロン (3 ミル) は、75 ミクロンのワイヤと 250 ミクロン (10 ミル) のパッドを介して取得できます。ガスケット間の間隔は 225 ミクロン (9 ミル) で、ガスケット間には 75 ミクロンの線が 1 つだけ許可されます。この最小仕様は、ほとんどの店舗にとって困難です。

マイクロ PCB の設計基準

3 ミルのビア、5 ミル、30 μ m のワイヤ、および 30 μ m の間隔の超小型回路技術により、0.2 mm の間隔のレイアウトを生成できます。

標準の 3 ミル PCB レイアウトと比較して、超小型回路技術は使用面積を 5 分の 1 に減らすことができます。今後の記事では、必要なコンポーネント領域を削減するアイデアについて説明します。ただし、同じ部品を使用していても、30 本のマイクロワイヤとより小さなパッドに切り替えるだけで、基板面積が大幅に削減されます。

配線するときも同じテクニックを使用しますが、90 度回転させるのではなく、回転させるときにラインを傾けるようにしてください。コーナーの対角線は、コーナー応力をより広い領域に分散させます。

1. マイクロビア

多層基板の上部またはすべての HDI の多層として追加された HDI テクノロジーレイヤーを使用する場合、マイクロスルーホールを使用して薄い層間を接続できます。最大厚さ 60 ミルの直径 5.9 ミルのスルーホール、または直径 2 ～ 3 ミルのレーザー穴をあけることができますが、厚さ 2 ～ 4 ミルの HDI ラミネートに限られます。レーザーによって作成された穴と比較して、ドリルのドリフトが大きく、パッドを穴のサイズに制限することに注意してください。穴あけには、12 ミルのパッドと 6 ミルの穴を使用します。レーザードリル穴の場合は、3 ミルのスルーホールを備えた 5 ミルのパッドを使用します。

2. 穴のサイズ

当たり前のように思えますが、従来の PCB 設計のすべての要素を、より小さなマイクロサイズに適合するように調整する必要があることを繰り返します。これは、従来の PCB 設計に精通している PCB レイアウトエンジニアにとって困難な場合があります。この領域で見られる最も一般的なエラーは、大きすぎる穴です。実際、マイクロPCB設計には、基板層間を相互接続するためのレーザーマイクロスルーホールが必要です。設計の穴が大きすぎる場合 (通常)、マイクロ PCB はうまく機能しないか、正しく機能することさえありません。

ここでも、適切なマイクロ PCB メーカーと協力することの重要性に戻ります。 PCB メーカーがパートナーである場合、マイクロ PCB 設計が必要なすべての要件を満たしていることを確認するために、PCB プロセスのすべてのステップで支援を求めることができる専門家がいます。

3. 銅の厚さ

通常の 3 ミルの細いワイヤ回路は 1 オンスの銅であり、マイクロ回路の幅 30 ミクロンごとにオンスを使用します。マイクロ回路の製造には従来のパターン電気めっきが使用されます。つまり、トレースを回路から電気めっきバスに導く必要はなく、パターン電気めっきは回路全体に接続され、リードワイヤボンディングの電気めっきは化学的または電気的です。

4.信頼性

ほとんどの一般的なプリント回路基板は、HDI またはマイクロ回路に使用できますが、制限があります。マイクロ片面および両面回路は、剛性の FR4 ラミネートで作成できますが、マイクロスルーホールを可能にするために非常に薄くする必要があります。

5. 電気試験

現在、フライトプローブまたはリジッドプローブ (ネイルベッド) 技術の下限は 2 ～ 3 ミルです。必要に応じてより小さなプラットフォームが必要になるため、時間の経過とともに減少すると予想されます。マイクロ回路にエッジストリップコネクタなどの小さなポイントがある場合は、回路から 3 ～ 4 ミルのパッドまでラインを延長するのが賢明です。

6.耐溶着皮膜

残念ながら、30 本のマイクロワイヤを製造できるイメージング技術は、はんだマスクには適用されていません。 75 ミクロンの位置精度と画像解像度はまだ限界です。

7. 識別マーク

通常のスクリーン印刷の画像精度は、マイクロ回路には大きすぎます。 Sierra Proto は非常に細かいインクジェットプリンタを使用しているため、識別マークの解像度が非常に小さくなります。

8. 安全標識

非常に小さな単一のバーコードをはんだマスクに画像化して、プリント回路基板を正しく識別することができます。バーコードは非常に小さいため、人間の目にはほとんど見えません。

9. 最終完成

一般的な PCB 仕上げが利用可能です。ほとんどのマイクロ回路は、はんだ付け可能なソフトゴールド、スズ、またはシルバーを使用しています。

10. メーカーの能力を理解する

これまでのところ、開発したいマイクロエレクトロニクスの特定のアプリケーションやタイプに関係なく、これはマイクロ PCB を設計する際に取るべき最も重要なステップです。

この手法は、PCB 設計作業を開始する際に非常に重要です。ただし、その機能とサービスを理解することは、マイクロ PCB にとって特に重要です。これは、マイクロ PCB 設計に携わったことがない、またはそのような製品で指定された PCB 製造会社と協力したことがない会社にとって重要です。

理由は簡単です。マイクロ PCB の製造能力は、PCB メーカーによって大きく異なります。実際、マイクロ PCB はまだ非常に新しく、複雑なため、多くの PCB メーカーはマイクロエレクトロニクスの機能やサポートを限定的に提供しています。マイクロ PCB 設計の成功を証明するには、メーカーが基本的な要件を満たしていることを確認する必要があります。

設計要件はガイドラインに準拠する必要があることに注意してください。メーカーが対応できない要素を設計に組み込むと、手直しが必要になります。これにより、遅延が発生し、ターンアラウンドタイムが遅くなり、市場投入までの時間が短縮されます。

11.エンジニアと話す

できるだけ早い段階で、できれば設計プロセス全体を通して、PCB メーカーのエンジニアに連絡し、次のプロジェクトについて話し合ってください。

これは、マイクロ PCB が、この分野での経験がほとんどない無数の組織にマイクロエレクトロニクス分野を切り開いているという事実を考慮すると、特に重要です。たとえば、血液検査機器を専門とする会社は、分析に少量の血液を必要とするこの機器のマイクロバージョンの開発に関心を持っているかもしれません。これはマイクロ PCB の可能性を示す完璧な例ですが、この場合、同社にはマイクロ PCB 設計に携わっていた PCB レイアウトエンジニアがいない可能性があります。

これが、マイクロ PCB 設計プロセスのすべてのステップで、独自のエンジニアが指導する回路基板ワークショップと連携することが重要である理由です。このレベルのサービスをすべての顧客に提供する PCB メーカーもありますが、多くの企業は提供していません。マイクロ PCB メーカーが、マイクロ PCB 設計に携わる顧客にエンジニア主導のサポートと専門知識を提供しない場合、設計プロセスの早い段階で他の場所を検討する必要があるかもしれません。