电源适配器表面积层技术

  综观电源适配器产品设计和生产的发展历程,如果我们将电源适配器的发展同PCB基板的发展作一些比较,就会明显地发现,器件集成度的增加速度已远远大于PCB基板的发展速度｡为了使得PCB基板赶上器件集成度的发展速度,就必须提高PCB基板的密度,这可以通过降低在此基板上的设计规则和结构来实现,然而这样做有其物理实现上的制约｡一个崭新的解决方案就是命名为“表面积层”法的多层PCB技术｡由这一新技术所带来的功能,可以极大地降低PCB的尺寸和重量,减少层数,提高电磁兼容性,增加电源适配器产品特色,降低成本,同时也会使得设计工作更加简便快捷｡角到目前为止,只有MCM技术能使得体积､重量､性能得以大大的改进｡但是,MCM技术的应用代价太高,只适用于一些高端电源适配器产品､工作站､军用电源适配器和通信等领域｡然而“表面积层”技术恰恰能够为这种需求提供切实可行的解决方案｡顾名思义,“表面积层”是设计和制造上的一种方法｡它通过在低成本的FR4工艺PCB上增加薄绝缘层和用于贯穿这些层的小过孔的组合来实现｡采用这种表面积层技术,一个2层或4层的常规PCB板采用FR4工艺可以当成一个核心,用于构筑绝缘层,薄的绝缘层和导电层附着在核心层上,这些薄层间用微型孔来联接｡由此可见,薄的绝缘层和微孔技术是实现表面积层技术的关键｡相比于FR4工艺的0.025英寸焊盘直径,新技术的盘径可达到0.012英寸,而连线宽度可以是0.002英寸｡

  (1)降低电磁辐射的要求

  有许多必然的因素使我们必须采用表面积层技术,其中最主要的是降低电磁辐射和电磁干扰｡射频干扰产生于被高频电压干扰的传输信号或射频信号｡通常射频干扰来自于电源适配器设备或仪器,由于电流或电压的突变,这些设备产生具有副作用的射频二次谐波,而且设备本身

   首先,薄绝缘组合层技术允许小体积｡采用表面积层技术设计制作的PCB,单位面积上也产生高频能量,尤其是射频信号的走线密度会增加近一倍,因而可降低PCB的体积｡PCB面积的缩小对走线的拓扑结构有

  巨大的影响,这意味着缩小电流回路,缩小分支走线长度,而电磁辐射近似正比于电流回路的面积;同时小体积特征意味着高密度引脚封装器件可以被使用,这又使得连线长度下降,从而使电流回路减小,提高电磁兼容特性｡其次,由于这种改进所带来的走线拓扑的下降还会减少走线的感抗与容抗｡这会减少功耗,改善高频性能｡

  由表面积层技术所带来的小体积特征允许采用现今最新的微型IC封装技术,这类

(2)高密集的设计趋势

封装的引脚数大增,引脚间距可以很精细,如BGA封装等｡采用这些高度集成封装的器件进行设计可以大大地提高信号一致性,减少寄生参数,从而大大地抑制电磁干扰和射频干扰

(3)微型孔技术

通孔焊盘､过孔是PCB上连接层与层间信号的基本要素｡在传统PCB设计和加工中,这些穿导孔会带来许多问题｡首先它们占据大量的有用(走线)空间,其次大量的穿导孔密集处也对多层PCB内层走线造成巨大障碍,这些穿导孔占去走线所需的空间,在物理实现上又使钻孔成本上升(通常钻孔的费用占PCB制板费用的30%~40%)｡它们密集地穿过电源与地线层的表面,还会破坏电源地线层的阻抗特性,使电源地线层失效｡常规的机械法钻孔将是采用微孔技术工作量的20倍

  在过去的几年间,虽然焊盘､过孔的尺寸已逐渐减小下来,但如果板层厚度不按比例下降,将会导致通孔的纵横比增大,穿导孔的纵横比增大会降低可靠性｡采用表面积层技术,非贯穿的小盲孔和小埋孔成为可能｡这些非贯穿孔的孔径可达0.3mm(直径),所带来的寄生参数是原先常规孔的1/10左右,为了加工这些过孔,各种先进的技术已设计出来,如激光打孔技术､等离子干腐蚀技术等｡由于无需机械钻孔,所以成本极低,且一致性非常好

(4)表面积层技术应用于高密度高速PCB的优点

  由于采用微孔技术,使得PCB上大的过孔会很少,因而可以为走线提供更多的空间(采用微孔技术可以提高4~8倍的PCB布线密度)｡布线不是穿导所有的层意味着更多的空间被节省下来,这样就会更容易使PCB实现100%布通｡而剩余空间可以用作大面积屏蔽用途以改进EMI/RFI性能｡对只有少数走线的PCB外层进行大面积的接地屏蔽是相当有用的｡除了表面积层技术,这些特点是其他工艺根本无法实现的｡同时更多的剩余空间还可以使得我们可以在内层对器件和关键网线进行部分屏蔽,以取得最佳电气性能

  此外,采用这种微孔技术的非穿导过孔,可以更方便地进行器件引脚进出,因而不存在引脚无法进出的问题｡这就使得高密度引脚器件,(如BGA封装器件)很容易地实现(走线)连接,缩短连线长度,满足高速电路时序要求｡

  利用表面积层技术中薄绝缘介质,可以将离散去耦电容做在PCB板内电容层上,这又会增加PCB的剩余空间,从而抑止EMI/RFI

  (5)层内埋器件技术

  为进一步降低由于器件密度增加和引脚数增加所带来的问题,采用表面积层技术允许部分离散电阻直接做到PCB内层上面,在进行电原理图设计时就可以通过规则和属性来设定一些电阻到指定的PCB层上,CAD系统在布局布线时会自动地定位和生成所需的电阻,这种电阻称为层内埋器件｡采用这种技术可以节省大量的PCB表面的空间,而这些空间可以用于走线和更密的器件布局｡

  (6)测试问题

  增加的布线空间可以允许我们实现边界扫描测试,这可以极大地降低测试成本｡采用表面积层技术所节省的空间可以用于插入测试点,可以很容易地利用微孔所允许的小孔径技术实现测试点表面积层技术解决了PCB设计和制造中器件密度增大､连接密度增加和时钟频率大幅度提高所带来的诸多技术难题｡它为应对下一代电源适配器系统设计所面临的挑战,如降低成本､增加密度､提高性能､改进用户应用界面､提高电磁兼容性等提供最佳的解决方案,必将成为新一代PCB设计与制造的核心技术